轨道车辆监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及一种轨道车辆技术领域，特别是一种轨道车辆监测系统及其监测方法。

背景技术：

随着城市轨道交通的建设，轨道交通信息化、智能化的趋势日益明显。车辆是城市轨道交通的核心，其可靠性直接影响城轨的安全、高效运营。近年来，车辆结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高，与此同时，轨道交通车辆发生故障的概率也在不断升高，故障类型复杂多样。

然而，针对轨道交通车辆的监控只停留在视频监控、电气监测等领域，极少涉及机械部分监测。究其原因在于轨道交通车辆机械故障诊断和健康管理的难度非常大。常规的监测设备无法在轨道交通车辆上直接使用，很难在特定的空间安装，也不具备报警功能，不能满足轨道交通车辆智能监测的要求。目前健康管理系统对状态监测的侧重较多，但未能很好的分析监测数据，更加无法提前预测故障、准确评估设备健康状况，预估剩余寿命，无法为地铁运营公司制定合理的备品备件、预知维修等计划，提供有效的智能运维服务。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的不足之处，本发明提供一种轨道车辆监测系统及其监测方法，其监测部件经由分布式结构可以直接在相关监测位置监测，便于安装，通过对监测信号进行统一处理，通过数据处理获得各种类型故障的数据特征，特征提取后可以提前预测故障，准确评估设备健康状况，预估剩余寿命，为地铁运营公司制定合理的备品备件、预知维修等计划，提供有效的智能运维服务。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，一种轨道车辆监测系统包括转向架监测单元、车体监测单元、制动装置监测单元、连接装置监测单元、处理单元和服务器，其中，

转向架监测单元为分布式结构，其包括，

多个第一测量单元，配置成获得第一测量信号的多个第一测量单元分别设在转向架的牵引电机、齿轮箱、轮对、轴箱轴承和构架，

第一调理转化单元，其连接所述多个第一测量单元以接收所述第一测量信号以调理放大转化成第一电压信号，

车体监测单元为分布式结构，其包括，

多个第二测量单元，配置成获得第二测量信号的多个第二测量单元分别设在车体上，

第二调理转化单元，其连接所述多个第二测量单元以接收所述第二测量信号以调理放大转化成第二电压信号，

制动装置监测单元为分布式结构，其包括，

多个第三测量单元，配置成获得第三测量信号的多个第三测量单元分别设在制动装置上，

第三调理转化单元，其连接所述多个第三测量单元以接收所述第三测量信号以调理放大转化成第三电压信号，

连接装置监测单元为分布式结构，其包括，

多个第四测量单元，配置成获得第四测量信号的多个第四测量单元分别设在连接装置上，

第四调理转化单元，其连接所述多个第四测量单元以接收所述第四测量信号以调理放大转化成第四电压信号，

处理单元，其连接所述转向架监测单元、车体监测单元、制动装置监测单元和连接装置监测单元以获得第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号，处理单元包括，

特征提取单元，其基于第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号提取生成特征参数，

故障报警单元，其基于所述特征参数判断是否发生故障，响应于发生故障，故障报警单元发出警报，响应于未发生故障，存储所述特征参数，

服务器，其连接所述转向架监测单元、车体监测单元、制动装置监测单元、连接装置监测单元和处理单元以获得第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号和特征参数，服务器包括，

小波分析单元，其基于特征参数以建立转向架、车体、制动装置、连接装置的寿命模型，

支持向量机，其基于寿命模型训练第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号获得转向架、车体、制动装置、连接装置的评估寿命值。

