《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》是中車青島四方機車車輛股份有限公司於2012年12月01日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN103852271A，專利公布日：2014年06月11日，該專利申請號為201210507195X，發明人是梁建英，王晗，賈利民，李世濤，劉光武，余進。
《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》涉及一種基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，包括車載感測器，信號調理與濾波裝置，中央處理系統，數據輸入與輸出接口裝置，車輛段信息收集系統，全國列車檢修系統，人機互動裝置。《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》通過多種車載感測器的設定，實現了走行部關鍵設備故障的準確識別和定位，實現了故障的提前預測，降低列車運行風險，並且實現了故障的遠程診斷，降低故障診斷成本，縮短故障診斷周期。
2020年7月14日，《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》獲得第二十一屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統
- 公布號：CN103852271A
- 地址：山東省青島市城陽區棘洪灘鎮錦宏東路88號
- 公布日：2014年06月11日
- 發明人：梁建英，王晗，賈利民，李世濤，劉光武，余進
- 申請號：201210507195X
- Int. Cl.：G01M17/08(2006.01)I
- 申請日：2012年12月01日
- 專利代理機構：北京元中智慧財產權代理有限責任公司
- 申請人：南車青島四方機車車輛股份有限公司
- 代理人：曲艷
- 專利類別：發明專利
專利背景,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著中國高速列車運行速度和運營里程的不斷提升，列車走行部的安全可靠性變得異常重要。列車走行部關鍵設備狀態異常是車輛安全運行的重要隱患之一。嚴重的、突發性的異常狀態可引起車輛脫軌，甚至傾覆等惡性事故，從而對社會、人員造成無法計算的損失。常見的行走部關鍵設備狀態異常有轉向架失穩、軸承溫度過高和輪對踏面擦傷及不平衡，軸承裂紋與斷裂、齒輪斷齒與裂紋等。
2012年對走行部的狀態的監測只能採用人工測量方式，在人工測量方式中，人工經驗在診斷中占有主導地位，人為因素較大。並且不能發現設備的安全隱患，對車輛早期出現的故障不能及時發現，造成檢修不及時，實時性不強。人工測量不能全面的記錄運行狀態和故障信息，對故障的分析不能系統化。
中國專利（申請）號為201110381590，名稱為“高速列車智慧型化系統及其通信方法”，包括車載智慧型感知節點，列車控制系統車載部分，車載數據中心，車地寬頻通信系統，地面數據中心，主機廠和/或動車基地套用系統，物聯網採集終端，寬頻套用系統，一個或多個感測器，I/O接口設備，實現了列車系統的自檢測，自診斷，自決策的功能，但是這種智慧型化系統，無法實現去全國所有列車的診斷和線上監測，所以整個系統還需要進一步的完善。
專利目的
《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，在原來智慧型化系統的基礎上進行了改進，實現了對全國列車的診斷和線上監測，通過人機互動裝置直觀的顯示列車運行狀態和設備的故障信息，使列車的智慧型檢測系統更加完善。
技術方案
為了達到上述目的，《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》的技術方案是：
一種基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，包括在車載感測器，信號調理與濾波裝置，中央處理系統，數據輸入與輸出接口裝置，車輛段信息收集系統，全國列車檢修系統，人機互動裝置，所述的車載感測器包括加速度感測器，角速度感測器，溫度感測器和位移感測器，將車載感測器採集到的信息輸送給信號調理與濾波裝置，經過處理的信號傳輸給中央處理系統，進行數據的分析和儲存，通過數據輸入與輸出接口裝置以無線通信系統傳送給車輛段信息收集系統，經過車輛段信息收集系統的整理匯總，將所有列車走行部關鍵設備的信息傳輸給全國列車檢修系統，並且顯示在人機互動裝置上。
進一步，加速度感測器安裝在轉向架軸箱，齒輪箱，轉向架前端構架，電機上，採集設備振動的加速度信息，溫度感測器安裝在轉向架軸箱上，採集溫度變化信息，位移感測器採集車體與轉向架之間的位移信息，角速度感測器安裝在轉向架前端構架上，採集轉向架傾覆角的信息
