（机械电子工程专业论文）轨道交通车站关键设备智能监控和健康维护系统的研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究 ：作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 鲫印 日期：z d 年岁月弓日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件乘1 电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华人学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名： 夺帅 b 朔：劭 降翱弓b 指导教师签名： 审暑心c a 日期沙月多日 尔华人学硕上学位论文摘要 摘要 随着我国城市化建设进程的加快，城市人口越来越多，交通拥堵问题日益严 重。解决特大城市交通问题的最有效途径就是建设高密度的城市轨道交通系统。 本文结合国内外轨道交通车站设备监控和管理技术的最新发展，以分布式监控为 基础，智能化现代化设备维护技术为支撑，结合神经网络专家系统等先进技术， 设计并实现了一个关于轨道交通车站设备的分布式监控与健康维护系统仿真实 验平台。本文主要做了以下几个方面的研究工作： 1 基于m o d b u s t c p 的信息传输协议应用于轨道交通关键设备的监控系统。 从m o d b u s t c p 的协议规范入手，研究了如何将m o d b u s t c p 协议应用在轨道交通 监控系统中，实现数据的实时、可靠、安全传输，并应用于w e b 实现远距离通信。 2 车站设备智能监控系统和健康维护技术的研究。将神经网络技术用于多传 感器信息融合以解决在车站设备故障预警和诊断问题。将基于故障树的设备故障 专家系统用于设备智能维护。 3 轨道交通车站设备智能监控和健康维护管理系统软件研制。轨道交通车站 设备监控系统采用v b n e t 软件开发，主要负责车站设备的监视和控制。车站设 备管理系统主要负责车站设备各类信息的管理，设备管理系统通过故障预警模型 和故障诊断模型，对运行设备的健康状态进行实时的跟踪检测，为设备的检修维 护提供依据。 关键词：轨道交通；智能监控；专家系统；信息融合；故障预警 东华人学硕：i j 学位论文 摘要 as t u d yo ni n t e l l i g e n ts u r v e l l l a n c ea n dh e a l t h m a i n t e n a n c es y s t e mf o rk e y e q u i p m e n t so fr a i l t r a n s i ts t a t i o n a b s t r a c t a st h ef a s tp r o g r e s so fu r b a n i z a t i o n ，m o r ea n dm o r ep e o p l es w a r m e di n t ot h eb i gc i t i e s ， c a u s i n gg r e a tt r a f f i cc o n g e s t i o np r o b l e m s t h em o s te f f e c t i v ew a yt os o l v et h es e r i o u sp r o b l e mo f u r b a nt r a f f i ci st ob u i l dh i g h - d e n s i t yu r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e m r e f e r r i n gt ot h el a t e s tm o n i t o r i n g a n dm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yo fr a i lt r a n s i ts t a t i o ne q u i p m e n ti nt h ew o r l d ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e das y s t e ma b o u ti n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ti nt h er a i lt r a n s i ts t a t i o n b a s e do nt h et e c h n i q u eo fd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 