在所述的轨道车辆监测系统中，第一测量单元包括，

第一振动传感器，布置在牵引电机处的所述第一振动传感器配置成测量牵引电机的振动并发出第一振动信号到第一调理转化单元，

第一转速传感器，布置在牵引电机处的所述第一转速传感器配置成测量牵引电机的转速并发出第一转速信号到第一调理转化单元，

第一温度传感器，布置在牵引电机处的所述第一温度传感器配置成测量牵引电机的温度并发出第一温度信号到第一调理转化单元，

第二振动传感器，布置在齿轮箱处的所述第二振动传感器配置成测量齿轮箱的振动并发出第二振动信号到第一调理转化单元，

第二转速传感器，布置在齿轮箱处的所述第二转速传感器配置成测量齿轮箱的转速并发出第二转速信号到第一调理转化单元，

第二温度传感器，布置在齿轮箱处的所述第二温度传感器配置成测量齿轮箱的温度并发出第二温度信号到第一调理转化单元，

第三振动传感器，布置在轮对处的所述第三振动传感器配置成测量轮对的振动并发出第三振动信号到第一调理转化单元，

第三转速传感器，布置在轮对处的所述第三转速传感器配置成测量轮对的转速并发出第三转速信号到第一调理转化单元，

第四振动传感器，布置在轴箱轴承处的所述第四振动传感器配置成测量轴箱轴承的振动并发出第四振动信号到第一调理转化单元，

第四转速传感器，布置在轴箱轴承处的所述第四转速传感器配置成测量轴箱轴承的转速并发出第四转速信号到第一调理转化单元，

光纤光栅应变传感器，布置在转向架构架处的所述第应变传感器配置成测量转向架构架的应变并发出应变信号到第一调理转化单元。

在所述的轨道车辆监测系统中，所述处理单元还包括用于处理第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号的自适应滤波单元，所述自适应滤波单元连接所述特征提取单元。

在所述的轨道车辆监测系统中，所述的轨道车辆监测系统还包括布置在轨道车辆的显示单元，其连接所述处理单元以显示特征参数。

在所述的轨道车辆监测系统中，响应于未发生故障，故障报警单元还存储预定时间段的第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号。

在所述的轨道车辆监测系统中，服务器为云端服务器，云端服务器包括处理器、硬盘、内存、总线和用于与测量装置以统一格式交互的无线通信设备，所述无线通信设备至少包括移动通信网络设备，所述移动通信网络设备包括2g无线通信芯片、3g无线通信芯片和/或4g无线通信芯片。

在所述的轨道车辆监测系统中，所述的轨道车辆监测系统还包括布置在轨道车辆的用于获得点检数据的点检单元，所述点检单元连接处理单元。

在所述的轨道车辆监测系统中，所述故障报警单元包括振动器、蜂鸣器和/或led灯。

在所述的轨道车辆监测系统中，服务器还包括用于计算转向架、车体、制动装置、连接装置的剩余寿命值的隐马尔科夫链计算单元。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的轨道车辆监测系统的监测方法步骤包括：

第一步骤中，多个第一至第四测量单元检测转向架、车体、制动装置和连接装置以获得第一至第四测量信号，第一至第四测量信号调理放大转换成第一至第四电压信号，

第二步骤中，基于第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号提取生成特征参数，基于所述特征参数判断是否发生故障，响应于发生故障，故障报警单元发出警报，响应于未发生故障，存储所述特征参数，

第三步骤中，基于特征参数以建立转向架、车体、制动装置、连接装置的寿命模型，基于寿命模型训练第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号获得转向架、车体、制动装置、连接装置的评估寿命值。

本发明从车辆的状态监测出发，通过特征提取、诊断分析、健康评估、寿命预测等技术和方法实现对城市轨道交通车辆的智能监测、智能诊断、智能预测，并通过深层次的数据挖掘为地铁运营公司、生产企业等提供智能运维服务。本发明中，车载部分具有状态监测、智能报警功能，并保存报警时刻前后30s的数据，以便后续数据分析。具备诊断分析、健康评估和寿命预测等功能，实现轨道交通车辆的预知维修。提供维修决策、备品备件、协同管理等服务，运用科技计算与数据分析进行智能运维服务。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的轨道车辆监测系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的轨道车辆监测系统的车载部分布示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的轨道车辆监测系统的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的轨道车辆监测系统的转向架监测单元的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的轨道车辆监测系统的工作示意图；

图6是根据本发明一个实施例的使用轨道车辆监测系统的监测方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图6更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的轨道车辆监测系统的结构示意图，如图1所示，一种轨道车辆监测系统，其包括转向架监测单元1、车体监测单元2、制动装置监测单元3、连接装置监测单元4、处理单元6和服务器5，其中，

