一种基于轨道交通的车载PHM系统的制作方法

一种基于轨道交通的车载phm系统
技术领域
1.本发明属于全自动化产品领域，涉及一种基于轨道交通的车载phm系统。


背景技术：

2.目前轨道交通行业迅速发展，轨道交通的体量越来越大，随之而来的就是列车的故障分析、维护等问题面临多方面的挑战。故障与健康管理系统(phm)利用传感器采集的数据信息，借助信息技术进行分析、汇总、诊断评估系统的运行健康状态，使设备更安全、更可靠的运行，降低维护成本。
3.目前，轨道交通行业中监测、评估、诊断机车运行数据、电机数据的实现方式是将各类传感器数据通过多个信号板采集后汇总到牵引控制单元的cpu板中，由牵引控制单元的cpu板完成故障的评估和诊断。此种实现方式技术成熟，应用广，适用于数据量较小、数据分析与处理要求不高的工况下。
4.现有的机车运行数据、电机运行数据的监测分析与评估诊断是集成在牵引控制单元中，由于牵引控制单元是控制机车的牵引电机等的运行，无法实现较复杂的诊断分析工作。而目前的轨道交通行业发展迅速，相应的智能化、高效率、精准化的要求也越来越高，需要处理的数据量也更大，传统的实现方式已经越来越不适用。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种基于轨道交通的车载phm系统，包括：
6.用于连接列车wtb总线，进行wtb数据采集并转换成以太网数据的wtb板；
7.用于与当前车载mvb网络进行通讯，进行mvb数据采集，将车载的mvb的过程数据经过协议转换成以太网数据，负责将车载phm单元设备的分析结果上传至mvb总线，或从mvb总线接收各种车载设备输出的基础数据的mvb板；
8.进行电流传感器信号状态、热电偶状态、编码信息采集的信号采集板卡；
9.接收所述mvb板传送的以太网数据、所述wtb板传送以太网数据，进行以太网数据交互和转发的交互机板卡；
10.接收所述交互机板卡传送的以太网数据，实现车载phm单元离线配置，原始数据和结果数据离线查看，以太网数据的导入导出配置，本地存储数据下载，并预设不同的报警机制，实现多维度提供数据筛选查看，并进行远程更新的cpu板卡；
11.接收所述信号采集板卡传送的电流传感器信号状态、热电偶状态、编码信息，并根据所述cpu板预设的报警机制、存储机制进行诊断评估，根据应用场景的不同，配置相应的不同算力以适应不同的算力资源需求，进行车载数据处理的运算板卡；
12.为所述wtb板、mvb板、采集板卡、交互机板卡、cpu板卡和运算板卡提供电源的电源。
13.进一步地：还包括提供防火墙功能，隔离车地之间的数据通信，保证车地之间通信
的数据安全性的安全板卡。
14.进一步地：还包括负责车载单元到地面服务器的通信，使用4g/wifi网络进行通信的无线板卡。
15.进一步地：所述cpu板卡加载有不同phm算法。
16.进一步地：还包括与wtb板、mvb板、采集板卡、交互机板卡、cpu板卡、运算板卡和电源板卡相连接，实现总线连接、供电输出的背板。
17.进一步地：所述cpu板卡还加载有服务管理软件。
18.本发明提供的一种基于轨道交通的车载phm系统，可实现mvbmvb/wtb/ecn等车载网络数据及传感器数据的自动采集；算力可配置：根据应用场景的不同，配置相应的中算力、高算力板卡以适应不同的算力资源需求；车载通信：支持mvb/wtb/ecn/无线通信，并配备防火墙功能；实现所有板卡，统一采用背板以太网通信，具备统一的对外引脚定义、统一的电气接口形式及统一的机械安装接口等，可实现功能性的互换和组合；具有以下优点：本发明具有很强的实用性，可实现数据采集、总线通信的配置管理，运行phm算法，将模型计算结果和订阅的原始数据上报至后台服务器，可扩展性强，能实现各类数据自动采集，在线完成数据处理、存储、特征量计算、故障预警、数据传输等功能，实现较大数据量的处理，同时，配置无线通信和防火墙功能，能在边缘侧对数据进行预处理，使系统的智能化、高效、精准化程度越来越高，提高机车故障诊断效率，使设备更安全、更可靠的运行，降低维护成本。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是该系统的架构图。
具体实施方式
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表