a l s o ，t h ep a p e rc o m b i n e dw i t h i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yi nm o d e mm a i n t e n a n c eo fe q u i p m e n ta n dn e u r a ln e t w o r ke x p e r ts y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 am a s s a g et r a n s m i s s i o np r o t o c o lb a s eo nm o d b u s t c pw a su s e di nt h em o n i t o r i n g s y s t e mo fk e ye q u i p m e n ti nr a i ls t a t i o n f r o mt h em o d b u s t c pp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ，t h e p a p e rs t u d i e dh o wt ob u i l dar a i lt r a n s i tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mt or e a l i z ed a t at r a n s m i s s i o n i nr e a l t i m e ，w i t hr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t ma n dc o u l da l s oa p p l i e dt ow e bt oa c h i e v el o n g d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n 2 i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo fs t a t i o ne q u i p m e n ta n dh e a l t hm a i n t e n a n c et e c h n o l o g yi s s t u d i e d t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e dn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，e x p e r t s y s t e ma n di n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c et e c h n o l o g i e s i ti n t r o d u c e dt h en e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mb a s e d 东华大学硕：l ：学位论文 摘要 o nb pn e u r a ln e t w o r k ；m u l t i s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n o l o g yb a s e do na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t e c h n o l o g y ；e q u i p m e n tf a i l u r e a tt h es t a t i o n s e a r l yf a u l tw a r n i n ga n dd i a g n o s i s ；e q u i p m e n t m a i n t e n a n c et e c h n o l o g yi n t r o d u c e si n t e l l i g e n te x p e r ts y s t e mf o re q u i p m e n tf a i l u r eb a s e do nf a u l t 3 s o f t w a r ei sd e v e l o p e df o ri n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dh e a l t hm a i n t e n a n c em a n a g e m e n t s y s t e mi