秦培斌 李 青 楊 樂

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 山東 青島 266031； 2.中國電子科技集團公司第二十二研究所 山東 青島 266031)

隨著軌道車輛大規(guī)模投入運營，軌道車輛智能運維健康管理平臺建設(shè)越來越受到業(yè)主重視。制動系統(tǒng)作為車輛的關(guān)鍵核心系統(tǒng)，目前的運維方式仍基于子系統(tǒng)自身簡單的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷[1]，信息相對獨立，無法對車輛和子系統(tǒng)做全面分析、診斷。而且面對日益增加的數(shù)據(jù)量，亟需建立網(wǎng)絡(luò)運營綜合管控的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)制動系統(tǒng)運營、維護智能化。通過正線運行的實時數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控，并結(jié)合歷史大數(shù)據(jù)的積累，可以全面掌握系統(tǒng)在不同車輛、不同里程、不同工況下的狀態(tài)，可實現(xiàn)狀態(tài)辨識、安全評判，從而實現(xiàn)由故障修、計劃修與基于可靠性預(yù)測的狀態(tài)修的有機結(jié)合。建立基于大數(shù)據(jù)處理的軌道車輛制動系統(tǒng)智能運維健康管理平臺，能夠降低制動系統(tǒng)正線故障率、提升列車運行安全水平，助力制動系統(tǒng)實現(xiàn)智能運維。

1 軌道車輛制動系統(tǒng)運維現(xiàn)狀

目前，軌道車輛制動系統(tǒng)運維多采用基于單車數(shù)據(jù)記錄、故障時刻數(shù)據(jù)分析的人工周期檢修、巡檢和故障搶修等傳統(tǒng)方式。其數(shù)據(jù)記錄基于兩端司機室的車載維護終端設(shè)備，列車每節(jié)車廂中的制動控制裝置通過CAN/以太網(wǎng)總線將制動系統(tǒng)壓力、車輛速度、制動級位等數(shù)據(jù)發(fā)送至車輛兩端的車載維護終端，由維護終端對這些制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時記錄。運維人員通過現(xiàn)場連接上位機監(jiān)控軟件實時監(jiān)測列車制動系統(tǒng)狀態(tài)，或者通過讀取存儲介質(zhì)中記錄的數(shù)據(jù)獲取制動系統(tǒng)故障時刻運行狀態(tài)，進而進行相關(guān)故障處理。由此可見，目前軌道車輛制動系統(tǒng)運維，仍然圍繞已發(fā)故障處理進行，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌道車輛制動系統(tǒng)運維架構(gòu)現(xiàn)狀

隨著車輛投入運營及系統(tǒng)運營時間的增加，運維壓力也與日俱增，傳統(tǒng)周期巡檢、故障搶修運維方式會造成運維過?；蜻\維不足，尺度難以掌握。以車地?zé)o線傳輸為基礎(chǔ)，建立基于大數(shù)據(jù)處理的制動系統(tǒng)智能運維平臺，能夠有效解決制動系統(tǒng)運維中的故障診斷、狀態(tài)檢測、健康評估等問題[2]，實現(xiàn)運維方式轉(zhuǎn)型升級。

2 制動系統(tǒng)智能運維平臺體系結(jié)構(gòu)

制動系統(tǒng)智能運維平臺是 “智慧交通”的重要組成部分[3]，構(gòu)建層級分明的智能運維平臺架構(gòu)能夠確保不同項目制動系統(tǒng)運維的兼容性，降低運維成本。平臺設(shè)計充分考慮制動系統(tǒng)智能運維需求，構(gòu)建了由數(shù)據(jù)接入層、地面數(shù)據(jù)中心層、智能運維應(yīng)用層組成的制動系統(tǒng)智能運維平臺體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。此設(shè)計不僅能夠滿足新線車輛制動系統(tǒng)智能運維需求，而且能夠兼容現(xiàn)有制動系統(tǒng)運維架構(gòu)，為既有線路運營車輛智能運維的升級也提供了可行方案。

