项目背景：

随着城市轨道交通运营里程的快速上涨，运营管理难度及维护工作压力也急剧增大，以往依靠大量人力投入来缓解运营管理及维护压力的方法显得并不经济且不现实。走行部是车辆系统关键设备，它的健康状态关系着列车运行的安全性和舒适性，往往是车辆维护保养的重点，也是投入资源最多的部件之一，采用科技手段提高走行部维保的效率势在必行。

结合目前城市轨道交通路网建设现代化、智能化、信息化的要求，利用现代化信息手段对地铁车辆设备进行状态监测与智能诊断，立项开发城轨车辆走行部及轮轨安全监测与健康管理系统，可实现城市轨道交通领域设备状态集中监测、各专业设备信息融合挖掘的智能分析平台，可为政府部门提供必要的监管参考，为地铁运营方提高维修效率、实现故障预判、增强应急处理和决策能力提供依据。

系统方案：

城轨车辆走行部及轮轨安全监测与健康管理系统，由车载监测子系统、地面管理子系统、数据中心三部分组成，为城轨车辆走行部与轮轨提供全方位的安全监测、状态评估、故障隐患挖掘、维修指导、健康管理的服务与支持。

 

系统具备的功能：

① 走行部关键部件（轴箱轴承、齿轮箱轴承、电机轴承、传动齿轮、车轮踏面等）故障的准确识别、早期预警、分级报警，保障运营安全；

② 轮轨振动、冲击信息与轨道波磨的分析与诊断，掌握线路状态；

③ 智能化数据统计分析、趋势分析、对比分析、实现走行部与轮轨的状态评估及故障隐患挖掘，提供维修指导；

④ 状态数据、基础监测数据、分析服务数据分层呈现，满足检修、技术、管理的应用要求；

⑤ 开放式接口，可通过MVB、工业以太网、Wifi、LTE/4G等网络实现各类综合监控平台的数据融合；

⑥ 大数据管理平台，专家知识库，实现车辆走行部与轮轨的全生命周期健康管理。

 

技术创新点

① 引入军工“系统工程”和“结构完整性”理论，提出轴承齿轮匹配设计的定点疲劳理论，申请了“一种减少齿轮传动系统故障率的轴承、齿轮匹配设计方法”发明专利。可以准确预测故障发生模式，预警轴承齿轮故障、防范事故，指导智慧、免疫维修和传动系统的轴承、齿轮的匹配、免疫设计选型。

② 借鉴地质物理学，提出热分格裂纹理论，申请了“一种识别视在热分格冲击的车轮故障诊断方法与故障防范方法”发明专利。可以准确识别车轮故障发生模式，预警踏面故障，向中国制造2025提出改进车轮制造工艺、减少故障内因、提高可靠性的建议及方法。

③ 提出减少车轮多边形故障的阻尼方法，申请了“一种减少轨道交通车轮踏面故障的阻尼及阻尼器选择方法”发明专利。建议智慧维修，改进新造车减震器阻尼免疫选型，遏制多边形失圆和脱轨风险。

④ 提出轴承擦伤→剥离→断裂识别技术，并提出减少故障率的方法，申请“一种诊断轴承轴向擦伤和扩展故障及减少该故障的方法”发明专利。建议实施智慧、免疫维修和改进新造车轴承选型。

⑤ 提出齿轮箱破裂侦察、防范技术，申请了“齿轮箱及传动系统共振破裂自动侦察识别与防范监控方法”发明专利。建议维修、新造车齿轮箱增加结构阻尼，对现有车进行基于共振在线自动侦察的回避控制。

⑥ 提出塑钢保持架故障侦察技术，申请了“一种识别轴承滚子间距变化的保持架故障诊断方法”发明专利。令塑钢保持架故障无处遁形，及时发现故障，确保行车安全。

⑦ 提出防止牵引电机轴承烧毁的识别技术，在线诊断，及时识别故障，保障安全。同时，提出防范轴承烧损的免疫设计方法，申请了“一种防止轴电压损害轴承的多绝缘轴承”、“一种减少绝缘轴承烧损的交流电机”专利。

⑧ 提出防止运载装备轴承擦伤防范技术，申请了”一种减少滚子轴承擦伤的参数选择及环境条件改善方法”发明专利，提出防范故障的免疫维修、设计方法。

推广应用情况：

本系统已应用到北京、上海、广州、深圳、天津、青岛、兰州等城市，监测对象覆盖了A、B、L各类车型，80、100、120km/h各类转向架，具有可靠的装车方案与成熟的应用业绩。目前已在全国共计40多条线路的推广应用，发现了大量走行部轴承、齿轮、踏面、轨道的机械故障，防止了可能引发的事故，取得重大社会效益和经济效益。

社会效益：

随着城市轨道交通运营线路的延伸，越来越多的城市已经或即将形成网络化运营的格局，线路间的关联度和影响度明显增强，运营的联动性更加突出，局部故障或事故的波及效应可能对全路网运营造成较大影响。因此，只有通过先进的科技手段不断提高地铁设备安全可靠性、行车组织能力、客运组织能力、设备维修能力、应急处置能力等，通过提升地铁运营技术和管理水平才能适应网络化运营的需求。本项目的社会效益主要体现在系统推广应用所产生的保障安全和正点运营方面的促进作用、引领修制技术进步方面以及产业化的社会效益，具体包括：

