任富爭， 李如石， 張紅星， 高興華

(中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

地鐵列車智能化預(yù)警系統(tǒng)在列車上安裝一套檢測數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將列車運行過程中產(chǎn)生的各類信息并實時下傳地面，通過分析和處理可以提前預(yù)告即將出現(xiàn)的故障信息，最大限度地降低列車正線運營時發(fā)生故障或者清客事件的概率，提高乘客滿意度和軌道交通作為公共事業(yè)的社會效益。因此，地鐵列車智能化預(yù)警系統(tǒng)是一種向未來維修模式狀態(tài)修[2]行進的重要方式。在地面實時監(jiān)視列車運行狀態(tài)，并將列車各子系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備在實際運行中各種參數(shù)收集后做融合處理再實時傳回地面，把各參數(shù)輸入與地面工作站中的相應(yīng)數(shù)據(jù)模型分析比較，以得到列車各子系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備的健康狀態(tài)或異常狀態(tài)。地面軟件對異常的子系統(tǒng)或設(shè)備會顯示其異常的故障設(shè)備或故障項點信息，進而為列車實現(xiàn)狀態(tài)修提供數(shù)據(jù)支持的預(yù)警功能，減少地鐵列車正線運營過程中的故障發(fā)生次數(shù)，提高地鐵列車行車的安全性。具體內(nèi)容如下：

(1)實現(xiàn)列車各子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)收集數(shù)據(jù)功能，為對在途地鐵車輛的運行安全實時監(jiān)視和故障預(yù)警提供數(shù)據(jù)分析的支持；

(2)根據(jù)地面軟件設(shè)計的數(shù)學模型理論對各子系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)進行分析和數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)對列車發(fā)生故障的預(yù)警功能，為列車進行狀態(tài)修提供依據(jù)；

(3)根據(jù)上述得到的預(yù)警信息指示，向運營的地鐵車輛實時提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計原則：

(1)新增設(shè)備的采集數(shù)據(jù)信息分類傳回地面，以減少實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,降低成本；

(2)新增設(shè)備功能對列車只監(jiān)不控，與原有列車控制網(wǎng)絡(luò)盡量少交集；

(3)新增各設(shè)備不影響列車內(nèi)部的整體裝飾效果；

(4)新增各設(shè)備滿足車輛技術(shù)要求(可靠、穩(wěn)定、舒適度和耐電磁干擾等)。

地鐵列車智能化預(yù)警系統(tǒng)是具備自愈能力的車載傳感網(wǎng)絡(luò)，以獲取在途列車的實時數(shù)據(jù)信息，主要由車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)3部分構(gòu)成，各子系統(tǒng)對應(yīng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

地鐵列車智能化預(yù)警系統(tǒng)是基于列車安檢設(shè)備和列車關(guān)鍵設(shè)備在途故障診斷系統(tǒng)，能將子系統(tǒng)和設(shè)備參數(shù)及狀態(tài)信息的采集、抽取和融合，采用公網(wǎng)4G信號和地面波導(dǎo)管形式通過車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通道將數(shù)據(jù)存儲在地面服務(wù)器，數(shù)據(jù)經(jīng)隱患挖掘分析和評估預(yù)警整理后通過地面分析軟件展現(xiàn)出來，實現(xiàn)對地鐵列車狀態(tài)監(jiān)視和故障預(yù)警。

2 系統(tǒng)功能

2.1 車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由分布在各個車廂的車載以太網(wǎng)交換機、網(wǎng)絡(luò)智能控制單元、認證智能控制單元、子系統(tǒng)模塊及安裝在車體不同部位的傳感器等設(shè)備組成，通過每節(jié)車的以太網(wǎng)交換機相互連接。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同分兩級：千兆網(wǎng)線的列車級和百兆網(wǎng)線的車輛級。車載設(shè)備的功能負責將地鐵列車及各子系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的采集、處理、記錄、傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，信息打包后發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)智能控制單元再到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。

其主要設(shè)備具體功能如下：

圖1 系統(tǒng)整體框架

(1)認證智能控制單元：負責維護網(wǎng)絡(luò)管理，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端接入認證，接入終端以太網(wǎng)地址配置等，是列車智能維護網(wǎng)的網(wǎng)管設(shè)備，其根據(jù)約定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議維護和管理網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定了各個終端的交換機連接接口、IP地址和MAC地址等配置信息，認證智能控制單元支持并保持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)地址唯一功能，并實時監(jiān)測交換機接口狀態(tài)和整個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，所有的終端設(shè)備在車載以太網(wǎng)絡(luò)上進行通信都要經(jīng)過認證智能控制單元同意，在網(wǎng)絡(luò)安全方面有著重要作用。

