王 兢，吳 頔，潘勇卓，黃志平，王隆龍

(北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094)

重載機車多采用貨車前后不固定靈活編組的方式進行實際運用。由于外部原因(供電，設備隔離)或者設備自身故障原因，導致車輛狀態(tài)進入異常，為滿足對運行重載機車動態(tài)跟蹤監(jiān)控、提供遠程技術支持和故障應急指導并即時組織維修的實際運用需求，需要對機車車輛的安全狀態(tài)與故障情況進行實時動態(tài)跟蹤監(jiān)控。研制適用于重載機車車輛的遠程數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，解決重載機車無定制車輛檢修監(jiān)控系統(tǒng)的問題。分析重載機車管理檢修運用需求，車載主機將機車運行途中的重要信息進行記錄，并實時發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)，形成地面與車輛聯(lián)動，保證地面車輛專業(yè)人員第一時間掌握車輛狀態(tài)并節(jié)約檢修和維護時間，盯控突發(fā)重點問題。

1 機車狀態(tài)遠程監(jiān)控方案配置

基于網(wǎng)絡控制的機車列車級網(wǎng)絡采用WTB列車級總線，車輛內部采用MVB車輛級總線[1]。各子系統(tǒng)通過車輛級數(shù)據(jù)總線傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。車輛整車以太網(wǎng)采用星型拓撲，傳輸速率為100 Mbit/s。每節(jié)車輛設有以太網(wǎng)交換機，其中無線傳輸裝置連接到本節(jié)車交換機實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集裝置安裝于機車端車電氣柜內，即每列車配置2臺主機分別與以太網(wǎng)交換機連接，并接入MVB網(wǎng)絡。無線裝置安裝于機車端車電氣柜內，即每列配置2臺主機分別與以太網(wǎng)交換機連接。重載機車數(shù)據(jù)記錄儀和無線傳輸裝置采用小型模塊化設計，既能滿足機車設備安裝空間小的要求，又能將設備自身防塵性能提高從而延長維修周期。數(shù)據(jù)記錄儀軟件功能成熟安全可靠。無線傳輸裝置可適應多變需求單獨進行軟件升級維護。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1。

圖1 機車狀態(tài)遠程監(jiān)控原理框圖

車輛TCN控制網(wǎng)絡與車輛以太網(wǎng)維護網(wǎng)絡相互隔離，數(shù)據(jù)多路傳輸?shù)木W(wǎng)絡拓撲結構既能保證控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性又能滿足大量維護數(shù)據(jù)及診斷數(shù)據(jù)的傳輸匯總進而傳輸?shù)降孛鎸＜蚁到y(tǒng)。不同的系統(tǒng)間數(shù)據(jù)和同一系統(tǒng)間不同設備都可以通過以太網(wǎng)進行診斷和監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸，通過TRDP協(xié)議和交換機本身的管理策略即保證維護以太網(wǎng)的可靠傳輸又可限制異常數(shù)據(jù)交換對行車功能的影響。

數(shù)據(jù)記錄儀ERM采用低功耗ARM平臺通過接入車輛級總線實時采集并周期性存儲MVB數(shù)據(jù)。ERM硬件采用雙核處理器在結構設計上通過與機殼特殊接觸處理保證良好散熱，可實現(xiàn)最小周期16 ms穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集及存儲。ERM硬件在保證可靠穩(wěn)定驅動加載MVB網(wǎng)卡的前提下整機一體化設計無飛線連接驅動外設。鑒于重載機車工作溫度高，煙塵較多，電磁環(huán)境復雜等環(huán)境因素ERM硬件設計滿足高可靠性和高抗干擾等級。ERM在軟件支持上可快速加載QNX實時操作系統(tǒng)、驅動MVB網(wǎng)卡并同時支持TRDP以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。