圖2 軌道車輛制動系統(tǒng)智能運維平臺體系結(jié)構(gòu)

平臺中數(shù)據(jù)接入層即車地?zé)o線傳輸接入系統(tǒng)，其建立的目的是為制動系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)源，將制動系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)收集、打包、加密處理后，通過VPN將數(shù)據(jù)可靠地傳回地面數(shù)據(jù)中心。地面數(shù)據(jù)中心承擔(dān)著多源數(shù)據(jù)接入預(yù)處理、存儲、解析、算法分析等工作，為制動系統(tǒng)智能運維應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)庫支持。智能應(yīng)用層提供系統(tǒng)的人機交互界面，實現(xiàn)制動系統(tǒng)實時狀態(tài)監(jiān)測、歷史狀態(tài)查詢、故障預(yù)測等健康管理功能。

3 制動系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸接入設(shè)計

制動系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸接入系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)的收發(fā)、VPN專線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送、地面運維中心數(shù)據(jù)接收。無線采集終端通過CAN或TRDP通道采集全列制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)加密處理后通過4G通道將列車制動數(shù)據(jù)和維護終端狀態(tài)傳遞給VPN專線網(wǎng)絡(luò)，最后到達地面數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了車地之間數(shù)據(jù)的緩存與傳輸。其中無線采集終端是車地?zé)o線傳輸?shù)暮诵?，它由電源轉(zhuǎn)換模塊、CAN/TRDP數(shù)據(jù)收集模塊、無線通信模塊構(gòu)成(見圖3)。

圖3 制動系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸接入系統(tǒng)

3.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

電源轉(zhuǎn)換模塊將車輛供給無線采集終端的電壓轉(zhuǎn)換成其內(nèi)部運行所需的電壓值。為滿足無線采集終端對不同車型供電電壓的適應(yīng)性，其電源轉(zhuǎn)換模塊采用寬電壓范圍設(shè)計，可適應(yīng)額定電壓為24 V～110 V的各種車型。為確保設(shè)備可靠，設(shè)計時充分考慮運行過程中電壓暫降、短時中斷和電壓變化情況。經(jīng)試驗驗證，當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)不超過 10 ms 的電壓饋送中斷、電壓波動在0.6 Un～1.4 Un且不超過0.1 s時不會引起設(shè)備異常、電壓波動在1.25 Un～1.4 Un且不超過1 s時不會引起設(shè)備故障。

3.2 CAN/TRDP數(shù)據(jù)處理模塊

無線采集終端起到貫穿全列收集制動系統(tǒng)信息的功能，它安裝在頭車和尾車，通過CAN/TRDP數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)制動系統(tǒng)信息采集匯總。

無線采集終端的CAN總線接口按照高速CAN2.0B規(guī)范設(shè)計。支持100 Kbps～1 Mbps波特率， 11位標(biāo)準(zhǔn)幀ID和29位擴展幀ID。通過軟件可配置設(shè)備內(nèi)部終端電阻的使能，使設(shè)備可以方便地布置在列車總線的各個節(jié)點分支。通過PC端配置軟件可以設(shè)置ID過濾，在無線采集終端的應(yīng)用層軟件中實現(xiàn)ID過濾功能。無線采集終端的CAN總線接口在250 Kbps波特率下，可實現(xiàn)700 us一幀報文的接收頻率(總線負載75%)和 1 ms一幀的報文發(fā)送。

無線采集終端同時提供2個符合IEC 61375-2-3通信標(biāo)準(zhǔn)的TRDP接口。封裝于無線采集終端應(yīng)用層中的TRDP協(xié)議，通過支持的安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(SDT)實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸。TRDP協(xié)議棧作為網(wǎng)絡(luò)中間件運行于無線采集終端的實時操作系統(tǒng)中，支持IEC 61375-3-4規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。它可與編組交換機(CS)與ETB節(jié)點(ETBN)互連，接收ECN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，或發(fā)送數(shù)據(jù)到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。支持過程數(shù)據(jù)PD(封裝于UDP)和消息數(shù)據(jù)MD(封裝于TCP)等模式。無線采集終端通過ComID信息識別不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點，ComID中標(biāo)識了相應(yīng)節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輪詢周期、QoS等關(guān)鍵通信配置信息，這些信息通過“xml”文件管理。用戶可通過PC端軟件對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行過濾。

