冀　彬， 蔣文怡， 張訓(xùn)望

(1　太原鐵路局　機(jī)務(wù)處， 山西太原 030013；　2　北京交通大學(xué)， 北京 100044；3　北京六捷科技有限公司， 北京 100044)

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大秦線重載組合列車中部機(jī)車制動(dòng)閥切除故障自動(dòng)化分析方案研究*

冀彬1， 蔣文怡2， 張訓(xùn)望3

(1太原鐵路局機(jī)務(wù)處， 山西太原 030013；2北京交通大學(xué)， 北京 100044；3北京六捷科技有限公司， 北京 100044)

概述大秦線重載組合列車中部機(jī)車制動(dòng)閥切除故障現(xiàn)象及其可能造成的后果，制定故障分析路線和方法,利用各種監(jiān)測(cè)和記錄數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行深入分析，提出制動(dòng)閥切除故障自動(dòng)化分析系統(tǒng)方案，為下一步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)化分析提供參考。

制動(dòng)閥切除； 自動(dòng)化； 自動(dòng)下載

近年來，隨著大秦線年運(yùn)量不斷增長(zhǎng)，編組方式為“1+1+可控列尾”的2萬t重載組合列車開行密度日益增加，重載組合列車制動(dòng)閥切除故障頻繁發(fā)生，對(duì)運(yùn)輸效率的影響日益突出。制動(dòng)閥切除故障主要表現(xiàn)為當(dāng)主控司機(jī)在長(zhǎng)大下坡區(qū)段執(zhí)行減壓制動(dòng)等操作時(shí)，主控機(jī)車通過LOCOTROL向從控機(jī)車發(fā)送制動(dòng)命令，但因OCU正在執(zhí)行切換、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量惡化等因素導(dǎo)致從控未能收到減壓制動(dòng)命令，經(jīng)過6 s左右，從控機(jī)車檢測(cè)到列車管壓力流量變化率大于6 Psid/s，從控機(jī)車切除向列車管充風(fēng)的通路，造成制動(dòng)閥切除故障發(fā)生。從控機(jī)車切除制動(dòng)閥后，整列組合列車變成了單邊制動(dòng)，只有主控機(jī)車一個(gè)排風(fēng)口工作，導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，制動(dòng)距離增加，在化稍營(yíng)—逐鹿、延慶—茶塢等長(zhǎng)大下坡道區(qū)段主控再次減壓制動(dòng)時(shí)容易造成制動(dòng)力不足、從控機(jī)車出軌等嚴(yán)重事故。

1　分析工作存在的問題

目前人工分析制動(dòng)閥切除故障過程中，有幾個(gè)問題嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)分析的及時(shí)性和和準(zhǔn)確性，具體如下：

1.1車地設(shè)備時(shí)間不一致

由于重載組合列車的機(jī)車同步操控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，參與工作的模塊涉及到不同廠家的不同生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。車—地設(shè)備間時(shí)間沒有同步；同一臺(tái)機(jī)車上不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備間的時(shí)間沒有同步；主從控機(jī)車上同一種設(shè)備間的時(shí)間沒有同步。在分析制動(dòng)閥切除故障數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)間點(diǎn)需要精確到毫秒級(jí)，設(shè)備間的時(shí)間同步與否很可能導(dǎo)致得出兩種不同的分析結(jié)論。因此，在傳統(tǒng)人工數(shù)據(jù)分析過程中，僅校對(duì)統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)就耗費(fèi)大量精力，給數(shù)據(jù)分析帶來很大困擾。

1.2車載設(shè)備日志下載困難

重載組合列車各模塊原始數(shù)據(jù)量較大、設(shè)備自身存儲(chǔ)空間小，加之組合列車移動(dòng)性較強(qiáng)，入庫(kù)時(shí)間不固定，導(dǎo)致部分車載數(shù)據(jù)丟失，車載數(shù)據(jù)下載依靠傳統(tǒng)手動(dòng)方式，耗費(fèi)大量人力。

1.3原始記錄數(shù)據(jù)量巨大

各種記錄日志數(shù)據(jù)都需要人工逐條核對(duì)，特別是在記錄時(shí)間不同步的情況下，分析工作量巨大，且容易出錯(cuò)。同時(shí)，由于開行重載組合列車是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)車、車輛、機(jī)車同步操控、通信網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)專業(yè)，依靠人工分析時(shí)，需要參與分析的人員同時(shí)具備多個(gè)專業(yè)的相關(guān)知識(shí)。

2　制動(dòng)閥切除故障自動(dòng)化分析思路

通過對(duì)組合列車同步操縱系統(tǒng)指令傳輸?shù)倪^程的梳理,提出科學(xué)合理的自動(dòng)化分析思路以及解決方法和預(yù)防措施，制定了故障自動(dòng)化分析的技術(shù)路線圖，如圖1所示。