达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
26.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
27.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
28.一种基于轨道交通的车载phm系统，为机车或城轨车辆关键子系统提供健康分析的硬件载体，提供算法部署与配置，提供算力增减，支持无线通信、以太网通信、wtb通信、mvb通信功能
29.该系统包括wtb板、mvb板、交互机板卡、信号采集板卡、cpu板卡、运算板卡、电源板卡、安全板卡、无线板卡和背板；
30.所述wtb板用于连接列车wtb总线，进行wtb数据采集并转换成以太网数据；所述wtb板只接收不发送数据；所述wtb板采用标准3u板卡，支持wtb协议，可将车载的wtb的过程数据经过协议转换成以太网数据，然后通过背板以太网发送给交换机板，再传输给cpu板，供cpu进行逻辑判断和分析，同时由于其连入整车的wtb网络，可以实时监控车载wtb数据，便于综合分析和判断；
31.所述mvb板用于与当前车载mvb网络进行通讯，进行mvb数据采集，将车载的mvb的过程数据经过协议转换成以太网数据，负责将车载phm单元设备的分析结果上传至mvb总线，或从mvb总线接收各种车载设备输出的基础数据；所述mvb板满足四类设备的标准；所述mvb板采用标准3u板卡，支持mvb协议，同时由于其连入整车的mvb网络，可以实时监控车载mvb数据，便于综合分析和判断；
32.所述信号采集板卡进行8路电流传感器信号状态、8路热电偶状态、编码信息的采
集；采集的信息通过所述背板传送所述运算板卡；所述信号采集卡采用标准3u板卡，采样率5hz～40khz，支持电压、电流、温度、震动等物理量的采集，背板接口是以太网，支持cpu板通过以太网下发的指令，将采集到的各类物理量数据，通过背板以太网直接发送给运算板卡，运算板卡结合cpu板下发的算法，如电机轴承寿命预测算法、受电弓寿命预测算法等，进行运算，并将运算结果通过背板以太网反馈给cpu板；
33.所述交互机板卡接收所述mvb板传送的以太网数据、所述wtb板传送以太网数据，进行以太网数据交互和转发；
34.所述cpu板卡接收所述交互机板卡传送的以太网数据，实现车载phm单元离线配置，原始数据和结果数据离线查看，以太网数据的导入导出配置，本地存储数据下载，并预设不同的报警机制，实现多维度提供数据筛选查看，并进行远程更新；
35.所述运算板卡接收所述信号采集板卡传送的电流传感器信号状态、热电偶状态、编码信息，并根据所述cpu板预设的报警机制、存储机制进行诊断评估，根据应用场景的不同，配置相应的不同算力以适应不同的算力资源需求，进行车载数据的处理；
36.所述电源板卡为所述wtb板、mvb板、采集板卡、交互机板卡、cpu板卡和运算板卡提供电源；所述电源板卡将蓄电池提供的110v dc经过dc-dc隔离变换，转换为+5v dc和+12v dc，所述电源板卡采用标准3u板卡；
37.所述安全板卡还包括提供以太网网络安全防护的防火墙功能，隔离车地之间的数据通信，保证车地之间通信的数据安全性。所述安全板卡支持ip、mac、端口白名单；设置进出站策略，针对源地址、目的地址、源端口、目的端口和协议类型等特征进行包过滤，保证车地之间通信的数据安全性。该安全板卡采用标准3u板卡；
38.所述无线板卡负责车载单元到地面服务器的通信，使用4g/wifi网络进行的通信，所述无线板卡可通过无线通信完成程序加载、配置管理等实现；所述无线板卡采用标准3u板卡；
39.所述背板与wtb板、mvb板、采集板卡、交互机板卡、cpu板卡、运算板卡和电源板卡相连接，实现总线连接及供电的输出；所述背板采用以太网实现各板卡间的通信，并预留信号采集板板位1个，可进行信号采集扩展。各个板位采用统一的电气接口和以太网通信接口，支持中高算力运算板卡扩展和混插，支持通信类板卡混插；所述背板采用3u84te板卡，实现can总线、以太网总线连接、+5v、+12v供电输出的功能；