nn e t w o r kr a i lt r a n s i ts t a t i o ne q u i p m e n t m o n i t o r i n gs y s t e m i sd e v e l o p e db a s e do n s o f t w a r eo fv b n e t , w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls t a t i o ne q u i p m e n t i t sm a i n f u n c t i o ni st oa c h i e v em o n i t o ra n dc o n t r o lo fs t a t i o ne q u i p m e n t m a n a g e m e n ts y s t e mi sm a i n l y r e s p o n s i b l ef o rt h em a n a g e m e n to fa l li n f o r m a t i o no fs t a t i o ne q u i p m e n t t h r o u g ht h ef a u l tm o d e l a n dd i a g n o s i s0 f e a r l y w a r n i n gm o d e l ，e q u i p m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mi si nr e a l - t i m et r a c k i n ga n d t e s t i n ga b o u tt h eh e a l t hs t a t eo fe q u i p m e n tt op r o v i d eab a s i sf o rr e p a i ra n dm a i n t e n a n c e l is h u a i ( m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry a n gj i a n g u o k e yw o r d s ：r a i lt r a n s i t ；i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g ；e x p e r ts y s t e m ；i n f o r m a t i o n f u s i o n ；e a r l yw a r n i n g v 东华人学硕士学位论文 目录 目录 摘至要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 概述1 1 1 1 城市轨道交通是我国人城市发展的必然选择1 1 1 2 发展城市轨道交通首先应注意的是安全问题2 1 2 轨道车站运营安全系统的发展现状3 1 3 课题的米源、背景利意义5 1 4 课题研究的内容和目标6 1 4 1 基于m o d b u s t c p 的信息传输协议应用于轨道交通关键设备的监控系统6 1 4 2 车站设备智能监控系统和健康维护技术的研究6 1 5 论文的主要内容7 第二章分布式轨道交通车站设备智能监控与健康维护系统总体设计9 2 1 车站设备智能监控与健康维护对象和分类9 2 2 轨道交通监控与健康维护总体方案1 0 2 2 1 轨道交通关键设备监控与健康维护系统各层功能分析1 2 2 3 搭建轨道交通机电设备、信号设备数据采集平台1 7 2 3 1 轨道交通关键设备数据采集平台硬件框架1 7 2 _ 3 2 轨道交通关键设备数据采集平台功能架构1 8 2 3 3 串口服务器技术的应用1 9 2 4 构建轨道交通机电设备健康维护智能分析预警诊断子系统。2 1 2 4 1 健康维护系统流程及功能2 1 2 4 2 车站基层子系统2 4 2 4 3 控制中心维修子系统2 5 2 4 4 网络通信子系统2 5 2 5 本章小结。2 6 第三章机电设备智能监控和健康维护关键技术的研究。2 7 3 1m o d b u s t c p 的信息传输协议应用于轨道交通关键设备的监控系统2 7 3 1 1 m o d b u s 通信简介2 7 3 1 2 m o d b u s ，r c p 协议3 2 3 2 常用设备故障诊断和健康维护的一般过程。3 7 3 3 故障诊断和维护专家系统。