進一步，上述車載感測器可以配合使用，將採集到的信號進行數據處理，可以全方位的定位和檢測列車走行部關鍵設備的故障信息。
進一步，位移感測器和安裝在轉向架軸箱上的加速度感測器配合使用，將採集到的位移信息和加速度信息進行數據處理，可以檢測出轉向架的橫向收斂能力。
進一步，安裝在轉向架前端構架上的加速度感測器和角速度感測器，可以檢測出外輪緣在鋼軌上滾動的故障。
進一步，安裝在轉向架前端構架和轉向架軸箱上的加速度感測器，採集到的信息經過數據分析可以對軸減震器性能方面進行檢測。
進一步，中央處理系統對數據進行統一的編碼，根據設備的位置，關鍵性，名稱，測試內容，故障等級進行統一編碼。
進一步，無線通信系統包括GPRS無線通信，無線感測器網路，智慧型天線。
進一步，車輛段信息收集系統通過移動3G網路或者網際網路將數據報表傳送給全國列車檢修系統。
進一步，車輛段信息收集系統和全國列車檢修系統均可下達檢修任務。
改善效果
綜上內容，《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷和遠程監測系統，能夠精確的定位並顯示故障設備，對發生故障的設備進行預測報警，方便車輛維護人員及時快速維修，提高了列車的維護效率，降低列車運行風險，提高了安全性。並且該系統實現故障的遠程監測，降低故障診斷成本，縮短故障診斷周期，為高速列車的安全運行奠定了良好穩定的基礎。
附圖說明
圖1是《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統的流程示意框圖。
圖2是《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統的結構示意圖。
如圖1和圖2所示，轉向架前端構架1，轉向架軸箱2，齒輪箱3，轉向架4，電機5，角速度感測器6，加速度感測器7，溫度感測器8，位移感測器9，信號調理與濾波裝置10，中央處理系統11，數據輸入與輸出接口裝置12，車輛段信息收集系統13，全國列車檢修系統14，人機互動裝置15，無線通信系統17，移動3G網路或者網際網路18，車載感測器19，車庫20，線上監測與故障診斷設備21。
技術領域
《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》涉及高速列車走行部的故障診斷與遠程監測系統，特別涉及基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統。
權利要求
1.一種基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，包括車載感測器（19），信號調理與濾波裝置（10），中央處理系統（11），數據輸入與輸出接口裝置（10），車輛段信息收集系統（13），全國列車檢修系統（14），人機互動裝置（15），其特徵在於，所述的車載感測器（19）包括加速度感測器（7），角速度感測器（6），溫度感測器（8）和位移感測器（9），將車載感測器（19）採集到的信息輸送給信號調理與濾波裝置（10），經過處理的信號傳輸給中央處理系統（11），進行數據的分析和儲存，通過數據輸入與輸出接口裝置（12）以無線通信系統（17）傳送給車輛段信息收集系統（13），經過車輛段信息收集系統（13）的整理匯總，將所有列車走行部關鍵設備的信息傳輸給全國列車檢修系統（14），並且顯示在人機互動裝置（15）上；加速度感測器（7）分別安裝在轉向架軸箱（2），齒輪箱（3），轉向架前端構架（1），電機（5）上，採集設備振動的加速度信息，溫度感測器（8）安裝在轉向架軸箱（2）上，採集溫度變化信息，位移感測器（9）採集車體與轉向架（4）之間的位移信息，角速度感測器（6）安裝在轉向架前端構架（1）上，採集轉向架傾覆角的信息。
2.根據權利要求1所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，上述車載感測器（19）可以配合使用，將採集到的信號進行數據處理，可以全方位的定位和檢測列車走行部關鍵設備的故障信息。
3.根據權利要求2所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，位移感測器（9）和安裝在轉向架軸箱（2）上的加速度感測器（7）配合使用，將採集到的位移信息和加速度信息進行數據處理，可以檢測出轉向架的橫向收斂能力。
4.根據權利要求2所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，安裝在轉向架前端構架（1）上的加速度感測器（7）和角速度感測器，可以檢測出外輪緣在鋼軌上滾動的故障。
5.根據權利要求2所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，安裝在轉向架前端構架（1）和轉向架軸箱（2）上的加速度感測器（6），採集到的信息經過數據分析可以對軸減震器性能方面進行檢測。