重載組合列車制動(dòng)閥切除故障的自動(dòng)化分析的核心是對(duì)各類數(shù)據(jù)的智能診斷、自動(dòng)分析，各類數(shù)據(jù)提取的完整與否，將制約整個(gè)自動(dòng)分析報(bào)告的準(zhǔn)確性。根據(jù)技術(shù)分析線路圖，需對(duì)制動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)、G網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和日志進(jìn)行提取，系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)種類如表1所示。

圖1　分析故障的技術(shù)路線圖

設(shè)備簡(jiǎn)稱主要功能提取數(shù)據(jù)類型LKJ監(jiān)控記錄列車運(yùn)行設(shè)備日志DP、CPM主從控?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備日志CCU存儲(chǔ)機(jī)車參數(shù),記錄機(jī)車故障事件設(shè)備日志OCU車載通信單元,與G網(wǎng)進(jìn)行通信設(shè)備日志AN地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn),主從控?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)AN數(shù)據(jù)G網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)BTS、BSC、MSC、AN間數(shù)據(jù)PRI、Abis和A接口數(shù)據(jù)

3　制動(dòng)閥切除故障自動(dòng)分析系統(tǒng)方案

為應(yīng)對(duì)上述難題，應(yīng)建立統(tǒng)一的綜合自動(dòng)化分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)重載組合列車車載設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行完整記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)下載、對(duì)AN和G網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、智能診斷和自動(dòng)分析。

3.1關(guān)鍵技術(shù)

要建立自動(dòng)化分析系統(tǒng)，必須解決以下2個(gè)技術(shù)難題。

(1)車載設(shè)備時(shí)間同步

重載組合列車中的關(guān)鍵設(shè)備由不同生產(chǎn)廠家以不同執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、不同設(shè)計(jì)方法生產(chǎn)而成，缺乏統(tǒng)一規(guī)范的時(shí)間同步機(jī)制，大部分車載設(shè)備都依賴于設(shè)備自身的時(shí)鐘，由于人為修改、初始化時(shí)間不準(zhǔn)、運(yùn)行累計(jì)誤差等眾多因素都可能導(dǎo)致各設(shè)備時(shí)間出現(xiàn)偏差。

雖然有部分車載設(shè)備建有以衛(wèi)星授時(shí)為基礎(chǔ)的時(shí)間同步系統(tǒng)，但是各個(gè)設(shè)備之間幾乎沒有統(tǒng)一的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，衛(wèi)星授時(shí)的方式很難在所有車載設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。綜合考慮，LKJ作為鐵路系統(tǒng)中基本的列車運(yùn)行監(jiān)測(cè)記錄手段，同時(shí)在日常的維護(hù)管理中，LKJ監(jiān)控裝置在機(jī)車每次的整備作業(yè)過程中會(huì)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，因此，以LKJ監(jiān)控為各車載設(shè)備的時(shí)間同步源較為可靠和方便。

車載設(shè)備統(tǒng)一授時(shí)的技術(shù)方案如圖2所示。

重載組合列車車載設(shè)備授時(shí)系統(tǒng)包含TAX箱數(shù)據(jù)采集板和授時(shí)主機(jī)兩部分。TAX箱數(shù)據(jù)采集板插入TAX箱插槽，在LKJ交互數(shù)據(jù)中，提取時(shí)間信息。數(shù)據(jù)采集板將獲取的LKJ時(shí)間信息發(fā)送到授時(shí)主機(jī)。按照一定周期向其他需要的設(shè)備輸出當(dāng)前時(shí)間。各設(shè)備根據(jù)授時(shí)主機(jī)的輸出自動(dòng)調(diào)整自身時(shí)間。

授時(shí)的數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖2　機(jī)車設(shè)備統(tǒng)一授時(shí)方案

(2)列車數(shù)據(jù)自動(dòng)下載

車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車—地信息實(shí)時(shí)傳送和無縫連接的重要載體，承擔(dān)著重載組合列車主、從控機(jī)車車載設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息與車載日志等記錄信息的傳輸，考慮到列車的移動(dòng)性較強(qiáng)，可利用WLAN或公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，采用無線方式自動(dòng)下載車載日志。公眾移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WLAN 主要性能對(duì)比如表2所示。

圖3　授時(shí)數(shù)據(jù)流示意圖

性能指標(biāo)公眾移動(dòng)網(wǎng)WLAN傳輸速率根據(jù)使用的是3G還是4G,傳輸速率從幾兆到幾十兆不等1,2,5,11Mb/s移動(dòng)速率可達(dá)200km/h應(yīng)用于室內(nèi)或移動(dòng)速率很低(步行速度)的室外覆蓋范圍根據(jù)運(yùn)營(yíng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)情況決定由用戶自己根據(jù)投資大小決定費(fèi)用運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)建設(shè)和維護(hù),用戶只需按月支付流量費(fèi)需要用戶自己建設(shè)與維護(hù),但沒有使用費(fèi)

