带有故障预测预警功能的地铁车门控制系统的设计

张 帆

(北京市地铁运营有限公司运营四分公司，北京市，100102)

1 引言

随着我国城市轨道交通飞速发展，地铁运营里程每年成倍的增长，地铁车辆的运营安全及保障工作越来越重要，目前影响地铁车辆运营的重要因素是车门系统，因车门系统出现故障，会直接导致晚点，严重时会导致掉线。车门系统故障原因主要有两个部分：一是机械故障，一是电气故障。目前，北京地铁很多线路使用的是早期进口或者国产门控器，因设计简单，保护手段单一，经常会出现偶发故障，回库后测试一切正常，无法找到故障原因，门控器只能记录故障结果，无法指导检修和运营人员及时排除故障。对运营安全和效率产生很大影响。

本文主要介绍一款带有故障检测及分析功能的门控器系统，通过门控器内部的检测模块(输入自检测，输入反馈检测，电机电压，电流，速度，位置，电源模块电压监测，)实现对门控器自身及外部设备的实时监控及故障分析预测，通过系统运行记录可直接分析出故障原因，通过对系统参数的实时监测，利用大数据挖掘算法，对车门运行数据进行横向、纵向对比及参数变化趋势分析，对门系统即将发生的故障和可靠性进行预测预警。统计分析故障类型及频次，指导检修及维修工作。提高检修效率，保障运营安全。

2 车门控器系统组成

2.1系统功能

门控器系统由2部分组成，数据传输系统，车门控制器数据采集及控制系统，数据传输架构示意图如图1所示；车门控制器数据采集及控制系统架构示意图如图2所示。

图1 数据传输系统整体架构示意图

图2 车门控制器数据采集及控制系统整体架构示意图

•数据传输系统数据传输系统通过内部can总线，将门控器采集的数据全部暂存至无线路由器，无线路由器在有网络接通情况下，将采集数据通过3G/4G网络传输至数据服务器，服务器进行本地数据存储，并运行数据分析软件，对采集数据进行横向纵向对比；对数据进行趋势变化分析，采用大数据挖掘算法，预测重要检测部件的寿命，分析故障产生原因；

•车门控制器数据采集及控制系统

门控器控制列车车门的开启和关闭，并通过通讯网络，将运行状态传送至tims系统，目前受tims系统限制，可显示的状态及故障信息有限，新型门控器对系统的运行参数进行详细记录，包括外部输入io的动作时间，输出接口的动作时间和反馈状态，通过这个记录可直接分析出故障产生原因；记录电源模块的电压曲线，通过傅里叶变换，分析电源模块的纹波参数，判断电源模块稳定性和老化趋势；通过记录的电机电压，电流，速度，位置参数，分析电机老化程度，分析车门导轨磨损程度，分析车门摩擦阻力大小。

2.2 详细设计

2.2.1 数据传输系统

数据传输系统由3部分组成，数据服务器，4G/3G无线路由器和can网络。

2.2.1.1 数据服务器

数据服务器负责接收和存储门控器采集的监测信息，对采集的数据信息进行数据分析，得出分析结果。

存储内容包括：门控器运行记录，故障记录，电源模块电压采样数据，电磁铁电流采样数据，车门电机电流数据，电机电压数据(电压采用供电电压*占空比)，电机转速，电机编码器位置数据。

数据服务器性能要求：24小时不当机，ram大于8GB，硬盘1T带有数据备份功能。操作系统，windows server 2008以上。

数据结构：每次开关门算一个循环，数据存储空间32k，1-30k空间存储开关门电机电流，电机电压，电磁铁电流，电机速度，第31k空间存储2个电源模块电压采样数据，采样率为20k，共采集1k个点数据，第32k空间存储系统运行记录，包括输入接口，输出接口动作时间，动作时的全部io接口状态，编码器位置，软件流程分支代码，故障代码，车门运行状态代码，开关门时间。

2.2.1.2 4G/3G无线路由器

无线路由器采用一款4G/3G兼容模块，当4G信号不稳定自动切换至3G信号，通过一颗coterx-m3的cpu来进行控制，路由器外扩32MB字节的数据暂存空间，防止无线信号不稳定时，数据丢失，采用断点续传方式，保证数据传输完整可靠，模块带有断线自动链接功能。

与服务器端采用基于可靠的TCP协议进行数据传输，由于该系统数据传输量大，传输消息类型多，为了提高数据通信的可靠性及准确率，制定应用层以太网通信协议格式也就显得特别重要。因此这里制定了应用层通信协议标准模型。该协议模型由帧头、数据部分、校验码、帧尾四部分组成，制定的通信协议模型如图3所示。