6.根據權利要求1所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，中央處理系統（11）對數據進行統一的編碼，根據設備的位置，關鍵性，名稱，測試內容，故障等級進行統一編碼。
7.根據權利要求1所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，無線通信系統（17）包括GPRS無線通信，無線感測器網路，智慧型天線。
8.根據權利要求1所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，車輛段信息收集系統（13）通過移動3G網路或者網際網路（18）將數據報表傳送給全國列車檢修系統（14）。
9.根據權利要求1所述的基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，其特徵在於，車輛段信息收集系統（13）和全國列車檢修系統（14）均可下達檢修任務。
實施方式
下面結合附圖與實施例對《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》做進一步說明。
《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統，包括感知層的多種車載感測器19，信號調理與濾波裝置10，中央處理系統11，數據輸入與輸出接口裝置12，傳輸層的車輛段信息收集系統13，套用層的全國列車檢修系統14，人機互動裝置15。
感測器是將非電物理量轉換成電信號的一種信號採集裝置。多種車載感測器19包括加速度感測器7，角速度感測器6，溫度感測器8和位移感測器9。加速度感測器7採集轉向架前端構架1、轉向架軸箱2、齒輪箱3、電機5的橫向加速度信息，角速度感測器6採集轉向架前端構架1上的信息，溫度感測器8採集轉向架軸箱2的溫度信息，位移感測器9採集車體與轉向架4的位移信息。
溫度感測器8安裝在轉向架軸箱2上，是對轉向架軸箱2的溫度的測量，將溫度的變化轉換成電信號，系統可以對電信號進行進一步的處理，分析，其中可以對轉向架軸箱2的溫度變化設定一限值，當溫度超過這一限值時，與之連線的報警器報警。
位移感測器9安裝在車體與轉向架4之間，以車體為基準點，該感測器與安裝在轉向架軸箱2上的加速度感測器7配合使用，可以檢測出轉向架橫向振動的收斂能力，從轉向架內在的方面檢測轉向架是否存在故障，最大程度上預防重大故障和重大事故的發生。
加速度感測器7安裝在轉向架軸箱2上，對轉向架軸箱2的振動進行檢測，將振動信號轉換成電信號，可以對信號進行小波，倒譜等數據分析，從而可以對轉向架軸箱2做出早期的故障預警，並且可以對空氣彈簧漏氣性能方面進行故障診斷與線上監測。
加速度感測器7安裝在齒輪箱3上，對齒輪箱3的振動情況進行檢測，對信號進行相應的數據分析，對齒輪進行故障診斷。
加速度感測器7安裝在電機5上，測試電機5振動的加速度信號，並且引出電機5的三相電流，通過結合電機5的加速度信號值和三相電流值的數據處理，計算，可以對電機5進行故障的診斷。
加速度感測器7安裝在轉向架前端構架1上，結合轉向架軸箱2上的加速度感測器7，通過算法可以進行軸減震器性能方面的故障診斷與線上監測。
角速度感測器6安裝在轉向架前端構架1上，對角速度感測器6採集的信號進行積分計算，可以計算傾覆角度，當轉向架傾覆角超出某一個限定值時，發出列車將要發生翻車的報警信號。
安裝在轉向架軸箱2和轉向架前端構架1的加速度感測器7，可以用於列車脫線的線上監測，當轉向架振動信號的特徵有較大的改變，振動信號的均方差值大幅度增強，則發出列車轉向架脫線的報警。為了防止列車脫線誤報警的情況，關於列車脫線的線上監測還可以採用另外一種方式，在車頭與車尾外部中間部分安裝攝像頭，通過圖像處理能夠辨識兩天鋼軌在圖像中所處的位置，考慮車體有橫向擺動的情況，當鋼軌超出位於圖像應有的位置時，進行列車脫線報警。
安裝在轉向架前端構架1上的加速度感測器7和角速度感測器6，可以通過現有算法，對採集的信號進行處理，可以線上監測輪對的外輪緣在鋼軌上滾動的故障。
車載感測器19應該滿足較高的IP防護等級。車載感測器19安裝在車的底部，灰塵大，偶爾有水，高速列車振動強度高，要求車載感測器19防水防塵，在高強度振動下都可以正常工作。
加速度信號，角速度信號，溫度信號，位移信號通過信號調理與濾波裝置10，對信號進行初步處理，抑制不需要的噪聲和干擾，提取出有用的信號，並且包含模數轉換器，將模擬信號轉換成數位訊號，便於傳輸和中央處理系統11的接收，轉換完成的信號傳輸到中央處理系統11，進行信號的進一步處理。
中央處理系統11的資料庫中包含專家知識庫和早期預測模型。建立一個大型資料庫，將不同的特徵信號和故障信息一一對應，當進行故障診斷時，將計算得到的特徵信號通過模糊算法與該大型資料庫中的內容一一比對，通過比對得出故障診斷的結果，可以對設備做出早期預警，最大程度上消除了關鍵設備的隱患。
