王中堯

(1.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車系統(tǒng)集成研究中心 吉林 長春 130000；2.大連交通大學電信學院 遼寧 大連 116033)

0 引言

我國動車組目前實行“計劃預防修為主、事后維修補充”的維修體制，針對該體制在實際應用過程中存在的不足,結(jié)合動車組大數(shù)據(jù)的特點，運用人工智能等方法，實現(xiàn)故障預測、健康狀態(tài)評估以及維修策略的決策與優(yōu)化，以求延長高速動車組使用壽命，提高使用效率和降低運營維護成本[1]。京張高鐵智能動車組作為我國自主研發(fā)的新型智能動車組，搭載了故障預測及健康管理系統(tǒng)PHM(Prognostic and Health Management，以下簡稱PHM系統(tǒng))，能夠為車輛提供更為精準高效的檢修及運營維護建議。文中結(jié)合實際車輛運用需求，規(guī)定了基于TRDP和FTP擴展的PHM以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范[2]。

1 PHM系統(tǒng)架構(gòu)

京張高鐵智能動車組采用TCN以太網(wǎng)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)架構(gòu)，TCN以列車級總線WTB車輛級總線MVB作為控車網(wǎng)絡[2]，以太網(wǎng)采用100BASE-TX，全雙工模式作為維護網(wǎng)絡。選擇以太網(wǎng)作為PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，一方面是PHM系統(tǒng)與各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸如出現(xiàn)問題，不會影響車輛實際運行，另一方面以太網(wǎng)速率快、帶寬高的特點可以滿足PHM系統(tǒng)傳輸類型復雜的數(shù)據(jù)。PHM系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[3]。

圖1 PHM系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)PHM系統(tǒng)通信特點，在IEC61375、OSA-CBM等有關(guān)標準基礎(chǔ)上進行適當?shù)臄U展或設(shè)計，形成PHM系統(tǒng)通信協(xié)議規(guī)范，適用于與PHM系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)通信。為了滿足對列車和各系統(tǒng)進行監(jiān)測和故障診斷等需要，采用TRDP和FTP來進行PHM的數(shù)據(jù)通信[4]，實時性數(shù)據(jù)采用TRDP傳輸；文件采用具有斷點續(xù)傳功能的FTP傳輸。

2 PHM數(shù)據(jù)通信TRDP

該通信協(xié)議根據(jù)PHM數(shù)據(jù)通信特點和需要，PHM實時性數(shù)據(jù)只采用TRDP的PD(Process Data)來傳輸，在原PD-PDU基礎(chǔ)上進行適當?shù)臄U展或設(shè)計。

2.1 PHM-PD

PHM系統(tǒng)的實時性數(shù)據(jù)采用TRDP的過程數(shù)據(jù)(PD)來傳輸，在原TRDP中，定義PD-PDU交換用來傳輸過程數(shù)據(jù)(PD)，定義為PHM-PD-PDU。PHM-PD-PDU是周期性發(fā)布的數(shù)據(jù)，被主動或被動地在一個發(fā)布者(Publisher)和多個訂閱者(Subscribers)之間傳送。

根據(jù)需要，該規(guī)范PD只采用Push(主動上送)模式。作為過程數(shù)據(jù)源(source)的發(fā)布者(Publisher)，周期性地將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個或多個作為宿(sink)的訂閱者(Subscriber)，訂閱者直接接收數(shù)據(jù)，無須給出應答。點對點的主動上送(Push)是通過UDP單播實現(xiàn)的；點對多點的主動上送(Push)是通過UDP多播實現(xiàn)的。PHM-PD Push通信模式如表1所示[5]。

表1 PHM-PD Push通信模式

結(jié)合PHM數(shù)據(jù)通信需求，采用模式(部分)如圖2所示，如對于一般過程數(shù)據(jù)，采用主動上送(Push)模式(點對點，宿知道源)，各系統(tǒng)周期性地向PHM系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)。

圖2 PHM-PD 主動上送模式(點對點，源知道宿)

PHM數(shù)據(jù)通信采用原IEC 61375-2-3標準中PD-PDU設(shè)計，報文格式如圖3所示。

2.2 PHM-FDU

PHM某些特征提取需要相對準確的時間標簽，為此在FDU(功能數(shù)據(jù)單元，function data unit)基礎(chǔ)上[5]，增加時間戳設(shè)計等，形成PHM-FDU(見圖4)，用以組裝過程數(shù)據(jù)，方便構(gòu)成PD-PDU數(shù)據(jù)幀。FDU包含兩個部分：頭(FDU header)和數(shù)據(jù)集(FDU dataset)。

圖3 PHM數(shù)據(jù)通信PD-PDU報文

圖4 PHM數(shù)據(jù)通信PHM-FDU結(jié)構(gòu)

(1)FDU header：首部，16字節(jié)大小，第1個4字節(jié)用來對FDU進行唯一的標識；第2個4字節(jié)(幀總數(shù)DsFrameAll和幀序號DsFrameSeq)用來描述數(shù)據(jù)分包信息，最后8字節(jié)為時間戳(TIMEDT64)。首部結(jié)構(gòu)如表2所示。

(2)FDU dataset：用戶數(shù)據(jù)集，可以是部分、1個、多個過程變量，要求2字節(jié)對齊補零。其中，過程變量應配備檢查變量，以掌控數(shù)據(jù)品質(zhì)(如用于傳感器失效標識)。數(shù)據(jù)集采用IEC-61375-1：1999的RTP數(shù)據(jù)集緊湊設(shè)計，兼容MVB的過程數(shù)據(jù)集。FDU dataset具體的數(shù)據(jù)格式和定義視具體功能而定。