(2)車載以太網(wǎng)交換機：本系統(tǒng)所用的交換機為二層網(wǎng)管型交換機，提供3個千兆以太網(wǎng)接口和9個百兆以太網(wǎng)接口，響應(yīng)執(zhí)行認證智能控制單元的管理控制要求。用于組建智能的列車和車輛級各個電子控制單元終端，是組建車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備之一。

(3)網(wǎng)絡(luò)智能控制單元：支持動態(tài)非對稱密鑰加解密功能，主要負責將列車各子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)信息進行接收、整合并發(fā)送出給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。

(4)子系統(tǒng)模塊：接受認證智能控制單元的管理，將本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信息及時的發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)智能控制單元。

車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是數(shù)據(jù)采集并發(fā)送出去。車輛在運行時實時采集運行狀態(tài)和當前發(fā)生故障信息，在入庫時采集各子系統(tǒng)實現(xiàn)其預(yù)警功能所需要分析的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)信息，可區(qū)別為實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)包括列車狀態(tài)信息、關(guān)鍵子系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)備信息，如列車網(wǎng)壓、網(wǎng)流、速度、站點和時間，各車門狀態(tài)、各子系統(tǒng)通信狀態(tài)、牽引制動力值和列車操作模式，受電弓或受流器狀態(tài)，以及各客室溫度和當前故障信息等，使地面實時了解列車當前所處的模式和狀態(tài)情況。非實時數(shù)據(jù)主要包括走行部、車門、蓄電池和受電弓的采集數(shù)據(jù)，走行部采集數(shù)據(jù)包括軸箱、齒輪箱和電機軸承的溫度、沖擊和振動參數(shù)；車門系統(tǒng)主要采集各車門驅(qū)動電機的電流，旋轉(zhuǎn)角度和位置等參數(shù)；蓄電池主要采集溫度和電壓參數(shù)等；受電弓主要采集關(guān)鍵受力、弓網(wǎng)接觸壓力、弓網(wǎng)接觸區(qū)溫升和弓網(wǎng)燃弧信息等。

列車各子系統(tǒng)是分屬于不同廠家的產(chǎn)品，在數(shù)據(jù)采集后需要將不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過同一個車載設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)出去，各子系統(tǒng)考慮到其數(shù)據(jù)的保密性，均有自己獨有的數(shù)據(jù)傳輸方式和分析軟件，不同廠家對自己在發(fā)送數(shù)據(jù)包的定義存在不統(tǒng)一性，以下設(shè)計出適用于各子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包報文幀格式定義見圖2、圖3。

圖2 終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包報文幀格式

圖3 網(wǎng)絡(luò)智能控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)包報文幀格式

以上兩種報文幀格式都可在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送中包含狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)或基礎(chǔ)數(shù)據(jù)3種數(shù)據(jù)類型中的一個或若干個數(shù)據(jù)包的組合，只需通過業(yè)務(wù)編碼來區(qū)分，其中m和n的值要受數(shù)據(jù)傳輸通道帶寬的制約。該協(xié)議格式對于各子系統(tǒng)均適用，只需按照協(xié)議格式將數(shù)據(jù)填上，實際的數(shù)據(jù)內(nèi)容不受該協(xié)議之約，也不用擔心被窺視到數(shù)據(jù)內(nèi)容，具有很好的保密性，在各子系統(tǒng)之間推廣和做數(shù)據(jù)融合處理方面也比較簡便。

2.2 車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊及天線和地面接收裝置及天線，以及AP機箱組成。車地之間的實時數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)為電信移動通信4G信號網(wǎng)絡(luò)，庫內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸使用波導(dǎo)管天線接收，主要功能是負責將車載信息實時傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，為狀態(tài)檢測、智能預(yù)警診斷和維護提供數(shù)據(jù)來源的通道服務(wù)。在列車入庫后采用數(shù)據(jù)傳輸方式為有線波導(dǎo)管天線接收裝置(安裝在軌旁[3])，保證其數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量、速度和可靠性，將列車上各系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳到地面服務(wù)器并存儲，供數(shù)據(jù)深度挖掘分析使用。整個車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送方面采用存儲再轉(zhuǎn)發(fā)方式，確保數(shù)據(jù)傳輸報文包完整性且具有斷點續(xù)傳功能，保證各種數(shù)據(jù)能夠正確完整的傳輸?shù)降孛妫瑸榱熊嚑顟B(tài)修提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 地面數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)

