延九磊，張瑞芳，申宇燕，盧萬平，劉 峰

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

目前國內(nèi)外動車組安全監(jiān)測產(chǎn)品正朝著平臺化、智能化、大數(shù)據(jù)、信息融合的方向發(fā)展，德國克諾爾公司推出了面向遠程監(jiān)視和故障預警的解決方案ICOM 數(shù)字平臺，對動車組進行遠程監(jiān)視、檢修、司機提示、防撞、限速等；西門子公司致力于發(fā)展機車車輛與基礎設施預測性維護服務，提出了數(shù)字化車站、信號系統(tǒng)上云等方案［1-3］。

動車組現(xiàn)有的安全監(jiān)測設備信息眾多，如失穩(wěn)平穩(wěn)監(jiān)測、軸箱振動監(jiān)測、安全監(jiān)測系統(tǒng)等多個系列的安全監(jiān)測產(chǎn)品，我國最新研制的CR400 系列復興號動車組裝用了多種動車組運行安全監(jiān)測設備，具體包括動車組軸溫監(jiān)測裝置、火警系統(tǒng)、受電弓監(jiān)測、車廂視頻監(jiān)測、軸箱振動、轉向架失穩(wěn)、車體平穩(wěn)等［4-7］。

在前期已有動車組安全設備的基礎上，基于標準化、平臺化、模塊化和可重用的模式，針對我國動車組運用安全監(jiān)控的現(xiàn)狀與需要，研制了動車組安全與運維集成平臺，實現(xiàn)對動車組運用狀態(tài)的聯(lián)動分析和平臺性評估，從而指導動車組地面維修。

1 系統(tǒng)構成

1.1 系統(tǒng)架構

動車組安全監(jiān)控系統(tǒng)分為車載安全監(jiān)控系統(tǒng)、車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面運維支持系統(tǒng)3 個部分，其架構如圖1 所示。

圖1 動車組安全監(jiān)測系統(tǒng)總體架構

車載安全監(jiān)控系統(tǒng)采用平臺化和模塊化設計，以車載安全監(jiān)控系統(tǒng)的中央處理平臺為核心集成多個監(jiān)控子系統(tǒng)，并預留通信接口，可接入動車組既有安全監(jiān)測設備，同時從動車組列車控制與監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)（TCMS）獲取動車組牽引、制動、時間、速度、公里標等工況信息，實時監(jiān)測診斷軸承、齒輪箱、牽引電機的溫度及振動，列車脫軌、構架失穩(wěn)和車體平穩(wěn)性等部件和安全因素的狀態(tài)，綜合診斷動車組突發(fā)信息、演變信息和大容量信息，對列車運行過程中出現(xiàn)的異常情況進行實時監(jiān)控，監(jiān)測值超出正?？刂浦笜藢嵭性\斷和報警，并通過TCMS 通知動車組采取降速或停車等故障導向安全措施，保障動車組安全運行。

車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有2 路數(shù)據(jù)傳輸通道，一路將動車組安全監(jiān)控報警和監(jiān)測特征數(shù)據(jù)由列車級主機統(tǒng)一實時傳輸至WTD 后，由WTD 通過4G 方式無線發(fā)送到地面；另一路在列車到站后通過USB 方式將全部過程運用數(shù)據(jù)導入地面運維支持系統(tǒng)進行深入分析。

地面運維支持系統(tǒng)可完成對動車組安全監(jiān)測平臺運行全過程數(shù)據(jù)的下載、轉儲和分析，并進行多系統(tǒng)關聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘分析，從多角度、多維度、全方位展示關鍵部件的運行數(shù)據(jù)與曲線，對車輛運行狀態(tài)及報警進行科學有效的定量分析。

1.2 網(wǎng)絡拓撲

車載安全監(jiān)控系統(tǒng)主機通過MVB 總線接收時間、速度、公里標、經(jīng)緯度、型號、列號、車號等公共信息以及牽引、制動、絕緣、火災、空簧、軸溫等監(jiān)控系統(tǒng)信息。車載安全監(jiān)控系統(tǒng)通過MVB 網(wǎng)絡，將實時報警數(shù)據(jù)傳輸至中央控制單元（CCU）實現(xiàn)控車，實時報警數(shù)據(jù)流如圖2 所示。

圖2 MVB 通信實時報警數(shù)據(jù)流

車載安全監(jiān)控系統(tǒng)通過ETH 網(wǎng)絡，將特征數(shù)據(jù)匯總至列車級主機，列車級主機通過ETH 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至WTD 實現(xiàn)數(shù)據(jù)落地，數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)流