40.同时所述cpu板卡：通过背板总线发送指令信息，并获取综合处理、评估、诊断后的结果数据，实现故障预警、健康诊断等功能，可根据加载的软件程序的不同，配置为中等算力的运算板，
41.所述cpu板采用通过以太网1(百兆/千兆自适应)接收机车运行状态和信息和以太网2(百兆/千兆自适应)等信息，并提供系统设置、状态展示、数据管理、通信配置、采集配置、算法配置、算法训练、日志管理、版本管理等功能。
42.该cpu板采用标准3u板卡，主处理器imx6q，操作系统linux，操作系统上搭载服务管理软件，服务管理软件支持系统设置、状态展示、数据管理、通信配置、采集配置、算法配置、算法训练、日志管理、版本管理等功能，cpu板可通过前面板以太网与上位机相连接，接收上位机的配置指令，进而实现不同phm算法加载；通过搭载的服务管理软件实现车载单元离线配置，原始数据和结果数据离线查看，数据的导入导出配置，本地存储数据下载，同时
支持以图表形式展示phm算法结果数据和原始数据。采用mysql数据库，存储phm算法结果和状态数据，实现多维度提供数据筛选查看；实时展示主机状态，可通过网络通信实现phm算法、配置的远程更新；
43.该cpu板搭载服务管理软件，可以进行:
44.(1)基础模块设计：以太网通讯、任务调度、任务配置；
45.(2)通用模块设计：数据解析分类、数据存储、共享配置文件、日志管理；
46.(3)扩展计算模块设计；
47.通过读取配置文件，可配置多个计算模块供cpu主系统的基础模块调用，如：
48.1)phm算法控制；
49.也即phm算法运行机制，实现周期性触发，条件触发，线程协作方式。
50.2)phm算法部署与更新
51.可以通过本地文件部署或更新cpu板的phm算法，或通过板载的系统盘直接加载既有算法，或通过网络文件部署或更新phm算法。
52.(4)前端模块设计
53.服务管理软件前端设计包括登陆界面、板卡状态展示界面、系统设置界面、算法配置界面、任务配置界面、数据查询配置界面、数据显示配置界面、数据显示界面、程序更新界面、数据管理界面。
54.1)登陆界面
55.保证调试或配置工作的安全性，只有合法工作人员(用户)根据输入的登入账号和登入密码信息才能进入到系统web界面。保证当用户较多时，使用该方法可以有效保障系统对登录信息的存取和并记录到日志中。
56.2)板卡状态展示界面
57.用户登录成功后进入主界面，根据需求点击不同的菜单栏按钮，可进入不同的功能界面。
58.3)系统设置界面
59.每个板卡对应一个xml文件，文件集中存放在网络共享文件夹中，通过web程序对所有配置文件进行修改，包括线路车号设置、tcms时间同步、存储策略，版本管理等。同时，也可以进入系统设置界面，选择板卡，然后对每一块板卡相关功能进行设置。
60.4)phm算法配置界面
61.在算法配置界面，可以选择网络共享文件中已包含的算法，通过选择确认进行加载，同时也可配置所匹配算法的算法等级、板卡信息等。
62.5)任务配置界面
63.实现任务调度模块中的多个任务内容的配置操作和显示。
64.6)数据查询配置界面
65.根据需要选择要查询的表，选择表中要查询的字段，进行数据查询配置。
66.7)数据显示配置界面
67.数据显示配置界面，可选择字段，实现数据的显示方式的选择。
68.8)数据显示界面
69.根据时间、数据类型等选择以表格显示数据或以曲线方式显示数据。
70.9)程序更新界面
71.根据需要更新的应用程序文件，选择并确认后进行上传系统中，同时可显示上传结果。
72.10)数据管理界面
73.数据管理界面，实现将所选原始数据或运算结果，执行数据备份，转存和导出等操作。
74.进一步地，所述运算板：采用软件定义功能思路，板卡通过接收cpu板的服务管理软件的指令，加载算法、算法输入数据订阅、算法输入数据转发、结果数据读取、异常原始数据存储均可通过配置文件进行定义，支持板卡自身状态以及算法状态实时监测及上报，本运算板默认配置为处理器为gpu的高算力板卡。
75.所述运算板卡通过背板以太网总线(百兆/千兆自适应)，接收信号采集板实时采集的电流传感器信号、热电偶状态、编码信息等，结合预设的报警机制、存储机制等诊断评估算法，执行诊断结果，并进行数据预处理、特征数据计算与提取。