無線傳輸裝置采用以太網(wǎng)技術、GSM無線傳輸技術、WLAN無線局域網(wǎng)技術，通過BDSGPS功能模塊獲取列車位置信息，GPS定位精度為10米級。通過4G/GPRS發(fā)送實時數(shù)據(jù)，符合TCP/IP協(xié)議標準。若車站或車輛段具備WLAN無線覆蓋，通過WLAN實現(xiàn)自動連接地面AP并下載存儲的數(shù)據(jù)。WTD硬件采用壁掛式，通過后法蘭固定孔安裝，鋁制密閉金屬外殼，防塵、防腐、抗振動。

數(shù)據(jù)記錄儀ERM通過接入車輛級總線實時采集并周期性存儲MVB數(shù)據(jù)。ERM通過診斷程序實時自診斷整車車輛故障并存儲。根據(jù)地面展示的需要，不同類型數(shù)據(jù)所需要刷新頻率不同。車輛可靈活配置ERM發(fā)送不同類型數(shù)據(jù)的周期以匹配需求。ERM通過整車以太網(wǎng)交換機與無線傳輸裝置進行以太網(wǎng)通信，二者通過TRDP實時以太網(wǎng)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)同步。無線傳輸裝置接收到更新的數(shù)據(jù)后，通過4G模塊將車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)實時下發(fā)到地面服務器。

重載機車需要實時傳輸?shù)男畔⒖偨Y分為動態(tài)位置跟蹤信息、基本狀態(tài)信息和故障信息。

動態(tài)位置跟蹤信息主要包括運行機車的準確位置，如經(jīng)緯度或線路公里標；基本狀態(tài)信息主要有：速度、車重、掛載數(shù)量、牽引狀態(tài)、制動狀態(tài)、軸溫溫度等安全相關信息，以及空調、IO狀態(tài)信息等；故障信息主要是在車載網(wǎng)絡上傳輸?shù)?、可獲取的故障事件以及其相關環(huán)境參數(shù)，用于故障發(fā)生后支持車載故障的診斷、分析、排除及機車檢修。

地面服務器通過不同車型定義的接收數(shù)據(jù)線程進行數(shù)據(jù)分類接收。地面定制解析程序根據(jù)唯一確定的車型解析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照不同的列號、車號、數(shù)據(jù)類型等條件進行數(shù)據(jù)庫錄入。數(shù)據(jù)在分布式數(shù)據(jù)庫中存儲供前端網(wǎng)站頁面展示調取。監(jiān)控網(wǎng)站按照車輛拓撲及編組信息實時顯示車輛狀態(tài)信息和故障信息。其中地圖定位頁面顯示列車車號、定位列車位置及運行情況。此外車輛的運營狀態(tài)可在監(jiān)控網(wǎng)站進行歷史數(shù)據(jù)查詢。

在地面系統(tǒng)的基礎上，對當前預警項點進行梳理，找出可以指導檢修的項點，例如可根據(jù)軸溫預警次數(shù)安排排查軸承故障作業(yè)等，并可進行細化。 同時面向不同應用場景對故障代碼進行分類分級、組合(如檢修關注的故障代碼，調度關注的故障代碼等等)。

針對部件物理特性，明確所需的數(shù)據(jù)傳輸頻率(如軸溫十秒級，網(wǎng)壓毫秒級)，為部件狀態(tài)評估奠定基礎。 后續(xù)可整理數(shù)據(jù)可視化需求,梳理目前地面專家系統(tǒng)分析車組狀態(tài)常用的方法，由監(jiān)控系統(tǒng)給出更直觀便利的展示頁面。

2 機車狀態(tài)遠程監(jiān)控頁面

2.1 機車故障實時監(jiān)控(見圖2)

圖2 機車故障監(jiān)控頁面

地面系統(tǒng)通過機車故障數(shù)據(jù)特定位置編碼識別數(shù)據(jù)類型。地面解析系統(tǒng)解析故障數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分類至數(shù)據(jù)庫相應故障表。前端頁面讀取故障數(shù)據(jù)并按照解析規(guī)則解析顯示。故障展示內容包括基本故障元素如：故障代碼、故障名稱、故障系統(tǒng)、故障等級、故障時間。