1. 在线监测与故障诊断系统装备运营车辆，对危及行车安全的故障及时有效地发出报警，避免恶性事故的发生，保障广大乘客的生命财产安全；

2. 故障早期预警的实现，指导视情维修，将故障隐患消除于城轨车辆上线运行之前，同时提高车辆运行的安全性和正点率，避免扰乱运行秩序的情况发生；

3. 综合预警及隐患挖掘、状态综合评价，将引导维修体制从计划修向状态修进步，减轻营运、安保、维修、调度、管理人员的劳动强度，大幅度节约备品备件、检修工时等费用，提高管理水平和经济效益，为网络化运营下车辆的预防性养护、状态维修及故障修打下基础。

4. 促进城轨车辆在线监测与预警技术发展，进行产业化发展，并带动相关产业发展，形成新的经济增长点。

5. 促进运营单位的风险管理水平的提高。加装本系统，实现正线运行中监测工作状态、检修后检验车辆状态，指导运营单位做好相应的处理措施，防止走行部状态不确定因素所带来的风险，可促进运营单位的风险管理水平的提高。

经济效益：

本项目的经济效益，包括直接经济效益和间接经济效益两个方面。

1、 直接经济效益

直接经济效益主要体现在产品实现产业化为设备制造企业自身所带来的产值、利润和税收以及对关联产业的带动作用，包括以下几个方面：

a) 产品推广应用为设备制造企业自身所带来的产值、利润和税收。

b) 产品推广应用带动关联产业效益：包括传感器、小型电子设备、嵌入式计算机、软件、诊断服务、电缆、微型机械加工、电子元器件等关联产业，形成产业链，实现经济增长目标。

2、 间接经济效益

1) 间接经济效益主要体现在系统推广应用过程中，帮助实现状态维修所带来的间接经济效益：依据诊断该修则修，克服计划修的过剩维修，节约维修工时、维修备件和其他维修资源，从而减少维修投入。根据测算，实现基于车载故障诊断的状态维修和自主维修，可实现走行部三种轴承维修费用的节约，其中包括送检、换新以及由此而带来的维修工时等费用，以1列车全寿命周期300万公里为测算依据，轴箱轴承实现状态修可以节省维修费用共计约79.056万元，牵引电机轴承实现状态修可以节省维修费用共计约4.104万元，齿轮箱轴承实现状态修可以节省维修费用共计约14.256万元。综上所述，基于在线实时诊断技术实现状态维修后，走行部三种轴承在列车全寿命周期中可节约维修费用共计：97.416万元。

2) 而车辆架修主要对象就是走行部，依靠本项目开发的城轨车辆走行部及轮轨安全监测与健康管理系统实现走行部状态维修，则可全面省去一个架修，节省的费用非常可观，包括三部分：架修期间影响运营费用、架修人工费用、架修物件更换及检查费用，根据测算共计约200多万元。

若1条线路共计配属50列车，应用车载故障诊断系统后，车辆全寿命周期内能节省的轴箱轴承、牵引电机轴承、齿轮箱轴承维修费用高达4870.8万元。省去一个架修节省的费用更是高达1亿元。而为实现状态修而增加车载诊断系统，每辆车只需增加几万元的设备采购和车辆全寿命周期内本系统设备更新费用投入，远低于持续不断的维修投入，能节约可观的维修成本，具有很好的经济效益。特别是能够避免在计划修周期内仍存在某些轴承发生严重故障，带来可观的安全效益！

全部依靠本系统的实时诊断而实现状态修，因此可做以下直接经济效益的预计，北京地铁以目前保有的500列车的全寿命周期内来计算，可以因节约轴承维修经费而产生直接经济效益4.88亿元，省去一个架修产生直接经济效益10亿元。推广到全国，按目前的地铁建设规划，该效益可放大到约200多亿元，当然，在线监测系统本身也有采购和使用成本，预计30亿元左右，也就是说，该项目的推广应用可实现资金节约170亿元。

推广前景：

随着我国国民经济的发展，城市轨道交通建设呈现出前所未有的火爆局面，接下来的这几年将是中国城市轨道交通发展最为迅速的阶段。

截至2016年12月，我国已经有30个城市的轨道交通投入运营，线路总数133条，总里程4152公里，按每公里平均6辆车计算，目前已投入运营的车辆总数约24000辆。全国已有58个城市获得批复建设，规划了7300多公里的线路，其中在建总里程超过5636公里。

至2020年，我国城市轨道交通累计营业里程将达到7395公里，是目前总里程的4.3倍，投入运营的车辆总数将达到约44000辆。至2050年规划的线路将增加到289条，总里程数将达到11700公里，投入运营的车辆总数将达到约70000辆，市场容量巨大。

本项目的推广应用，将为城市轨道交通的建设管理、安全运营、风险控制等方面产生深远的积极影响。