3 8 3 4 故障诊断和维护专家系统的结构设计3 9 3 5 基丁故障树的故障诊断专家系统4 1 3 5 1 轨道交通火灾排烟模式失效故障树的建立4 1 3 5 2 定性分析与定量分析以确定故障树的最小割集和项事件概率4 2 3 ，5 3 基于故障树的知识获取和基于规则的知识表示4 3 3 5 4 正向推理规则和控制策略4 4 3 6 基丁- 多传感器信息融合的故障诊断方法4 5 3 6 1 信息融合技术简介4 5 东华人学硕士学位论文目录 3 6 2 多传感器信息融合结构模型4 s 3 6 3 多传感器信息融合算法4 8 3 6 4 基于人工神经网络的信息融合方法的实例应用分析4 9 3 7 设备维护决策支持优化5 2 3 7 1 设备的维护策略5 2 3 7 2 维护建模方法5 3 3 7 3 维护策略优化方法5 4 3 8 本章小结s 5 第四章车站设备健康维护管理系统软件设计和实现5 7 4 1 软件开发流程一5 7 4 2 系统功能设计5 7 4 3 系统流程设计5 9 4 4 管理信息系统数据库设计6 0 4 4 1 设计原则6 0 4 4 2 字段的设计6 1 4 4 3 键的设计6 1 4 4 4 索引的设计6 1 4 4 5 数据库表的设计6 2 4 5 管理信息系统界面设计6 6 4 6v b n e t 与数据库接口设计6 8 4 7v b n e t 与m a t l a b 7 0 接口设计7 0 4 8 本章小结7 1 第元章结论与展望7 3 5 1 课题研究总结7 3 5 2 课题研究展望7 3 参考文献7 s 攻读硕士学位期间发表的论文7 9 致 谢8 1 东华大学i 页, 7 1j 学位论文 第一章绪论 1 , 1 概述 第一章绪论 1 1 1 城市轨道交通是我国大城市发展的必然选择 随着我国城市化进程的不断加快，城市人口不断增多，交通压力逐年增大。 但是由于大多数城市的交通基础设施建设相对缓慢，导致了交通供给远远不i i 足- 艮 上交通需求增长的速度，从而出现了交通拥挤阻塞的现象。特别是大城市的城市 人口密度、建筑密度、交通密度大多比较高，城市道路特别是市中心区的道路一 般都比较狭窄，容量严重不足。城市交通拥堵问题在一些大城市己经到了非常严 重的地步，出现了交通效率下降，汽车废气污染严重等城市发展问题，这些问题 不仅给我们生活和工作带来了不便，而且制约了城市经济与社会的发展。随着城 市经济的高速发展，交通问题逐渐上升为城市的首要问题。如果不加控制而任其 发展，那么不久的将来将造成小汽车、摩托车泛滥，交通堵塞现象随时随处可见， 最终使得城市无法承受。2 1 世纪以来，城市化作为我国社会经济发展的目标， 城市人口密度将进一步增大，在城市土地资源严重缺乏的条件下，交通问题势必 日趋严重。 传统的道路建设不可能提供车辆数目激增所需要的空间，也不可能从其他交 通项目当中提出更多的资金去建设道路。现在，城市交通规划人员担心不适当的 和效率低的交通系统会抵制和妨碍社会和经济的发展。因此，发展城市轨道交通 是中国解决城市长期交通堵塞的唯一选择。实践证明，城市轨道交通是解决这一 问题的最佳方案，甚至可以说是解决大城市交通矛盾的必由之路。一般达到或超 过1 0 0 万人口的城市就具备构筑地铁的条件。快速轨道交通具有容量大、准点、 快捷、安全舒适、人均占地道路少的优点，而且能根据路段的地面交通和土地供 应状况，从地面、高架、地下三种通行方式中选择一种，这就减少了与其它建筑 物和运输方式争夺用地，因此特别适合我国大中型城市采用。 此外，轨道交通还具有污染小、效率高、综合成本低等众多优点，所以我国 吸取了工业化国家盲目发展小汽车的教训，确定以公共交通为主，抑制自行车的 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 发展，严格限制摩托车发展和少量发展小汽车( 指私人小轿车) 的方针，在大城市 建立以快速轨道交通为骨干的综合运输体系。经在上海、北京等城市的实践证明， 城市轨道交通网有效的缓解了市民出行难的问题，而且由于它的方便、准时和快 捷，已经逐步变成了市民出行的首要选择。 1 1 2 发展城市轨道交通首先应注意的是安全问题 城市轨道交通系统是一个庞大而复杂的系统，由供电子系统、通信子系统、 信号子系统、给水与排水子系统、屏蔽门与安全门子系统、防灾与报警子系统 ( f a s ) 、环境与设备监控( b a s ) 子系统、机车车辆子系统、车辆段检修设备子系统、 自动售检票( a f s ) 子系统、通风空调与采暖子系统、电梯和自动扶梯等子系统组 成。城市轨道交通系统内部各子系统之间及系统与系统外部有很高的关联度，一 旦某个子系统出现问题，就会迅速影响和波及到其它子系统，形成连锁反应，而 影响整个系统的正常功能，造成系统部分或整体功能的瘫痪。 城市轨道交通运营专业性强、技术设备复杂、客流量大、同周期性强、高峰 低谷落差显著、时效性强，因此城市轨道交通安全管理的难度较大。此外，大多 数城市轨道交通线路因深处地下，出入口少，站台和车内人员又相对密集，疏散 难度相对加大更使得城市轨道交通运营过程隐患重重。 