1.3 三級診斷

（1）車輛級診斷

車輛級診斷通過車輛級安全監(jiān)測網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，對本車廂的部件或功能進行狀態(tài)實時監(jiān)測，如軸承超溫、軸承振動異常、轉向架失穩(wěn)等，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷結果通過安全監(jiān)測網(wǎng)傳送給列車級主機，作為列車級診斷的依據(jù)。

（2）列車級診斷

列車級主機配備大容量固態(tài)存儲器，可存儲全列的過程數(shù)據(jù)、事件信息和故障信息，在列車級對全列數(shù)據(jù)進行綜合分析和對比，從而形成對故障的進一步診斷。

（3）地面級診斷

通過建立地面運維支持系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)為驅動，實現(xiàn)維修、監(jiān)測、診斷一體化，對動車組的運營狀態(tài)進行評估，分析故障演變，建立故障診斷模型并進行故障定位和故障預測，指導動車組地面維修，與車載安全監(jiān)控系統(tǒng)的車輛級診斷和列車級診斷一起構成車輛級、列車級、地面級的三級診斷系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)詳細設計

2.1 車載安全監(jiān)控系統(tǒng)

車載安全監(jiān)控系統(tǒng)由車輛級主機、安全監(jiān)測網(wǎng)和列車級主機構成，如圖4 所示。

圖4 動車組車載安全監(jiān)控系統(tǒng)組成

普通車每車安裝1 臺車輛級主機，各安全監(jiān)測設備通過通信接口接入車輛級主機。監(jiān)控車除安裝車輛級主機外，還安裝1 臺列車級主機和1 臺列車級顯示屏。全列監(jiān)測信息和報警通過列車級顯示屏進行顯示。

每列車配置1 臺列車級主機，可接收全列各車輛級主機監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行綜合診斷。每列車配置1個列車級顯示屏，用于顯示故障代碼及信息，指導司機進行確認及相關操作。

車載安全監(jiān)控系統(tǒng)以中央處理平臺為核心對各子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集中、數(shù)據(jù)管理、綜合分析。各子系統(tǒng)遵照統(tǒng)一的通信協(xié)議，及其定義的幀格式和數(shù)據(jù)編碼，與車載安全監(jiān)控平臺通信。

車載安全監(jiān)控平臺具備統(tǒng)一供電、統(tǒng)一傳輸、集中存儲、綜合診斷、統(tǒng)一顯示和報警等功能，具有以下監(jiān)測功能：

（1）構架失穩(wěn)監(jiān)控

實時采集構架橫向、垂向振動加速度，融合TCMS 運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控轉向架穩(wěn)定性狀態(tài)。

（2）車體平穩(wěn)監(jiān)測

實時采集車體橫向、垂向、縱向振動加速度，融合TCMS 運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測車體平穩(wěn)性狀態(tài)。

（3）列車脫軌檢測

結合動車組輪軌力測量數(shù)據(jù)等先驗知識，建立將軸箱振動加速度信號和輪軌力之間的統(tǒng)計概率模型，計算脫軌系數(shù)等安全指標，經(jīng)全列綜合診斷對比后，實時識別動車組脫軌狀態(tài)，保障動車組運行安全。

（4）軌道狀態(tài)識別

將軸箱、構架、車體振動加速度信號結合列車運行時間和位置信息，進行時空配準，運用大數(shù)據(jù)存儲和分析的方法，在列車級進行全列橫向對比和歷史縱向對比，實時識別軌道狀態(tài)。

近年來的學校國防教育工作，使學校領導深刻地認識到，國防教育不僅是實施素質(zhì)教育的有效手段，更是培育21世紀鋼鐵長城捍衛(wèi)者的主要渠道。同時也是學校教育改革發(fā)展的需要。

（5）懸掛系統(tǒng)振動性能監(jiān)測

采集軸箱、構架、車體振動加速度信號，依據(jù)懸掛系統(tǒng)振動的傳遞關系，以及運行過程中全列振動加速度信號的時序和相位關系，結合地面維修信息，進行大數(shù)據(jù)分析，綜合評估動車組輪對、鋼簧、空簧、減振器等懸掛部件狀態(tài)。