图3 以太网数据通信协议模型

帧头占用2个字节，即由固定字节“0x7f 0xfe”来表示，表示一帧数据的开始；消息ID占用两个字节，代表帧序号，当出现校验错误时，可申请重发机制；有效数据长度占用两个字节，包括有效数据区的数据的总字节数；有效数据区为消息信息的主要部分，占用N个字节；校验码占用两个字节采用crc16校验方式，校验数据从帧头开始至数据区结束。

2.2.1.3 can网络

CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之许多RS-485基于R线构建的分布式通讯系统而言，基于CAN总线的分布式通讯系统具有明显的优点；

每个无线路由器连接4个车门控制器，车门控制器将采集的信息按照标准can协议实时传输给无线路由器，路由器对数据进行本地缓存，同时通过无线网络像数据服务器传输。can网络具有高速、可靠、抗干扰强等特点，优于早期的485方式的传输网络。

2.2.2 车门控制器数据采集及控制系统

车门控制器数据采集及控制系统由输入接口模块、输出接口模块、数据存储及中央处理单元、电机驱动模块、数据采集模块、编码器采集模块。显示模块、通讯模块等组成。

工作模式如下，通过实时监测输入接口模块的开关量变化，判断外部输入指令，根据相关指令驱动电机进行相应动作。在电机动作的同时，采集相关数据，进行本地存储，并通过can网络传送给无线路由器。根据相应模块的检测参数判断系统运行状态，出现故障时进行显示及声光提示报警，并通过485总线将运行状态信息传送给tims系统。

2.2.2.1 输入接口模块

输入模块由16路光电隔离器将110vdc信号隔离并转换成3.3v信号输入dsp处理器，通过定时器，每隔20ms扫描一次输入数据变化。系统上电后，通过内部测试电路可以检测输入隔离模块是否工作正常，如果输入有错误，则提示报警信息。

检测原理如下图4所示：

图4 输入接口模块

D312是内部测试信号输入端，通过继电器控制110vdc信号进入输入接口，x1-12是外部输入信号接入端子。

2.2.2.2 输出接口模块

输出模块由5路光电隔离器件驱动5颗mosfet功率场效应晶体管，输出110vdc信号，输入信号经过反馈电路，对输出信号进行采集，检测反馈信号是否输出到输出接口端子。如果检测不到反馈信号，则提示输出信号故障。

输入控制原理和检测原理如下图5所示。

图5 输出接口模块

U53是输出隔离器件，Q20和Q21是控制保护电路，保护mosfet过流，U54是反馈检测隔离端。反馈信号传送给dsp处理判断。

2.2.2.3 电机驱动模块

采用美国整流器公司的电机专用驱动模块来驱动电机，设计采用直流有刷电机和无刷电机兼容设计，有刷电机通过H桥来驱动，无刷电机通过3路pwm波来驱动，做到一款设计，兼容多种不同电机。模块带有过热保护、过流保护、过压欠压保护等多重保护功能。电流采集通过隔离方式，在保证采样精度的情况下，做到了高低电压隔离处理。避免大电流信号对小信号的干扰，输入端采用光电隔离处理，避免驱动端对输入端信号的干扰，造成控制的不可靠。通过调节上下桥臂的pwm波的占空比，来控制电机的转速，实现电机的pid调速控制，其原理如图6所示。

图6 电机驱动模块

2.2.2.4 通讯模块

通讯模块包含2路通讯，一路是与tims通讯部分，一路是与无线路由器部分，与tims通讯方式采用485方式，设计采用普通485协议和兼容hdlc协议。Can通讯采用扩展模式，即29位标识符的扩展帧模式，利用扩展帧模式将数据id存入标识符内，实现帧标识，来进行大容量数据传输(32k)。

设计中预留mvb接口，可实现与带有mvb总线的列车兼容使用。

2.2.2.5 数据采集模块

数据采集模块共包含 5路ad采集电路，一路温度采集，一路电磁铁电流采集，一路电机电流采集，一路电机速度采集，一路电机电压采集，一路5v电压采集，一路15v电压采集。

采样频率全部使用20k的采样率，采样精度为12bit。

通过采集5v和15v的电压信号，可分析电源模块的运行稳定性，当出现电压波动、纹波参数超标或者幅值超过预设上下限参数，系统会提示预警信息。

通过电机电流和电压、速度、位置信号，可对电机电压和电流积分，得到开关门过程中的电机做功，统计分析门板摩擦力。通过对电流信号和速度信号的傅里叶变换，得到频率和能量信号，可分析出门板导轨摩损程度，得出电机老化程度。指导检修维修工作，及时更换导轨及电机。