转向架监测单元1为分布式结构，其包括，

多个第一测量单元，配置成获得第一测量信号的多个第一测量单元分别设在转向架的牵引电机、齿轮箱、轮对、轴箱轴承和构架，

第一调理转化单元，其连接所述多个第一测量单元以接收所述第一测量信号以调理放大转化成第一电压信号，

车体监测单元2为分布式结构，其包括，

多个第二测量单元，配置成获得第二测量信号的多个第二测量单元分别设在车体上，

第二调理转化单元，其连接所述多个第二测量单元以接收所述第二测量信号以调理放大转化成第二电压信号，

制动装置监测单元3为分布式结构，其包括，

多个第三测量单元，配置成获得第三测量信号的多个第三测量单元分别设在制动装置上，

第三调理转化单元，其连接所述多个第三测量单元以接收所述第三测量信号以调理放大转化成第三电压信号，

连接装置监测单元4为分布式结构，其包括，

多个第四测量单元，配置成获得第四测量信号的多个第四测量单元分别设在连接装置上，

第四调理转化单元，其连接所述多个第四测量单元以接收所述第四测量信号以调理放大转化成第四电压信号，

处理单元6，其连接所述转向架监测单元、车体监测单元、制动装置监测单元和连接装置监测单元以获得第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号，处理单元包括，

特征提取单元，其基于第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号提取生成特征参数，

故障报警单元，其基于所述特征参数判断是否发生故障，响应于发生故障，故障报警单元发出警报，响应于未发生故障，存储所述特征参数，

服务器5，其连接所述转向架监测单元、车体监测单元、制动装置监测单元、连接装置监测单元和处理单元以获得第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号和特征参数，服务器5包括，

小波分析单元，其基于特征参数以建立转向架、车体、制动装置、连接装置的寿命模型，

支持向量机，其基于寿命模型训练第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号获得转向架、车体、制动装置、连接装置的评估寿命值。

在一个实施例中，如图2所示，车体监测单元2、制动装置监测单元3、连接装置监测单元4，与转向架监测单元1分布式布置一样，分别在车体、制动装置、连接装置布置多种类传感器，通过调理转化单元将模拟信号转化为标准电压信号，通过以太网重联线将信号传送至处理单元6进行处理。处理单元6按照轨交交通车辆控制柜的内部安装条件设计，既可以直接接受传感器的模拟信号，又可以直接输入标准电压信号。处理单元6具备自适应滤波、特征提取功能，并内置了车载镜像模型对城市轨道交通车辆的关键部件进行智能预警与报警，将监测数据与报警结果直接输出至车载显示单元展示。同时在报警时刻，处理单元6可以存储报警时刻前后30s原始数据方便对故障部位和类型的深层分析。最终，处理单元6将特征数据、报警数据、原始数据等通过专网统一发送至服务器5。

在一个实施例中，参见图3，包含安装于城市轨道交通车辆的转向架监测单元1、车体监测单元2、制动装置监测单元3、连接装置监测单元4、处理单元6、车载显示单元7，实现对城市轨道交通关键部件的全方位监测和智能预警；随后通过专网将数据实时传输至服务器5，经过地面phm系统的深层挖掘，在大数据监控中心进行集中展示；同时，装置包含智能点检单元，通过无线网络直接将点检数据及结果发送至大数据服务器5，供数据深层挖掘使用。该装置从城市轨道交通车辆的状态监测出发，通过特征提取、诊断分析、健康评估、寿命预测等技术和方法实现对城市轨道交通车辆的智能监测、智能诊断、智能预测，并通过深层次的数据挖掘为地铁运营公司、生产企业等提供智能运维服务。

在一个实施例中，参考图4，所述的转向架监测单元1采用分布式结构布置，主要包含多种类传感器和调理转化单元两部分，实现对转向架内部各零部件的智能监测。其中，在转向架的牵引电机上，安装振动、转速、温度传感器；在转向架的齿轮箱上安装振动、转速、温度传感器；在转向架的轮对上安装振动、转速传感器；在转向架的轴箱轴承上、安装振动、温度传感器；在转向架的构架上安装应变、光纤光栅传感器；所有传感器模拟信号均进入调理转化单元进行调理放大，转化为标准电压信号，通过以太网重联线与处理单元6进行信号传输。

所述的车体监测单元2、制动装置监测单元3、连接装置监测单元4，其特征在于，与转向架监测单元1分布式布置一样，分别在车体、制动装置、连接装置布置多种类传感器，通过调理转化单元将模拟信号转化为标准电压信号，通过以太网重联线将信号传送至处理单元6进行处理。

在一个实施例中，所述的处理单元6按照轨交交通车辆控制柜的内部安装条件设计，既可以直接接受传感器的模拟信号，又可以直接输入标准电压信号。处理单元6具备自适应滤波、特征提取功能，并内置了车载镜像模型对城市轨道交通车辆的关键部件进行智能预警与报警，将监测数据与报警结果直接输出至车载显示单元7展示。同时在报警时刻，处理单元6可以存储报警时刻前后30s原始数据方便对故障部位和类型的深层分析。最终，处理单元6将特征数据、报警数据、原始数据等通过专网统一发送至大数据服务器8。