我国城市轨道交通运营自1 9 6 9 年北京地铁1 号线运营开始，到目前为止仅 4 0 年。其发展历史较短，运营技术力量不足，特别是高端人才和富有管理经验 技术骨干严重缺乏。由于安全管理的经验不足，人员意识、设备技术和整体环境 相对落后，导致了一些薄弱环节和安全隐患的存在，最终成为事故的诱因，造成 人员伤亡和经济损失。在统计得到的国内外有关城市轨道交通安全的事故中，发 生在运营阶段的安全事故约占事故总量的6 0 以上。1 2 j 城市轨道交通安全事故一旦发生，轻则造成交通运输的延误，重则造成财产 的损失和人员伤亡。如何保证城市轨道交通运营的安全性，保障乘客的人生安全 成为了发展城市轨道交通应当考虑的首要问题。而建立可靠的轨道交通车站设备 监控和维护系统成为保障轨道交通运营安全的重要保障。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 轨道车站运营安全系统的发展现状 地铁车站及沿线分布着众多各类机电设备和信号设备，他们为地铁的安全运 营和营造舒适的乘车环境提供了保证。但由于机电设备和信号设备的种类和数量 众多，而且分布范围广，控制要求复杂，加之地下环境恶劣，因此需要专门的系 统对它们进行监视和控制。 1 9 世纪末2 0 世纪初，电气工业发展迅速，地铁的供电、信号和通信专业所 有设备的继电器集中安装在继电器控制盘上，构成继电器控制系统。 到了2 0 世纪中期，随着计算机技术和自动控制技术的进步，地铁的各专业 都分别建立了各专业计算机自动化系统，这一时期的综合监控系统，一般都按照 系统的控制功能、控制对象、控制范围或根据操作管理上的分界，将全线系统划 分位若干个子系统，每个子系统使用一套计算机实现控制，各个计算机控制系统 之间是相互独立运行，互不干扰。【3 j 从上世纪八十年代开始，世界轨道交通开始广泛采用具有先进的自动化、机 电一体化、网络化的技术设备，以确保列车运行的安全和效率。国内的城市轨道 交通从九十年代起，开始引进国外先进的设备系统。我国轨道交通在不同的建设 时期，选用了不同国家供货商的专业系统。由于这些公司各自的技术背景、制式 和标准不尽一致，功能相互不同也互不兼容。在轨道交通呈现网络化建设运管时， 使得全网络设备状态的信息采集、信息发布、集中监控、车地信息交互以及系统 集成等都造成了许多障碍。 针对轨道交通这个复杂的异构系统，要实现网络综合管理维护，就必须解决 各线路系统的网络化连接和安全运营问题。上海轨道交通网络将以智能监控与故 障诊断技术应用为突破口，引导进行轨道交通网络化关键电子产品的研发，为轨 道交通运营与管理的网络化、信息化、标准化、智能化奠定基础。 随着现代科学技术的发展，现代机械设备的结构越来越复杂，功能越来越完 善，自动化程度越来越高，由于许多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各 种各样故障，导致其失去预定的功能。轨道交通车站设备主要包括：通风空调设 备、给排水设备、自动扶梯、屏蔽门、照明设备、车站导向标志等机电设备。车 站设备种类繁多，性能各异，设备不出现故障是不可能的；由于轨道交通车站多 位于地下，环境比较封闭、湿度大、发热源多，一些关键设备一旦发生故障，如 3 东华人学硕j j 学位论文第一章绪论 环控系统设备发生故障，可能导致车站内空气质量变差，候车乘客感觉不舒服， 更严重的有可能对人的生命构成威胁。 目前国内建成的轨道交通车站监控系统，基本上只具有对设备异常或故障的 报警，由监控人员通知维修人员维修，但不能准确的知道设备哪里出了问题。因 此，维修人员是没有明确目的的检修，只能根据经验一项一项检查，不能在短时 间内将设备迅速维修好，导致停机时问长。随着计算机技术的发展，监控系统对 设备的状态信息的记录，包括设备的故障信息。那些信息只是存储在历史数据库 中，并没有被充分被利用。随着人工神经网络技术的发展，将人工神经网络技术 应用于轨道交通车站设备故障诊断中，可以通过设备监控信息的历史数据库读取 设备各种故障信息，进行分析，从而预测故障部位，给维修人员提供参考，可有 效降低停机时间，提高设备利用率。1 4 】 目前，国外城市轨道交通车站设备监控系统已经发展到综合监控的新阶段。 例如，西班牙毕巴尔巴额地铁、韩国的仁川地铁、汉城地铁7 号线和8 号线、法 国巴黎地铁1 4 号线等都采用综合监控系统；美国新泽西轨道交通监控集成了设备 监控、电力监控、旅客信息、无线电系统等。 国内的轨道交通车站监控系统仍是一种分立监控的方式，即按照系统的控制 功能、控制对象、控制范围、控制特点或根据操作管理上的分界，将全线系统划 分为若干子系统，每个子系统使用一套计算机实现控制，各个计算机控制系统之 间互相独立，互不干扰，但同时也不能共享信息资源。