（6）旋轉部件溫度振動監(jiān)測

在軸承溫度監(jiān)測的基礎上，結合軸箱、齒輪箱、牽引電機等部位的振動沖擊，結合車軸及電機轉速，綜合診斷走行部旋轉部件自身的故障狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)軸承、齒輪、踏面等旋轉部件的早期故障，進行預警和報警提示，防止走行部踏面擦傷、燃軸、切軸等事故發(fā)生。

（7）火災視頻聯(lián)動

當接收到火災報警數(shù)據(jù)時，列車級顯示屏實時點播火災發(fā)生區(qū)域的視頻并可對相應報警區(qū)域的視頻圖像進行截圖，通過以太網(wǎng)發(fā)送給安全監(jiān)控平臺存儲。

2.2 車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由列車網(wǎng)、車載數(shù)據(jù)傳輸模塊、地面數(shù)據(jù)接收模塊等組成，在列車上線運行時能夠實時傳輸列車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障報警情況等信息。在列車進段時，能夠傳輸車載安全監(jiān)控平臺記錄的過程數(shù)據(jù)。

2.3 地面運維支持系統(tǒng)

地面運維支持系統(tǒng)由數(shù)據(jù)存儲服務器、WEB服務器、配套數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)、用戶終端組成。系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)存儲架構，以數(shù)據(jù)為驅動，實現(xiàn)維修、監(jiān)測、診斷一體化，對動車組的運營狀態(tài)進行評估，分析故障演變，建立故障診斷模型并進行故障定位和故障預測，指導動車組地面維修，與車載安全監(jiān)控系統(tǒng)一起構成車輛級、列車級、地面級的三級診斷系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用基于Hadoop 的分布式存儲架構，如圖5 所示。采用分布式聯(lián)機計算模型Map/Reduce，利用集群進行高速運算和存儲，海量數(shù)據(jù)臨時存于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，通過批量方式寫入磁盤數(shù)據(jù)庫集群，完成數(shù)據(jù)高并發(fā)存儲。高并發(fā)實時查詢分析數(shù)據(jù)以及分析結果數(shù)據(jù)優(yōu)先從內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中高效訪問。

圖5 大數(shù)據(jù)存儲架構

（2）地面專家系統(tǒng)

地面專家系統(tǒng)對動車組車輛運行過程中的全過程數(shù)據(jù)進行下載后，轉儲至大數(shù)據(jù)存儲結構中，通過多系統(tǒng)關聯(lián)分析和深入的數(shù)據(jù)挖掘，從多角度、多維度、全方位展示關鍵部件的運行數(shù)據(jù)與曲線，完成對車輛運行狀態(tài)及報警進行科學有效的定量分析。地面專家系統(tǒng)主要界面如圖6、圖7 所示，主要功能有以下3 方面：

圖6 地面專家系統(tǒng)主界面

圖7 地面專家系統(tǒng)統(tǒng)計對比界面

①解析并存儲高速鐵路車載安全監(jiān)控系統(tǒng)平臺采集的旋轉部件、軸箱以及失穩(wěn)平穩(wěn)裝置等關鍵部件的原始數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)、故障和報警信息，同時支持針對數(shù)據(jù)庫的查詢和刪除等操作。

②對解析后的運用數(shù)據(jù)和報警信息進行二次診斷和深度融合分析，提供不同線路條件、不同速度等級、不同動車組型號等多個維度下的統(tǒng)計特征，如全程統(tǒng)計直方圖/速度統(tǒng)計直方圖/速度統(tǒng)計散點圖/速度統(tǒng)計折線圖等特色曲線圖及其相關的對比圖，并將診斷結果和統(tǒng)計結果寫入數(shù)據(jù)庫。

③對整體運用情況、數(shù)據(jù)曲線、報警信息、診斷結果和統(tǒng)計結果進行網(wǎng)頁可視化，支持對高速鐵路運用數(shù)據(jù)和報警故障曲線的查詢回放、事件分析、統(tǒng)計分析以及用戶管理。

3 結束語

動車組安全與運維集成平臺以平臺化和模塊化的設計將多個監(jiān)控子系統(tǒng)集成到車載安全監(jiān)控系統(tǒng)，并預留通信接口獲取動車組牽引、制動、時間、速度、公里標等工況信息，從而診斷列車脫軌、構架失穩(wěn)和車體平穩(wěn)性、火災等狀態(tài)。同時將運用數(shù)據(jù)轉儲至地面運維支持中心，實現(xiàn)對動車組運營狀態(tài)的評估、故障定位和故障預測，指導動車組地面維修，保障動車組安全運行。