2.3 過程變量組包

不同于經(jīng)典TCN中表達過程狀態(tài)的過程變量(如速度、制動命令)，對PHM系統(tǒng)來說，過程變量是主要用于列車監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳輸原始數(shù)據(jù)、特征值、故障信息等。過程變量通過ECN和ETB傳輸?shù)絇HM都需要打包成不同的數(shù)據(jù)幀，為了方便這些過程變量的劃分、打包、傳輸、識別等，需要設(shè)計合理的數(shù)據(jù)幀格式。

由于PD-PDU數(shù)據(jù)報文中用戶數(shù)據(jù)大小限制在1 432字節(jié)內(nèi)，而PHM過程數(shù)據(jù)長度可能會大于1 432，需要進行分包設(shè)計。

表2 PHM-FDU首部元素

為了方便描述過程變量、功能數(shù)據(jù)單元到過程數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)組織方式[6]，結(jié)合圖 5進行說明，具體如下：

圖5 過程變量、功能數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)幀關(guān)系

0：過程變量數(shù)據(jù)。假如現(xiàn)有編號為PV_556、PV_557、PV_558三種過程變量，分別為12 000字節(jié)、310字節(jié)、199字節(jié)。(PV_556為離散傅里葉變換特征圖，每一點頻率幅值為FLOAT型，在不包含其他信息情況下，特征數(shù)據(jù)為60*50*4字節(jié)=12 000字節(jié)。)

1：FDU打包。按照最大只能包含1 416字節(jié)，對過程變量進行劃分，大于1 416字節(jié)，切分成多個數(shù)據(jù)包，例如：過程變量PV_556切分成9個部分(12 000=8*1 416+672)，結(jié)合FDU頭，形成8個1 432字節(jié)的FDU和1個672字節(jié)的FDU。PV_557、PV_558分別打包成1個FDU。其中FDU對其數(shù)據(jù)集要求2字節(jié)對齊，PV_558原本199字節(jié)，需要進行1字節(jié)補零。

2/3/4：過程數(shù)據(jù)組包。組合1個或者多個FDU為1個過程數(shù)據(jù)包(PD-PDU)，按照1 432字節(jié)限制要求，PV_556的前8 個FDU結(jié)合PD header分別形成8個PD-PDU。PV_556剩余部分、PV_557、PV_558組合為1個PD-PDU，4字節(jié)對齊補零后大小為1 232字節(jié)(16+672+16+310+16+200+2=1 232=308*4字節(jié))。

5：UDP打包。結(jié)合UDP頭以及尾補充，PD-PDU被打包成1個UDP。

3 PHM數(shù)據(jù)通信FTP

PHM數(shù)據(jù)通信FTP采用RFC 959所規(guī)定的文件傳輸協(xié)議。

3.1 服務模型

本規(guī)范規(guī)定PHM系統(tǒng)作為FTP服務器端，其他系統(tǒng)(如走形部)為FTP客戶端(見圖6)。FTP主機之間同時建立2條連接來完成數(shù)據(jù)的傳輸工作，一為用于客戶端和服務器之間命令和響應的通信的控制連接；二為用于傳送數(shù)據(jù)信息的通信的數(shù)據(jù)連接。

圖6 PHM-FTP服務模型示意圖

3.2 FTP工作方式

為了方便其他系統(tǒng)文件上傳至PHM系統(tǒng)，規(guī)定如下：

(1)PHM系統(tǒng)為FTP服務器端，F(xiàn)TP服務在整個工作期間一直運行；

(2)其他系統(tǒng)(如走行部)為FTP客戶端，F(xiàn)TP服務默認是未啟動的，按需啟動。

(3)其他系統(tǒng)采用PD模式周期地向PHM系統(tǒng)主動上送(Push)有關(guān)FTP服務的報文，在此稱為FTP-PDU，通過ComId(FTP服務專用)進行標識。FTP-PDU分為2種類型，一種包含文件信息(文件名、文件長度、文件數(shù)字簽名MD5)；一種不包含文件信息。

(4)PHM系統(tǒng)接收FTP-PDU，根據(jù)網(wǎng)絡通信條件和FTP當前狀態(tài)進行相應的響應。

(5)FTP客戶端(其他系統(tǒng))發(fā)送“PORT”命令建立主動模式。FTP服務器端(PHM系統(tǒng))在網(wǎng)絡通信條件許可下，才向客戶端的數(shù)據(jù)端口發(fā)起連接。

(6)FTP客戶端上傳文件到PHM系統(tǒng)，并具備斷點上傳能力。

(7)數(shù)據(jù)傳輸完成前，F(xiàn)TP服務器端(PHM系統(tǒng))需進行文件一致性校驗(通過MD5)，一致返回成功，不一致返回失敗，并終止數(shù)據(jù)鏈接。

4 結(jié)論

目前，我國動車組檢修是計劃預防維修體制，盲目性維修問題尤為突出，造成人力、物力的浪費以及維修成本過高等一系列問題。上文提出基于大數(shù)據(jù)的京張高鐵智能動車組 PHM 系統(tǒng)的架構(gòu)方案和以太網(wǎng)傳輸規(guī)范，使PHM系統(tǒng)可處理更為精準、多元、復雜的數(shù)據(jù)類型，為建立動車組故障預測與健康管理系統(tǒng)提供參考，能更好地保障動車組運行安全，延長動車組使用壽命，降低動車組的維護成本，展現(xiàn)我國高速動車組的技術(shù)水平。