例如一般机电设备的监控 与环控系统采用同一个网络；防灾报警和消防系统由于自身的特殊性，独立地组 建网络；a f c 、a t c 也有自己独立的网。这些分立的系统在中央监控中心( o c c ) 都有本专业的服务器、操作站及外用设备，都有自己不同结构的通信网络，采用 的是各不相同的监控软件。 造成分立监控的原因如下：每一个子系统，采用了不同厂家的设备，不同设 备厂家又采用各自专用的远程通信规约f 5 l ，不同厂家就有上百种远动通信规约， 些规约之问没有互通性，要实现互相通信，就必须开发专门的规约转换软件，又 是甚至需要开发专门的硬件。 这种分立的系统难以实现信息互通、资源共享。要实现车站设备的协调统一 管理，不得不加入人工干预，不得不用电话沟通，不得不手工进行某些工作。这 4 东华人学硕：j ：学位论文 第一章绪论 样就降低了系统的可靠性、响应性和运营效率。 1 3 课题的来源、背景和意义 论文以上海市科技重大攻关项目“轨道交通运营安全关键设备健康维护支持 系统研究与开发( 项目编号0 9 d z l l 2 2 1 0 0 ) 为背景，主要研究面向轨道交通各类 终端设备的关键部件、系统软硬件配置及其应用软件的集成和维护等方面进行深 入的研究和规划，形成统一的车站设备控制维护系统技术方案。它以智能化、网 络化为基础，对轨道交通车站关键设备进行全天候监控与数据分析，同时应用多 传感器数据融合实现故障预警，采用专家系统实现设备的健康维护。 课题以提高车站设备的安全性、可靠性和舒适性关键需求为目标，在人工智 能技术支持下，实现设备自动化、智能化控制管理，确保设备处于稳定、高效、 可靠、节能的运行状况。充分发挥各种设备应有的作用，保证人员安全和设备的 正常运行。建立网络化信息共享平台，提供面向客户的集中设备维护的解决方案， 提高紧急事故的应对能力。 本课题研发的系统体现了集成信息处理、网络通信、异构信息集成、人工智 能故障诊断、设备健康维护等新技术在轨道交通车站设备综合监控领域的应用， 研究和探索了轨道交通车站设备监控系统的数字化、网络化、规范化及智能化监 管模式。 2 0 1 1 年上海将建成近5 0 0 多公里的轨道交通线路。在未来十几年，全国轨 道交通建设规模不断扩大。如此庞大的市场存在，使得相关设备和监控维护系统 的相关产品在轨道交通建设中有着广阔的市场前景，预期的市场规模以数亿计。 本课题致力于一批具有自主知识产权的轨道交通设备、软件的研究与开发，同时 推动国内尤其是上海市相关企业对该类产品的开发与生产，这会使原来该类设备 完全依靠国外企业的局面得到终结，从而大大降低轨道交通建设和运营维护管理 的成本。另一方面，国内相关企业产品的生产与销售也将为地方经济的发展和国 家税收做出巨大的贡献。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题研究的内容和目标 1 4 1 基于m o d b u s t c p 的信息传输协议应用于轨道交通关键设备的 监控系统 m o d b u s 是一种全开放，免费提供，非常容易理解和实施的协议，从7 0 年 代诞生以来，一直在不同的工作领域中得到广泛应用，是一种事实上工业标准。 其主机从机通信机理能很好地满足确定性的要求，这恰好与互联网的客户机朋艮 务器的通信机理相对应。它与以太网t c p i p 结合，在t c p 帖中嵌入m o d b u s 信息 帧，成为m o d b u st c p i p ，在工业自动化领域中，具有很高的性能价格比，是一 种真正开放的理想解决方案。 本课题将研究如何利用m o d b u s t c p 协议在轨道交通监控系统中实现数据 的实时、可靠、安全传输，并应用于w e b 实现远距离通信。 1 4 2 车站设备智能监控系统和健康维护技术的研究 设备监控系统对设备的运行状态进行监控，并且对设备的各项运行信息( 电 压，电流，振动，频率等) 进行记录。以定时程序为基础编程产生每隔特定时间 的一系列轮询信号，对系统设备的各个重要信息进行查询、记录，这些信息存储 在工控机的动态数据库中。数据库中的海量信息包含大量的信息，如何对这些海 量信息进行分拣、取舍与关联是其中的一大难题。课题在上位机上编制程序实现 对历史数据库中的海量数据进行综合整理、分拣、关联分析并存档记录，尤其对 设备发生故障之前各个传感器所产生的数据进行综合分析，关注特定设备发生异 常或故障时的各项数据的变化情况( 主要集中在信号的频谱变化，特征值的变化 上) ，总结故障发生前及发生时的规律及特征，运用数据融合技术来探索发现隐 含在各数据中的内在联系，利用人工智能技术建立故障诊断及自动预警模型，对 各种故障情况进行模式识别与分析，当设备出现某种故障征兆时系统自动发出警 告信号，并根据模式识别判断可能发生的故障，提示相关人员予以解决，力图将 因设备故障而造成的停机现象减少为零。 