张思雨1，秦转丽2，左瑜君2，张立斌1
1中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116092， 2中车永济电机有限公司 山西 永济 044500
摘要：现如今，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，综合运用列车运维产生的实时数据和历史数据，提取智能诊断模型，对车载设备运行状态进行监控和预测，是建立高速动车组列车智能诊断和故障预测系统的思路和方法．目前关于轨道交通行业的列车PHM系统已经有实际应用，但是各个厂家采用的技术路线各有不同，基本都是运用人工智能等方法，实现故障预测、健康状态评估以及维修策略的决策与优化，以求延长高速动车组使用寿命、提高使用效率和降低运维成本。本文以列车牵引电机为研究对象，设计并实现了PHM系统车载单元及上位机软件。该研究对于提高高速列车运行安全的重要意义和有效性，在提高列车检修效率方面起到重要作用。
关键词：故障预测；故障诊断；预测性维护；高速动车组；
0 引言
我国动车组目前实行“计划预防修为主、事后维修补充”的维修体制，目前电机维修用于故障分析的数据较少，厂家提出了将故障预测与健康管理（PHM）应用于动车组维修体制中，本文所研究的列车牵引单元PHM系统用于数据监视、故障分析及相关数据存储，研究内容包括PHM车载单元和上位机调试软件两部分。将PHM车载单元和配套软件相结合，在电机产品上配套PHM系统，可以不断提升电机的产品质量，从而提高市场竞争力。
1列车牵引电机PHM系统方案设计
1.1系统方案设计
列车牵引电机PHM系统由数据采集部分、维护网部分、车载单元和上位机软件组成，其中车载单元包括维护网数据接收、采集卡数据接收、上位机通信、计算及诊断、文件存储几个部分。
数据采集部分采用ARM加FPGA结构。FPAG实现8路最高51200Hz的高频信号采集、8路低频信号采集、3路IO输入。ARM通过双口ARM实现对FPGA芯片采集信号频率的设置、读取FPGA采集的数据并通过以太网接口实现与CPU板的通信，将CPU板的设置信息发送给FPGA。
车载单元通过安装在电机上的复合传感器采集电机轴承信息（振动加速度和温度），采用Linux嵌入式开发系统，IntelCore-i7的CPU芯片，对上述信息进行处理、特征量计算、存储和传输，并通过以太网与维护网之间进行通信，一方面获取电机转速、三相电流、三相电压、以及车辆信息（如：车辆编号、电机编号、车厢号、轴位号）等，另一方面向其传输牵引电机PHM单元输出的一些结果信息。这些结果信息由牵引系统PHM车载单元接收，并统一发送回地面PHM系统。
上位机软件运行在上位机PC中，主要功能是在人机交互界面中完成对各种实时数据的监控，通过FTP实现文件下载，文件删除，解压缩文件及文件解密等功能。
2.2系统硬件设计
系统的硬件主要由信号采集板、电源板、核心板即CPU板、背板、搭载上位机软件的PC机、直流电源等部分组成。其中，上位机软件与车载单元CPU板通过以太网口连接，信号采集板与车载单元CPU板通过背板以太网连接。
3 车载单元软件设计与实现
3.1车载单元软件设计
根据项目需求，车载单元软件必须采用多任务并行的方式，才能实现项目的功能。通过对需求的分析梳理，采用6个线程，如图1所示：
图1车载单元总体结构
程序主线程功能比较简单，完成一些初始化的工作：
1. 读取配置数据
2. 启动监听服务
3. 启动计算及诊断线程
4. 启动文件存储线程
5. 启动上位机通信线程
6. 启动采集板通信线程
7. 启动维护网通信线程
当上位机发出连接请求，由程序主线程启动上位机通信线程，接收上位机发出数据，并给出相应回应，当上位机程序结束，断开连接，该线程结束。可以通过心跳信号判断是否在线。