綜合考慮，隨著公眾移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展并結(jié)合我國(guó)重載鐵路信息化建設(shè)的現(xiàn)有狀況，本著滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息與車載日志等數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，本系統(tǒng)采用WLAN和公眾移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)傳輸車載數(shù)據(jù)。

重載組合列車的車載設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息與車載日志經(jīng)車載數(shù)據(jù)處理模塊處理后分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)短幀數(shù)據(jù)和車載日志大容量數(shù)據(jù)，這兩種類型的數(shù)據(jù)通過車—地?zé)o線傳輸系統(tǒng)傳送至位于湖東機(jī)務(wù)段的綜合處理中心。傳輸方式包括以下兩個(gè)方面：(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)短幀數(shù)據(jù)采用基于TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的P2P通信方式，車載無線通信模塊通過公眾移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)短幀數(shù)據(jù)的傳輸，采用TCP這種面向連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以保證車—地傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；(2)車載日志大容量數(shù)據(jù)的傳輸采用WLAN無線通信技術(shù)，結(jié)合FTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)車載日志7×24 h不間斷自動(dòng)下載和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。重載組合列車回到湖東機(jī)務(wù)段或者經(jīng)由沿途車站時(shí)，主從控車載設(shè)備進(jìn)入無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，車載無線數(shù)據(jù)處理模塊通過周期性檢測(cè)消息檢測(cè)到WLAN無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后，車載無線通信模塊將第一時(shí)間與地面綜合處理中心建立鏈接，隨后綜合處理中心發(fā)送文件傳輸控制命令給車載無線通信模塊，控制其發(fā)送車載日志大容量數(shù)據(jù)文件到地面綜合處理中心，從而完成車載數(shù)據(jù)的自動(dòng)下載。

3.2故障自動(dòng)化分析平臺(tái)

3.2.1設(shè)計(jì)思路

故障自動(dòng)化分析綜合處理中心是集機(jī)車設(shè)備統(tǒng)一授時(shí)、車載設(shè)備日志自動(dòng)下載、地面數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、各設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)、車地?cái)?shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)等功能多樣的集合體，為湖東機(jī)務(wù)段的制動(dòng)閥切除故障分析工作提供一種科學(xué)、合理、高效的自動(dòng)化工具，綜合處理中心實(shí)現(xiàn)主要有兩個(gè)目標(biāo)：第一為湖東機(jī)務(wù)段搭建一個(gè)高效、便捷、直觀的綜合信息化平臺(tái)；第二為大秦線重載組合列車的安全高效運(yùn)行、制動(dòng)閥切除故障的智能診斷和自動(dòng)化分析提供支持。該平臺(tái)采用Internet和無線通信技術(shù)，采用C/S模式，服務(wù)端開發(fā)使用J2EE技術(shù)平臺(tái)，模塊化設(shè)計(jì)，客戶端采用.NET開發(fā)環(huán)境，借助mySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與自動(dòng)分析，整個(gè)平臺(tái)將分布在車載系統(tǒng)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)等系統(tǒng)的資源整合在一起。具體平臺(tái)構(gòu)成如圖4所示。

故障自動(dòng)化分析平臺(tái)基于大數(shù)據(jù)思想、數(shù)據(jù)挖掘、無線寬帶等技術(shù)，對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，將各種典型案例集成至綜合分析平臺(tái)案例庫(kù)，按照故障分析技術(shù)思路進(jìn)行自動(dòng)診斷推理，對(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)匹配和歸類，最大限度提高數(shù)據(jù)分析效率和故障原因定位的準(zhǔn)確性，有力地解決了人工分析工作量巨大且容易出錯(cuò)等突出問題。自動(dòng)化分析過程如圖5所示。

3.2.2系統(tǒng)功能

故障自動(dòng)化分析綜合處理中心為整個(gè)系統(tǒng)的核心,其主要完成車載無線通信模塊發(fā)送的設(shè)備日志、AN數(shù)據(jù)和G網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ),處理中心基于重載組合列車制動(dòng)閥切除故障觸發(fā)的方式對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整合、智能診斷和自動(dòng)化分析,然后給系統(tǒng)操作維護(hù)終端發(fā)送自動(dòng)分析的分析報(bào)告和排查建議。

(1)車載子系統(tǒng)

車載通信系統(tǒng)是整個(gè)故障自動(dòng)化分析綜合處理中心較為關(guān)鍵的子系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和車載日志的數(shù)據(jù)支持，其功能如下：