本课题主要研究对于轨道交通的关键设备风机，建立一种的故障诊断模式识 6 东华人学侦：l j 学位论文 第一章绪论 别神经网络系统，该系统对各个输入的特征消息，能自行判断设备处于何种状态， 并给出相应的信息提示，建议有关工作人员如何进行处理。 1 5 论文的主要内容 本文共分五章，各章主要内容如下： 1 第一章介绍了课题的来源与背景，以及国内外轨道交通车站设备监控系 统的发展状况和课题研究的内容和意义。 2 第二章介绍了车站机电设备智能监控和健康维护系统的总体架构，包括 维护系统的硬件架构和软件架构设计。 3 第三章介绍了轨道交通车站机电设备智能监控和健康维护关键技术的研 究，包括对人工智能技术以及专家系统的研究，提出了一种预警和诊断模型，并 取得了预期的效果。 4 第四章介绍了网络化车站设备智能监控和管理系统的软件设计和实现， 该管理系统提供设备故障预警和故障诊断建议，可对设备数据库信息进行查询。 5 第五章对全文进行总结，并对今后的工作提出了展望。 东华大学硕士学位论文 第二章系统总体设汁 东华人学侦，l j 学位论文 第二章系统总体设计 第二章分布式轨道交通车站设备智能监控 与健康维护系统总体设计 2 1 车站设备智能监控与健康维护对象和分类 城市轨道交通机电设备智能监控和健康维护系统是一个庞大纷杂的系统。其 中车站机电设备主要包括车站设备区域和公共区域的通风空调设备( 通风设备和 水系统设备) 、导向照明设备、自动扶梯设备、屏蔽门设备、给排水设备，车站 设备监控系统主要是对这些设备的监视和控制卵1 。轨道交通车站机电设备监控 和维护的对象如图2 1 所示8 1 。 b a s 系统 环控系统 车站空调通风系统 隧道通风系统 其他系统及机电设备 图2 - 1 轨道交通车站机电设备监控与维护对象 图2 - 1 中设备按功能类型进行分类又可分为： 1 ) 信号设备： 主要分为三类：轨旁设备，车载设备，a t s 设备。 2 ) 电力设备： 指轨道交通其它设备提供电源的设备，包括u p s 等。 3 ) 机电设备： 主要指轨道交通系统中的各种机械设备，一般都含有各自的控制检测系统。 9 一一一一一一一一一一一一圆圃同 尔华人学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 2 轨道交通监控与健康维护总体方案 笑键设备蜜全馥障i l 警、报鬻警鸯 “ 一- 一 啪纯璺藏荐祷芋台 “ 一鼍 ”、“”“。“、。、 。、= ，。，。、。l 。，。，。一、。，一。，。一一，。 燃麓鹱 。i 、 ”，7 -。 。， 一，一一，v 。一 ，。 ， 、，_一v ，。、 ； 数撼顾链理； o # h 争荨甚趸n厂面森 | 信号设备| 电力 殳番 i l - 。i k 。，。一 。，。、 。 数撰猴处理 一：，“? + 共它专业设备信息采集 ：橇电设螯信息采； 集装置 。 。 ， 。二 h ，_ 一- h _ ，_ 、j 机瞧浚备 ? 3f ? _ 图：p - 2 轨道交通机电设备监控与健康维护系统的总体方案架构 目前上海市轨道交通已经进入网络化建设时期。网络建设不同于以往的单线 建设，必须解决涉及网络系统的一系列问题。在设备健康维护领域，当然设备的 集中监控是设备健康维护的基础，没有设备监控所取得的基础数据，设备健康维 护也就无从谈起。 轨道交通机电设备监控与健康维护系统的总体架构如上图2 2 所示。该系统 分为三层。第一层将轨道交通常见设备( 信号、电力、机电) 的信息采集并进行 数据预处理；第二层为数据分析层，它将第一层传来的数据进行综合处理和分析， 得到设备的状态情况并将结果传向下一层；第三层为决策支持层，该层根据第二 层的设备运行状态结果，给出决策支持和维护建议。 1 0 果 怠 一 信譬纛； 一蔷装t 殴粲 力 趣 一 东华大学硕：i ：学位论文 第二章系统总体设计 车站设备健康维护功能集成于整个网络化监控体系之中，如下图2 3 所示， 整个网络化车站设备监控系统的逻辑功能可以分为四个层次： 1 ) 基于现场总线的车站综合监控和维护平台 2 ) 设备操作和设备监控层 3 ) 面向过程管理层 4 ) 面向生产运营管理层 圄圄圄囤 团圆围 殴箭寿命 川识藩溪剃 管理 i ? i i j l l ；f 。戮囊瀚 i 冀漱鬻i 环境监挎视频峪控屏蔽防淹门i 乜力改矫其它i 殳衍 。| ：鬻i 鬻嚣嚣 i 黼| 。 | 1j 祭安防音频监控i ( 安伞fj ) 膝控岭控峪拧蠊摔 j | | | 瓣鏊漾蒸| | | | | 艟蓖设备i午i l l i 区川午站，7 区叫区问 明没箭卒调设衔【u 、扶梯给排水 瀵薹藤瓣 泓i l照明改箭岭拧 通风i 殳箭临拧监控豁控监控i 殳箭豁控 i 熬囊鐾妻翳 基丁现场总线和嵌入式技术的轨道交通设备综合监控平台 i 嘲鞘甏i 。 