2.2.2.6 数据存储及中央处理单元

系统使用一颗德州仪器公司的数字信号处理器，专门用于电机控制领域的专用芯片，tms320f28335。该芯片是32位浮点处理器。

运算速度： 150MHz；

ROM：片内256Kx16bit，外扩32Mx8bit NOR FLASH；

RAM：片内34Kx16bit，外扩64Kx16bit SRAM。

满足复杂的电机控制逻辑和复杂的数据算法，实现高效、可靠的控制逻辑，能够连续存储3天内的所有开关门数据，如下图7所示。

图7 数据处理及中央处理器

3 数据分析与监测预警系统

3.1 系统架构

数据分析与监测预警平台接收、存储、车门控制器采集的状态信息数据，在此基础上进行数据应用与分析。系统主要分为3个层级，包括数据接入层，数据存储层与数据分析应用层，如图8所示。

图8 分析与监测系统架构示意图

数据接入层的功能主要由车载无线路由器和地面接收服务器组成，通过采用专用通讯网络和本地防火墙，保证数据传输可靠性与安全性。每条地铁线路的接入设备点大概在10000个点以内。

数据存储层采用微软的Sql数据库来作为数据的底层存储。

数据分析与应用层采用B/S结构，通过数据分析服务器实时处理分析采集信息，得出分析结论，可通过客户端远程登录访问，了解车门系统运行数据及故障预警预测信息，及时指导检修运营工作。提高问题处理时效性。减少正线运营事故发生。

3.2 系统功能

(1)车门运行参数实时查询显示功能

系统实时监控入网列车车门基本运行状态、通过客户端可实时访问车门运行参数，了解车门运行状态。

单个车门开关门动作运行参数如下图9、图10所示。

图10 车门运行开关量数据

电机电压、电机电流、电磁铁电流、电机转速、5v电源模块电压和15v电源模块电压见图9中的数据。

图9 车门运行模拟量数据

(2)车门故障实时告警及状态预警

对列车车门发生的实时故障以及基于运营经验设置的预警条件产生的异常状态实时报警，根据报警的相关变量进行快速分析，定位故障原因，提供预定义的故障处置指导。同时系统能够结合根据运营经验、易产生故障的工况，在大数据积累的过程中，可灵活根据运营情况，设置模式条件及报警内容实现对列车预警信息的灵活性配置功能，当配置完成后，提前预判故障的发生，并发出提示，提醒检修人员重点关注，减少列车正线列车故障发生。V(3)车门运行数据分析方法

通过我们对大量车门运行模拟量的数据分析对比，建立相关的数学模型和统计分析，得出如下车门故障预测方法和结论(对车门进行pid速度控制，保证速度一致，这样就会体现出不同的电机电压，电流变化)

A、下图11是门板摩擦力不同情况下的开关门数据对比：左边是时域分析，右边是频域分析

图11 摩擦力不同情况下电机电流时域频域分析对比

结论：

时域：开门、关门段电流均值显著偏高。

频域：与新门正常相比，摩擦力过大“开门-关门”状态转换处的能量不明显，且近出现在较低频带(<100Hz)

B、新旧电机运行参数对比

图12 新旧电机电流对比时域频域分析对比

在时域上看，旧电机(绿色)电流纹波明显增大，电压电流积分面积增大，掩盖了新电机的电流信号。频域上，有图上半部分是新电机，下半部分是就电机，在开关门过程中有出现能量集中现象。

C、导轨磨损分析

导轨磨损后，在开关门位置会出现凹陷，这样，车门运行会出现不平稳，噪音增大，磨损会增大。通过电流时域曲线，明显看出电流波动变大，振幅变大。而频域上，明显出现能量增加情况(颜色越亮，能量越大)。

图13 导轨磨损电机电流时域频域分析图

根据收集的列车运行数据进行数据分析，对部件的健康状况进行评估，分析列车历史参数的发展趋势。通过特定时间段内对故障的统计和分析，控制故障发生概率，可对一些零部件基于目前里程修模式改为状态修模式，这样对运营成本和检修资源合理利用，提高运营管理效率。

(4)深度数据挖掘，形成专家系统

通过长期的数据积累，对大量历史数据的深度挖掘，实现车门故障的预测，实现故障准确定位，精准预测，减少故障排查时间，提高维护与检修效率，系统根据故障报告及预测分析结果，自动生成检修工单、物料及人员的安排，进一步提高检修维护工作效率。节约运营成本。

4 结束语

新型的车门控制系统能够将列车车门运行状态数据及故障数据及时可靠的传输到地面，实现对列车车门运行状态的远程监控，解决了以往行信息无法远程获取缺陷。通过对车门运行状态的长期监视和统计分析，掌握车门的运行规律和故障趋势，对于车门检修模式的探讨提供了数据基础，使得目前车门检修工作，由日检、周检、月修、里程修逐渐过渡到状态修，挖掘零部件使用寿命，减少检修维护工作，节约成本，具有较强的实用性与推广应用价值。