维护网发出连接请求，由程序主线程启动维护网数据接收线程，对维护网发送的数据进行接收处理。只要连接保持，该线程始终存在。可以通过心跳信号判断是否在线。
采集卡发出连接请求，由程序主线程启动采集卡数据接收线程，对采集卡发送的数据进行接收处理。只要连接保持，该线程始终存在。可以通过心跳信号判断是否在线。
维护网数据接收线程通过对转速数据的统计分析，当数据达到计算条件，添加计算任务队列，由计算及诊断线程负责计算。
计算及诊断线程完成计算一个计算任务后，添加文件存储任务，由文件存储线程负责处理该任务。在计算过程，发现需要报警时，做出报警处理，添加文件存储任务队列。
维护网数据接收线程，按照参数设定，需要保存日常数据时，添加文件存储任务队列。
采集卡接收线程，接收的振动加速度数据需要采用文件的方式进行缓存，当接收到数据初步处理后，添加文件存储任务队列，由文件存储线程进行文件写入。
当程序运行时，上述6个线程同时存在，由于计算及诊断线程和文件存储线程在某个时段会大量占用CPU时间，那么就可能影响正常的网络数据接收，引起网络阻塞，如果同时上位机有请求数据，那么也不能及时返回上位机的申请，会产生操作卡顿，为了减少网络阻塞，提高上位机的操作效果，对于上位机通信，维护网数据接收，采集卡数据接收三个线程采用较高的优先级。
上位机线程主要负责响应上位机软件的数据申请，如果延时过多，会影响操作的顺畅感，但是考虑到网络接收线程要及时处理网络数据包，而且占用CPU时间很少，因此上位机线程的优先级设置为中等优先级。而对于计算及诊断线程和文件存储线程采用较低的优先级。对于程序主线程，当线程都已启动，主线程基本上没有任务，设置中等优先级就可以了。
4上位机软件设计与实现
上位机软件通过以太网接口实现与车载PHM单元通信，通过以太网通信接口实现参数配置和参数修改、实时数据展示、数据下载、数据解密、数据解压缩、数据压缩、车载单元软件在线升级、数据删除、IP地址修改、记录用户登录信息和修改日志信息等功能。软件在能够满足功能需要的同时需要具备简洁高效的用户界面，便于用户的使用操作。
上位机软件为用户提供软件登录窗口及包括监控功能和辅助功能的主窗口。
上位机软件具体功能如下：
1、PHM车载单元文件下载：用户点击下载按钮后可将下位机文件进行下载
2、PHM车载单元文件删除：用户点击删除按钮后可将下位机文件进行删除
3、本地目录压缩解压缩：用户点击解压缩按钮后可将下位机下载的文件进行解压缩
4、本地文件解密：用户点击解密按钮后可将下位机下载的文件进行解密
5、加载本地历史文件：用户可任意查看保存的历史文件
6、连接目标机: 实现连接下位机功能
7、PHM车载单元参数设置：实现下位机参数设置
8、PHM车载单元参数查看：用户根据需要查看设置的参数
9、升级PHM车载单元程序：向下位机升级程序
10、查看PHM车载单元IP地址：用户根据需要查看下位机的IP地址
11、修改PHM车载单元时间：用户根据需要修改下位机系统时间
12、监视各种实时数据：用户可在界面实时监测下位机传输的振动加速度，温度，转速等数据
13、关于：显示软件名称及软件版本号
14、权限控制：根据用户权限获得该软件的权限
结语
为提升电机的产品质量，提高市场竞争力，将故障预测与健康管理系统应用于动车组维修体制中，设计并实现了列车牵引电机PHM系统。该系统能够实现对电机信号的解析分析、电机故障诊断及报警、电机历史数据存储等。该方案经试验和应用，效果良好，能够对高速列车运行过程中的潜在问题进行预警和预测。下一步工作将进一步优化上位机界面及功能，同时对故障诊断算法进行研究，以提高故障诊断准确性。
参考文献
［1］雷亚国，何正嘉，訾艳阳．基于混合智能新模型的故障诊断［Ｊ］．机械工程学报，２００８，４４（７）：１１２－１１７．
［2］王太勇，丁彦玉，韩志国，等．基于网络的具有在机监测与智能维护的可重构数控系统技术［Ｊ］．中国机械工程，２０１１，２２（１１）：１３２７－１３３２．