i 篱i 鬟黧簇l l h _ 麓纛 统麓的网络馁输系统平台、统一的辕硬中 警台。赢度的象成性t 灵活性和露扩展性 i 瓤蕊i 戮霉瓣 攀鬻翳 图2 - 3 系统功能逻辑结构 以上功能模块，既可相互独立，又可资源共享，有机结合成一体。 在单线的运营管理模式下，系统控制分成线路控制中心、车站、现场三级控 制。网络化车站设备监控系统以车站控制为基本单位，采用区域控制中心、网络 控制中心两级管理的分层分布式结构。 车站层采用集中监控方式。车站级综合监控系统设冗余核心交换机和综合数 据服务器，车控室设综合监控工作站，综合管理车站内的供电、照明、空调、通 风、排水、电梯、自动扶梯、屏蔽门、防淹门、人防门信息等常规业务，将分散 的监控功能予以集成，提供车站设备控制管理的协调。 区域和网络控制中心采用专业调度方式，调度大厅设环控防灾调度以及维 修调度台。控制中心级监控系统设冗余核心交换机和综合数据服务器，将各子系 统在控制中心的设备予以整合。【9 j 尔华人学硕： j 学位论文 第二章系统总体设计 根据三层结构的功能体系，网络化的车站设备监控维护系统功能结构如下图 2 - 4 所示： 图2 4 车站设备监控维护功能结构图 2 2 1 轨道交通关键设备监控与健康维护系统各层功能分析 2 2 1 1 车站现场) 执行层功能 车站( 现场) 级监控是网络化监控维护系统的基本运行单位，其功能包括直 接监控和运行联动两个部分。直接监控功能在值班员工作站上实现，运行联动功 能由相关的事件触发产生，其中部分需要在值班员工作站上进行确认。 1 ) 监视功能 监视和记录车站通风空调系统、给排水系统、照明系统、自动扶梯垂直电 梯、屏蔽门和人防密闭隔断门等设备的运行状态及参数；监视和记录车站典型区 域的温度、湿度等环境参数。 2 ) 控制与调节功能 车站设备监控系统应具有p i d 调节控制功能、逻辑控制和模式控制功能； 对本车站及所辖区间内通风空调系统、给排水系统、照明系统等各种机电设备实 现监视和控制，并对故障状态进行报警；能预置各类不同工况模式的运行程序， 通过接受控制中心的指令及与其他系统的接口( 如火灾报警系统) ，实现对相关 东华人学硕士学位论文 第二章系统总体设计 设备的控制。对于被控设备可实现单独控制、联锁控制和各种模式的手动与自动 控制。在灾害或事故状态下，将本设备监控系统( b a s ) 转入防灾或事故模式运行； 实施预定的能源管理方案，使得车站在满足舒适性条件下，降低能耗，从而进一 步降低营运支出，提高经济效益；能按管理者的需求，自动形成各种设备运行参 数报表，或随时变更设备运行参数( 如启停时间、控制参数等) 。可实现备用设 备自动切换运行等，控制有关机电设备的平均使用时间，从而延长此类设备( 如 各种水泵等) 的使用寿命。 3 ) 报警处理功能 将车站被控设备运行状态、报警信号及测试数据及时送至控制中心，并接受 中央系统的各种控制指令和运行模式；接收火灾自动报警系统的报警信号，控制 与防灾有关设备在火灾工况下的运行模式，并将执行完毕后的模式操作反馈给火 灾自动报警系统的报警主机；车站设备监控系统监控工作站具有声光报警、报警 画面自动弹出、报警确认及处理功能。火灾报警优先；通过对紧急控制盘( i b p 盘) 的操作，作为设备监控系统火灾工况控制的后备措施。 4 ) 显示及打印记录功能 具有彩色动态显示及多级显示功能，及时显示设备的运行状态、设备故障状 态，并有声光报警；对各类信息进行实时记录查询，建立设备管理数据库，能根 据需要自动生成各类统计报表，定期打印输出数据报表( 日报表、周报表、月报 表等) 。 5 ) 保护措施及自诊断功能 系统应具有保护措施，对不同级别的操作员开放不同的操作权限。并具有在 线维护和自诊断功能。 6 ) 集成功能 设备监控系统在车站级实现火灾自动报警系统、门禁系统的信息集成，由设 备监控系统对火灾自动报警系统和门禁系统的数据进行整合，在设备监控系统操 作计算机上能对火灾自动报警系统和门禁系统进行全面的操作管理。 2 2 1 2 区域( 线路) 维护层功能( o c c ) 监视区域内各车站的通风、空调、给排水、自动扶梯、照明、人防密闭隔断 东华人学颂f ：学位论文 第二章系统总体设计 门、屏蔽门等设备的实时运行状态及故障报警。监视、记录各站温度传感器、湿 度传感器及环境参数； 监视区域内各区间隧道通风及全线各车站相关设备的运行状态，并对相关设 备进行控制； 对各类信息进行实时记录、查询，建立设备管理历史数据库，能根据需要自 动生成各类统计报表，定期输出数据报表( 日报表、周报表、月报表等) ，并将 档案资料存盘保留； 在突发事件时，根据不同等级预案，区域o c c 执行c o c c 指令，车站按照 预案实施限流、分流措施。在c o c c 无法f 常工作或是区域o c c 与c o c c 之问 无法正