中央處理系統11將設備運行狀態信息與故障診斷結果進行統一編碼，編製成故障信息標準代碼，標準代碼可以分為故障設備代碼、故障種類代碼、故障部位代碼、故障等級代碼和故障維修代碼。對故障信息進行標準化劃分，為建立專家知識庫提供了清晰的分類數據。並且實現故障的準確識別和定位，便於車輛維護人員快速維修，提高了列車的維護效率。
統一編碼是根據走行部關鍵設備在轉向架上排列的順序、設備名稱、設備的關鍵性、故障等級等編制的有規律性的唯一的設備標識號碼，設備的統一編制的標準故障信息代碼，是對設備故障信息進行標準化劃分，方便數據的匯總，整理，分類，更容易識別設備的故障特性，方便維修人員進行設備維護。通過統一編碼後的故障信息，每一個設備出什麼樣的故障，就會有相應的標準代碼顯示，這樣可以直接通過標準化信息代碼，直觀的分辨出故障設備的位置及原因等。
中央處理系統11將統一編碼之後的數據輸入到數據輸入輸出接口裝置12，數據輸入輸出接口裝置12通過有線連線接收中央處理系統11的運行狀態信息與故障診斷結果的標準信息代碼，如圖2所示，在列車進入到列車檢修和維護的車庫20後，數據輸入輸出接口裝置12通過無線通信系統17傳輸給車輛段信息收集系統13。
優選的，無線通信系統17可以包括GPRS無線通信，無線感測器網路，智慧型天線。
所述的信號調理與濾波裝置10，中央處理系統11和數據輸入輸出接口裝置12，這三個模組構成如圖2所示的線上監測與故障診斷設備21。
每列列車的每節車廂都具備線上監測與診斷設備21，這樣就實現列車的每節車廂的線上監測與診斷，精確的定位了故障設備的位置，節省了維修的時間，提高了維修的效率。
如圖2所示，車輛段信息收集系統13通過無線接收裝置連線客戶端電腦，將各個列車的每一節車廂的故障標準信息代碼傳送至客戶端電腦，客戶端電腦可以通過移動3G網路或者網際網路18將車輛段信息收集系統13收集列車的診斷數據，整理成數據報表，將數據報表匯總通過移動3G網路或網際網路18傳送給全國列車檢修系統14。
車輛段信息收集系統13可以根據標準的故障信息代碼，定位設備的故障點，對於一些簡單的，易於檢修的設備，可以請車輛段的維修人員對車輛進行及時、有效的維修，這樣可以節省維修時間和維修費用，提高了列車的維修和維護的效率。
全國列車檢修系統14中設定全國檢修終端資料庫伺服器，web（全球資訊網）伺服器，安全防火牆，人機互動裝置15。可以對全國所有高速列車走行部關鍵設備的故障信息的匯總和儲存，實現了高速列車的走行部關鍵設備的線上監測。
全國檢修終端資料庫伺服器接收車輛段信息收集系統13的標準信息代碼，將故障標準信息代碼顯示在人機互動裝置15上，通過人機互動裝置15的顯示故障特徵，指定相應的技術人員進行故障的排除，這樣就可以有針對性的對故障設備分配相應的維修人員進行維修。
全國檢修終端資料庫伺服器是對所有列車的運行狀態和故障信息的處理和儲存，web（全球資訊網）伺服器是全國檢修伺服器客戶端的協調管理和存儲數據，全國各地的客戶端都可以通過網路伺服器連線全國列車檢修系統14，了解所有的列車運行狀態和設備故障信息，安全防火牆是對web伺服器的一個安全保護，避免列車運行系統的數據被泄露或者被惡意篡改，如果數據不能正確反映列車的運行情況，這將給列車的安全情況造成很大的影響，甚至造成無法彌補的損失。
人機互動裝置15是一個智慧型系統，可以在車輛段信息收集系統13和全國列車檢修系統設定14。人機互動裝置15可以實現列車維護人員和計算機的直接互動交流。人機互動裝置15的界面顯示列車走行部關鍵設備的運行狀態與故障信息。維修技術人員可以通過人機互動裝置15第一時間識別出嚴重和一般的故障類別和故障設備，並且根據故障分類做出相應的檢修計畫。技術人員如果需要了解更詳細的零件歷史信息，也可以通過人機互動裝置15查詢列車走行部關鍵設備的相應信息，了解關鍵設備的一些具體參數和運行狀況，方便做出故障預警。
檢修完成以後，將人機互動裝置15上的故障報警解除。
基於物聯網的高速列車走行部故障診斷和遠程監測系統，能夠精確的定位並顯示故障設備，對發生故障的設備進行預測報警，方便車輛維護人員及時快速維修，提高了列車的維護效率，降低列車運行風險，提高了安全性。並且該系統實現故障的遠程監測，降低故障診斷成本，縮短故障診斷周期，為高速列車的安全運行奠定了良好穩定的基礎。
如上所述，結合附圖所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方案。但凡是未脫離《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》技術方案的內容，依據《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》技術方案的範圍內。
榮譽表彰
2020年7月14日，《基於物聯網的高速列車走行部故障診斷與遠程監測系統》獲得第二十一屆中國專利優秀獎。