在一个实施例中，参考图5，地面phm系统从大数据服务器5获取数据，进行深度的数据挖掘，利用小波分析、滤波解调、自适应滤波、局部均值分解等现代信号处理方式诊断分析故障类型及程度，运用支持向量描述法、流行学习算法对车辆监测部件进行健康评估，利用贝叶斯网络、隐马尔科夫链、支持向量机等方法进行剩余寿命预测，并根据预测结果制定维护决策、备品备件、维修计划，同时通过多路信息融合分析进行协同管理，实现产品的改造升级，最终为地铁运营公司、生产企业等提供智能监测、智能诊断、智能预测、智能运维服务。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，第一测量单元包括，

第一振动传感器，布置在牵引电机处的所述第一振动传感器配置成测量牵引电机的振动并发出第一振动信号到第一调理转化单元，

第一转速传感器，布置在牵引电机处的所述第一转速传感器配置成测量牵引电机的转速并发出第一转速信号到第一调理转化单元，

第一温度传感器，布置在牵引电机处的所述第一温度传感器配置成测量牵引电机的温度并发出第一温度信号到第一调理转化单元，

第二振动传感器，布置在齿轮箱处的所述第二振动传感器配置成测量齿轮箱的振动并发出第二振动信号到第一调理转化单元，

第二转速传感器，布置在齿轮箱处的所述第二转速传感器配置成测量齿轮箱的转速并发出第二转速信号到第一调理转化单元，

第二温度传感器，布置在齿轮箱处的所述第二温度传感器配置成测量齿轮箱的温度并发出第二温度信号到第一调理转化单元，

第三振动传感器，布置在轮对处的所述第三振动传感器配置成测量轮对的振动并发出第三振动信号到第一调理转化单元，

第三转速传感器，布置在轮对处的所述第三转速传感器配置成测量轮对的转速并发出第三转速信号到第一调理转化单元，

第四振动传感器，布置在轴箱轴承处的所述第四振动传感器配置成测量轴箱轴承的振动并发出第四振动信号到第一调理转化单元，

第四转速传感器，布置在轴箱轴承处的所述第四转速传感器配置成测量轴箱轴承的转速并发出第四转速信号到第一调理转化单元，

光纤光栅应变传感器，布置在转向架构架处的所述第应变传感器配置成测量转向架构架的应变并发出应变信号到第一调理转化单元。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，所述处理单元还包括用于处理第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号的自适应滤波单元，所述自适应滤波单元连接所述特征提取单元。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，所述的轨道车辆监测系统还包括布置在轨道车辆的显示单元，其连接所述处理单元以显示特征参数。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，响应于未发生故障，故障报警单元还存储预定时间段的第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，服务器为云端服务器，云端服务器包括处理器、硬盘、内存、总线和用于与测量装置以统一格式交互的无线通信设备，所述无线通信设备至少包括移动通信网络设备，所述移动通信网络设备包括2g无线通信芯片、3g无线通信芯片和/或4g无线通信芯片。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，所述的轨道车辆监测系统还包括布置在轨道车辆的用于获得点检数据的点检单元，所述点检单元连接处理单元。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，所述故障报警单元包括振动器、蜂鸣器和/或led灯。

在所述的轨道车辆监测系统的优选实施例中，服务器还包括用于计算转向架、车体、制动装置、连接装置的剩余寿命值的隐马尔科夫链计算单元。

参见图6，一种利用所述的轨道车辆监测系统的监测方法步骤包括：

第一步骤s1中，多个第一至第四测量单元检测转向架、车体、制动装置和连接装置以获得第一至第四测量信号，第一至第四测量信号调理放大转换成第一至第四电压信号，

第二步骤s2中，基于第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号提取生成特征参数，基于所述特征参数判断是否发生故障，响应于发生故障，故障报警单元发出警报，响应于未发生故障，存储所述特征参数，

第三步骤s3中，基于特征参数以建立转向架、车体、制动装置、连接装置的寿命模型，基于寿命模型训练第一至第四测量信号和/或第一至第四电压信号获得转向架、车体、制动装置、连接装置的评估寿命值。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。