76.所述运算板卡采用标准3u板卡，分为中算力板卡和高算力板卡，中算力板卡是将cpu板通过软件配置成运算作用的板卡，即硬件形式与cpu复用，支持统计分析、复杂的逻辑运算等；高算力板卡是采用英伟达的tx2核心板，支持深度学习、复杂非线性运算等，操作系统均为linux；运算板通过背板以太网接收cpu板预设的报警机制、存储机制等诊断评估算法，结合采集板实时采集的物理量数据，执行诊断结果，并进行数据预处理、进而实现特征数据计算与提取；
77.进一步地，所述采集板卡采集的信息经过调理电路，以及ad转换芯片汇总到汇总到arm和fpga处理单元。数据处理单元采用的架构方式是arm+fpga，主处理器采用的架构方式是arm+fpga，fpga实时检测硬件电路状态，并控制硬件电路的ad转换芯片完成数模转换和数字滤波处理，arm根据cpu板卡指令将模式信息发送给fpga，并汇总fpga发送的数据通过背板以太网传输给cpu板卡。
78.进一步地，所述交换机板采用标准3u板卡，以太网数据交互和转发，hub非网管型交换机，在前面板侧提供2路百兆以太网接口，背板侧提供5路百兆以太网接口；即背板连接的以太网设备都要通过交换机板来进行数据转发，进而实现板卡之间的以太网通信；
79.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于轨道交通的车载phm系统，其特征在于：包括：用于连接列车wtb总线，进行wtb数据采集并转换成以太网数据的wtb板；用于与当前车载mvb网络进行通讯，进行mvb数据采集，将车载的mvb的过程数据经过协议转换成以太网数据，负责将车载phm单元设备的分析结果上传至mvb总线，或从mvb总线接收各种车载设备输出的基础数据的mvb板；进行电流传感器信号状态、热电偶状态、编码信息采集的信号采集板卡；接收所述mvb板传送的以太网数据、所述wtb板传送以太网数据，进行以太网数据交互和转发的交互机板卡；接收所述交互机板卡传送的以太网数据，实现车载phm单元离线配置，原始数据和结果数据离线查看，以太网数据的导入导出配置，本地存储数据下载，并预设不同的报警机制，实现多维度提供数据筛选查看，并进行远程更新的cpu板卡；接收所述信号采集板卡传送的电流传感器信号状态、热电偶状态、编码信息，并根据所述cpu板预设的报警机制、存储机制进行诊断评估，根据应用场景的不同，配置相应的不同算力以适应不同的算力资源需求，进行车载数据处理的运算板卡；为所述wtb板、mvb板、采集板卡、交互机板卡、cpu板卡和运算板卡提供电源的电源。2.根据权利要求1所述的一种基于轨道交通的车载phm系统，其特征在于：还包括提供防火墙功能，隔离车地之间的数据通信，保证车地之间通信的数据安全性的安全板卡。3.根据权利要求1所述的一种基于轨道交通的车载phm系统，其特征在于：还包括负责车载单元到地面服务器的通信，使用4g/wifi网络进行通信的无线板卡。4.根据权利要求1所述的一种基于轨道交通的车载phm系统，其特征在于：所述cpu板卡加载有不同phm算法。5.根据权利要求1所述的一种基于轨道交通的车载phm系统，其特征在于：还包括与wtb板、mvb板、采集板卡、交互机板卡、cpu板卡、运算板卡和电源板卡相连接，实现总线连接、供电输出的背板。6.根据权利要求1所述的一种基于轨道交通的车载phm系统，其特征在于：所述cpu板卡还加载有服务管理软件。

技术总结
本发明一种基于轨道交通的车载PHM系统，包括：WTB板、MVB板、交互机板卡；接收交互机板卡传送的以太网数据，实现车载PHM单元离线配置，原始数据和结果数据离线查看，以太网数据的导入导出配置，本地存储数据下载，并预设不同的报警机制，实现多维度提供数据筛选查看，并进行远程更新的CPU板卡；接收信号采集板卡传送的电流传感器信号状态、热电偶状态、编码信息，并根据CPU板预设的报警机制、存储机制进行诊断评估，根据应用场景的不同，配置相应的不同算力以适应不同的算力资源需求，进行车载数据处理的运算板卡；为所述WTB板、MVB板、采集板卡、交互机板卡、CPU板卡和运算板卡提供电源的电源，该系统使设备更安全、更可靠的运行，降低维护成本。低维护成本。低维护成本。


技术研发人员：马志明 刘军雨 樊闯 王欣立 李畅
受保护的技术使用者：中车大连电力牵引研发中心有限公司
技术研发日：2022.12.13
技术公布日：2023/5/9