地面系統(tǒng)通過聲音報警和閃爍報警提示車輛監(jiān)控人員發(fā)生嚴重故障。車輛相關人員可以根據(jù)部分參數(shù)信息和調度與司機的反饋信息提前做出初步診斷，根據(jù)故障發(fā)生的系統(tǒng)進行檢修作業(yè)時間和場地安排，提高檢修維護效率。

2.2 機車故障歷史導出(見圖3)

圖3 機車歷史故障導出頁面

機車故障歷史故障查詢功能可供維護及監(jiān)控人員查詢統(tǒng)計并導出歷史故障。在輸入欄選擇相應的車號和時間范圍并加入某些限制條件后可查詢到檢索的故障。故障可按照系統(tǒng)分類，也可按照優(yōu)先級篩選。歷史故障統(tǒng)計可指導可靠性工程師進行設備和系統(tǒng)的可靠性分析。按照時間統(tǒng)計一段時間內某個系統(tǒng)故障發(fā)生的次數(shù)。系統(tǒng)發(fā)生故障同一時刻部分環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計也可幫助工程師掌握故障時刻運用環(huán)境。

2.3 機車參數(shù)實時監(jiān)控(見圖4)

圖4 機車參數(shù)實時監(jiān)控頁面

機車參數(shù)通過數(shù)據(jù)特定位置編碼識別數(shù)據(jù)類型。地面解析系統(tǒng)解析參數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分類至數(shù)據(jù)庫相應參數(shù)表。前端頁面讀取參數(shù)數(shù)據(jù)并按照解析規(guī)則解析顯示。參數(shù)展示內容包括車輛基本狀態(tài)：速度、軸溫、制動缸壓力、車質量、主斷狀態(tài)、受電弓狀態(tài)、手柄級位等等。地面機車維護人員可在關鍵節(jié)點進行參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)控。故障發(fā)生后維護人員可參考參數(shù)數(shù)據(jù)進行遠程分析車輛狀態(tài)。

2.4 機車參數(shù)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)輸入列車參數(shù)和時間范圍可繪制出此變量的走勢圖。地面維護人員可在故障發(fā)生后，追蹤故障相關變量的數(shù)值，為故障分析定位提供一定依據(jù)。

圖5 機車參數(shù)數(shù)據(jù)導出頁面

2.5 機車參數(shù)數(shù)據(jù)預警

預警功能可根據(jù)客戶需求專門設計。例如根據(jù)機車軸溫溫度設計預警條件，當軸溫數(shù)據(jù)達到預設值時系統(tǒng)提示軸溫超限預警信息。此時地面監(jiān)控和檢修人員可根據(jù)數(shù)據(jù)歷史信息安排后續(xù)檢修計劃。此功能可提前預報軸溫超限故障，達到預防修的要求。

2.6 機車關鍵信息查詢統(tǒng)計

根據(jù)車輛信息統(tǒng)計需求可定制傳輸規(guī)范將車輛關鍵信息傳輸?shù)降孛鎱R總和計算，如走行里程涉及到車輛修程，車輛走行故障多發(fā)區(qū)段是否可為線路故障排查提供參考，不同線路間的故障對比能否為后續(xù)線路設計的優(yōu)化提供輸入等等。

3 結束語

提出一種重載機車車輛遠程監(jiān)控方案，豐富了機車車輛車地通訊方式，數(shù)據(jù)記錄存儲和地面發(fā)送機制的一致性為后續(xù)故障定位分析提供可靠支持。車載設備數(shù)據(jù)實時采集和實時以太網(wǎng)TRDP同步轉發(fā)提升了數(shù)據(jù)實時性。此方案增加單獨車輛遠程監(jiān)控狀態(tài)手段及維護工具，提高了機車車輛安全性，可靠性，可用性和可維修性。