地面數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器，工作站電腦以及與其相連接終端設(shè)備組成，是地面人員及時了解列車運營情況的窗口,與地面數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)的地面設(shè)備有接口的系統(tǒng)框架如圖4所示。

(1)地面服務(wù)器主要功能是儲存車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按列車狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和各子系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分別儲存在相應(yīng)的路徑下，服務(wù)器安裝有網(wǎng)絡(luò)防火墻和數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)等措施保證數(shù)據(jù)安全性。

(2)工作站上安裝服務(wù)器的數(shù)據(jù)解析軟件和具有數(shù)據(jù)挖掘能力的子系統(tǒng)智能專家系統(tǒng)軟件，可將列車狀態(tài)和當前故障數(shù)據(jù)解析后發(fā)給地鐵維修中心在界面上呈現(xiàn)出來，便于實時監(jiān)控列車運行狀態(tài)和故障；專家系統(tǒng)軟件對子系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和深度挖掘，通過大數(shù)據(jù)融合算法、預(yù)警算法、隱患識別、隱患學習與訓(xùn)練、隱患報警等技術(shù)實現(xiàn)列車和子系統(tǒng)的故障預(yù)警和報警，并將信息及時傳遞給地鐵維修中心和列車供應(yīng)商售后中心的終端設(shè)備上。

(3)各個終端設(shè)備主要顯示工作站發(fā)來的信息，以界面形式呈現(xiàn)給地面人員。對于影響行車安全的故障進行報警，并給出可能原因和遠程指導(dǎo)意見；對列車和子系統(tǒng)的預(yù)警故障以列表形式供地鐵檢修人員和供應(yīng)商技術(shù)人員參考，制定相應(yīng)的維護計劃。

對各子系統(tǒng)供應(yīng)商廠家，安裝在工作站的子系統(tǒng)智能專家系統(tǒng)軟件在數(shù)據(jù)挖掘時所用的模型及算法要滿足子系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)修的要求。子系統(tǒng)從單個專業(yè)角度完成數(shù)據(jù)挖掘，找出潛在隱患項點進行數(shù)理統(tǒng)計分析，剔除虛假的預(yù)警故障信息。一方面不斷完善本系統(tǒng)邏輯分析模型和算法，使對預(yù)警信息的判斷不斷趨于精確，評估設(shè)備健康狀態(tài)，另一方面把得到的預(yù)警信息反饋供應(yīng)商本部，根據(jù)隱患項點有針對的分析故障潛在原因并改進產(chǎn)品設(shè)計和制作工藝，不斷提高產(chǎn)品可靠性。

通過地面數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋的列車運行狀態(tài)與司機室HMI界面信息相同，地面人員可以實時了解列車行駛狀況和當前故障情況。對關(guān)鍵子系統(tǒng)的監(jiān)視與預(yù)警功能會根據(jù)對列車運營安全和子系統(tǒng)正常運行狀態(tài)的影響程度，對預(yù)警信息進行具體分析和篩選分為列車級和子系統(tǒng)級預(yù)警，提供給車輛運營部門緊急故障處理建議，并及時反饋給列車車輛檢修部門和相關(guān)子系統(tǒng)供應(yīng)商，有針對性的提前安排去處理列車可能要發(fā)生的預(yù)警故障，為列車運營調(diào)度及車輛段各專業(yè)車輛檢修提供基于數(shù)據(jù)支撐的輔助決策內(nèi)容，配合車輛檢修方面的生產(chǎn)管理與業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)(以方便車輛狀態(tài)修實現(xiàn))。也可通過手機終端APP發(fā)送列車故障和預(yù)警信息，及時提供給司機和車輛檢修人員使用，降低在運列車故障率，提高運營質(zhì)量。

3 結(jié)束語

地面數(shù)據(jù)分析預(yù)警系統(tǒng)以數(shù)據(jù)智能處理與交互為支撐，不但可以遠程及時掌握運營列車的各項運行狀態(tài)，還能在地面對影響行車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)與部件進行動態(tài)監(jiān)控，能更加全面的掌控車輛運行狀態(tài)。根據(jù)所獲得的列車及其主要部件的數(shù)據(jù)進行綜合處理，對列車自身狀態(tài)進行評估，給出預(yù)警和報警信息，為列車關(guān)鍵裝備的定期維修周期內(nèi)容提供可靠的評估依據(jù)，初步實現(xiàn)對地鐵列車的狀態(tài)修，對子系統(tǒng)供應(yīng)商可不斷提供其產(chǎn)品的可靠性，對地鐵公司運營機維修維護時在節(jié)省人力成本的同時提高列車安全性。