①制動(dòng)閥切除故障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集

車載子系統(tǒng)通過車載通信模塊全面、高速地記錄機(jī)車司機(jī)在制動(dòng)過程中CCU、OCU、LKJ、DP交互的信息和實(shí)時(shí)產(chǎn)生的設(shè)備日志，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，通過采用各種軟件濾波算法，及時(shí)去除數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集過程中的信號(hào)的突發(fā)干擾與失真，有效確保各設(shè)備采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

圖4　制動(dòng)閥切除故障自動(dòng)化分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖5　制動(dòng)閥切除故障自動(dòng)化分析流程圖

②制動(dòng)閥切除故障數(shù)據(jù)的記錄存儲(chǔ)

為了最大限度地減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊容量的消耗、提高數(shù)據(jù)處理的效率，車載數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式采取事件觸發(fā)機(jī)制，各設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)和設(shè)備日志依照數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的文件格式進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，以供故障自動(dòng)化分析平臺(tái)進(jìn)行綜合智能分析。

③車—地信息自動(dòng)交互

車載子系統(tǒng)采集的各類交互信息和設(shè)備日志通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)車載信息與地面中心的遠(yuǎn)程自動(dòng)交互，車載無線通信模塊響應(yīng)地面中心的遠(yuǎn)程控制指令和地面中心的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求。

(2)地面子系統(tǒng)

地面子系統(tǒng)是整個(gè)故障自動(dòng)化分析綜合處理中心最為關(guān)鍵的子系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、故障智能判斷、原因自動(dòng)分析的支持，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體功能如下：

①列車綜合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

地面子系統(tǒng)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)獲取車載子系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)，通過鐵路通信專用網(wǎng)絡(luò)接收AN系統(tǒng)和G網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊存儲(chǔ)為格式統(tǒng)一、內(nèi)容豐富、顯示直觀的數(shù)據(jù)。

②智能故障判斷

采用智能故障判斷系統(tǒng)處理車載以及AN系統(tǒng)和G網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)故障診斷模塊、故障特征庫(kù)、數(shù)據(jù)特征庫(kù)和專家智能推理對(duì)制動(dòng)閥切除故障原因進(jìn)行精確定位，采用故障樹和模糊故障樹分析法對(duì)制動(dòng)閥切除故障的原因進(jìn)行全面診斷分析，借助自動(dòng)化處理中心形成故障分析報(bào)告,并根據(jù)湖東機(jī)務(wù)段業(yè)務(wù)處理流程，向各行車調(diào)度指揮中心、機(jī)務(wù)管理部門和技術(shù)支持中心及時(shí)輸出處理意見。

③遠(yuǎn)程技術(shù)支持

對(duì)重載組合列車制動(dòng)閥切除故障處理提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持，車-地協(xié)同處理制動(dòng)閥切除故障，縮短故障處理時(shí)間。并遠(yuǎn)程指導(dǎo)機(jī)務(wù)段司乘人員進(jìn)行中部機(jī)車制動(dòng)閥切除的情況下的應(yīng)急處理。

④信息系統(tǒng)管理及綜合分析

待故障列車到湖東機(jī)務(wù)段或車站后，利用WLAN將車載子系統(tǒng)記錄的交互信息和設(shè)備日志進(jìn)行自動(dòng)下載，地面子系統(tǒng)為每列故障機(jī)車建立故障庫(kù)，對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，為列車維修提供科學(xué)合理的支持。

圖6　地面子系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)閥切除故障自動(dòng)化分析平臺(tái)是一套基于無線網(wǎng)絡(luò)的信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了車載設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、車載數(shù)據(jù)自動(dòng)下載、制動(dòng)閥切除故障智能診斷等多項(xiàng)功能。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，基于大數(shù)據(jù)思想，充分采用了微電子技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及故障診斷技術(shù)，為機(jī)務(wù)和電務(wù)系統(tǒng)聯(lián)合分析制動(dòng)閥切除故障提供了一種全新的、信息化的維護(hù)模式及管理手段。

目前機(jī)車設(shè)備統(tǒng)一授時(shí)、車載設(shè)備日志自動(dòng)下載功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果；地面設(shè)備還處于調(diào)試階段，后續(xù)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程難免遇到一些其他問題，還需不斷進(jìn)行研究和完善。

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JIBin1,JIANGWenyi2,ZHANGXunwang3

(1Locomotive Department, Taiyuan Railway Bureau, Taiyuan 050000 Shanxi, China;2Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;3Beijing Liujie Technology Co., Ltd., Beijing 100044, China)

This paper introduces the phenomenon and the possible consequences of the brake resection fault of central locomotive in Daqin Line heavy haul combination train, formulates the fault analysis route and methods, and puts forward the scheme of brake resection fault automated analysis system by using a variety of monitoring and recording data, which can provide a reference for brake fault automatic analysis in future.

brake resection; automation; automatic download

1008-7842 (2016) 02-0059-05

男，教授級(jí)高級(jí)工程師(

2015-11-02)

U279.3+5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.14

*中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2014J001-D)