基于物联网的大型铁路养护机械在线监测和故障诊断系统设计

银萍　何冰

摘 要：随着我国铁路里程数的不断增加，铁路线路的养护的工作量巨大，大型铁路养护机械的使用台数也随之增大。本文针对大型铁路养护机械使用、维修和保养问题，设计一种基于物联网技术的在线监测和常见故障诊断系统。

关键词：物联网；大型铁路养护机械；在线监测；故障诊断；智能传感

目前，我国现有国家铁路局就18家，铁路线路运营总里程已超过12万公里，对既有铁路线路的养护是一项非常艰巨而繁重的任务，传统依靠人工作业的养护方式无论在质量和效率上都远远不能满足要求，必须采用先进的技术手段和设备来维持线路的养护、维修工作，因此，大型铁路养护机械的使用就显得尤为重要，同时，大型铁路养护机械的维修作业也成为铁路运输事业中的重点环节。大型铁路养护机械是集控制技术、机械、液压、电气、气动为一体大型综合机械，而工作地点又多在远离城市的荒郊野外，而操作人员往往又不具备对这些故障进行正确诊断的能力，往往需要通过电话求助于专业维修人员，这种处理方法常常显得力不从心。针对出现临时突发性故障，主要依靠现场作业人员进行故障的判断和处理方法，对于常见简单故障，这种方法切实可行，但对于一些比较专业、稍微复杂的故障，因为，作业现场的通讯信号、操作人员对故障现象的描述能力等因素，很大程度上制约了操作人员与专业维修人员之间的沟通。

一、物联网和智能传感技术

物联网从技术架构上一般可分为感知层、网络层和应用层。感知层主要功能是對信息进行采集和物件识别，由各种传感器及传感器网关构成。网络层主要功能是对从感知层获取的数据信息进行传递和处理，由各种现地网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成。应用层是物联网和大型铁路养护机械的接口，与用户需求结合，实现物联网技术在大型铁路养护机械的智能应用。智能传感器具有设备或环境信息感知、板载诊断、数据采集、分析、转换处理、告警和通信等功能，由微处理器驱动的传感器与仪表套装，选配无线射频模块，为大型铁路养护机械监控系统及用户提供相关信息，在大型铁路养护机械在线监测系统中，对于分布感知的数据，如液压系统油压、气压系统气压、设备二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头及辅助设备或环境的状态信息等传感器，将其设计于数据采集智能模块中。

二、在线监测和故障诊断系统设计

1.系统设计方案

系统整体设计方案如图1所示。

2.基于RFID技术的跟踪管理系统设计

基于RFID技术的大型铁路养护机械跟踪管理系统作为一个系统由若干个功能模块构成，它要为各个功能模块的相互协作运行提供信息支撑，实现施工作业信息的采集、分析、处理、发布、共享和利用，信息的实时查询与发布。其核心业务模块如下：

（1）现场数据采集模块。它依靠RFID DCS以及其他设备通信接口构件与现场设备进行信息交互，同时给现场操作人员提供信息输入接口，将相关的作业信息全部收集在内。数据输入来源包括RFID系统、设备以往维修保养和故障信息日志文件、维修人员等。

（2）故障数据库管理模块。该模块主要包括前期维修保养和故障诊断情况记录、与大型铁路养护机械自身监测系统对接两部分功能。

（3）在线监测跟踪查询模块。该模块提供对大型铁路养护机械正在运行状况的跟踪查询。通过该模块，远程技术人员可以迅速及时地了解现场作业情况。后台连接相应的数据库，可以显示相关时段相应作业车辆的基本信息、各个观测点状况、维修状况、详细部件信息等。有了在线监测跟踪系统就可以随时随地了解作业设备的位置和具体情况，防止故障堆积。

3.过程监控故障诊断系统

过程监控故障诊断系统监控软件主要实现各台设备的状态监测（如运行信号、故障信号等）；设备模拟量的记录（如电机电流、电压）；故障信号发生后的报警及自动切换；生产量记录到数据库管理软件中等的控制功能。设备控制软件作为自动控制系统的核心，它的性能将对设备运行效率起到决定性的作用，控制软件由通信模块、输入与信息显示模块、运动（位置、速度）控制模块、故障检测与处理模块、特殊功能模块等组成。通信模块实现与上位机的通信联系，接收上位机或操作器输入的任务信息，并发送设备的任务及状态信息；运动（位置、速度）控制模块控制设备可靠快速地完成给定的任务，可具有一定的智能处理与控制处理；故障检测与处理模块应具备对非正常状态检测与处理功能，具有故障诊断、保护及故障自恢复性能。

过程监控故障诊断系统软件的具体功能如下：

（1）采集系统状态数据。系统设备的执行机在执行每一次操作时都要发回状态报告，所发回的状态报告包括操作命令的当前执行情况、运输设备当前状态、操作命令的完成、取消或修正、操作故障情况等，根据报告可随时掌握系统运行的状态；同时也通过传感器、检测元件得到系统的状态信息。

（2）监视系统对所发回的状态数据进行分类、整理。在屏幕上用图形显示各设备和运输设备状况。

（3）处理异常情况检查判别系统状态中的不正常信息，根据不同情况提出处理方案。

（4）人机交互供操作人员查询当前系统状态数据，人工直接干预系统的运行以及处理异常状况。

（5）接受管理层下发的故障诊断计划和任务，并控制执行机构完成任务。

三、系统功能及特点

1.系统功能

（1）在线监测与实时故障智能诊断。系统通过采集大型铁路养护机械各系统电参数信号，获取设备运行状态信息，利用先进的信号识别和表征技术，实时定量诊断故障损伤部位和严重程度。

（2）预警功能。工作人员可随时掌握设备运行状态，发生超限、故障时，Web界面端可自动弹出报警类型、报警状态、报警时间等，并可通过配件实现语音报警。

（3）自动生成诊断报告。通过选取故障数据，系统自动输出诊断分析结果和诊断报告。

（4）查询数据功能。以表格形式输出报警记录，可对大型铁路养护机械的历史数据进行查询，另外可进行趋势分析。

（5）针对大型铁路养护机械测点进行振动数据分析，包括实时波形数据分析、频谱分析、包络谱分析、振动特征值计算等。

（6）可实现数据共享和多点访问，支持远程访问。

2.系统特点

（1）大型铁路养护机械故障在线智能定量诊断，实现故障准确定位与维修指导。

（2）大型铁路养护机械运行状态远程集中监测，实现运行状态信息全面实时监测。

（3）故障预警，历史数据为大型铁路养护机械健康状态评估提供依据，为设备趋势分析提供支撑。

（4）数据可靠性高，实现高效率的数据存储与数据库管理。

四、结束语

本文针对物联网技术优势和大型铁路养护机械施工和故障特点，提出了将物联网技术应用在大型铁路养护机械的在线监测及故障诊断系统中一种设计方案。

参考文献：

[1]梁敏富等.温补型光纤Bragg光栅压力传感器在锚杆支护质量监测中的应用[J].煤炭学报，2017.42

[2]冼国华.基于物联网技术的污染源在线监控平台设计与分析[J].广东化工，2018.12