3.3 無線通信模塊

采集終端內(nèi)含無線通訊模塊，模塊和主CPU通過串行總線通訊，CPU將發(fā)送數(shù)據(jù)信息、時間戳信息、GPS位置信息、接收方IP信息等通過串行總線發(fā)送給無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)包調(diào)制后通過天線發(fā)送出去。無線射頻信號會通過無線采集終端附近的運營商基站接收，信號基站將射頻信號接收、解調(diào)、轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，根據(jù)接收方IP地址信息通過運營商專用高速光纜發(fā)送到目的地。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包通過多級交換機從基站一路傳輸?shù)接脩艟W(wǎng)絡(luò)專線接入端。

由于列車運行過程中，無線采集終端與基站之間存在信號斷續(xù)問題，為確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，無線采集終端在通信方式上采用TCP/UDP雙連接、雙協(xié)議機制。

(1)心跳?；顢?shù)據(jù)連接

此連接采用UDP數(shù)據(jù)協(xié)議，由無線采集設(shè)備端周期發(fā)起，周期60 s。其主要作用是遠程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、確保移動網(wǎng)絡(luò)鏈路層端口有效。

(2)采集數(shù)據(jù)上傳連接

此連接采用TCP數(shù)據(jù)協(xié)議，由設(shè)備端發(fā)起與公網(wǎng)服務(wù)器的長連接。當(dāng)遇到斷網(wǎng)等情況，采集終端將數(shù)據(jù)先緩存到SD卡，待網(wǎng)絡(luò)信號恢復(fù)后，重新連接續(xù)傳，當(dāng)?shù)孛鏀?shù)據(jù)中心確認接收正確，設(shè)備端標(biāo)記該數(shù)據(jù)無效后，再開始傳輸新數(shù)據(jù)。

4 制動系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心

4.1 數(shù)據(jù)接入

匯集到制動系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)首先進行批量數(shù)據(jù)接入預(yù)處理。制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心批量數(shù)據(jù)接入采用消息隊列、異步通信方式，車輛端無須等待處理結(jié)果即可將制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)中心，由地面數(shù)據(jù)中心通過消息隊列保證數(shù)據(jù)順序接收。由于無線傳輸通路中存在信號干擾等因素，地面數(shù)據(jù)中心接收到車輛數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)清洗與補缺以確保數(shù)據(jù)完整性。

由于列車總線上的數(shù)據(jù)報文存在多種輪詢周期，在制動系統(tǒng)智能運維應(yīng)用中，對于每一個故障點的預(yù)測及判斷都需要若干報文的采樣簇，如果數(shù)采設(shè)備接收到的采樣簇中報文之間的輪詢周期參差不齊，則無法直接注入算法。為了解決周期不齊的問題，地面數(shù)據(jù)中心進行接入預(yù)處理時通過插值方式對低采樣周期數(shù)據(jù)進行補充。

傳感器采集的車輛速度、制動缸壓力等數(shù)據(jù)，除了需要進行毛刺去除與平滑處理外，由于不同量程傳感器數(shù)據(jù)數(shù)量級變化范圍較大，在數(shù)據(jù)接入處理末期，常使用Z-均值變換、歸一化、數(shù)據(jù)降維等方法執(zhí)行數(shù)據(jù)變換與歸約，這樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行感知機等模型算法訓(xùn)練時效果會大幅提升。

4.2 數(shù)據(jù)存儲及查詢

經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲到支持高并發(fā)和大數(shù)據(jù)存儲的地面分布式數(shù)據(jù)庫集群中，以滿足制動系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)存儲要求。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，支持數(shù)據(jù)庫的CRUD操作、交換式數(shù)據(jù)查詢，用戶使用WEB客戶端或移動客戶端，可快速查詢制動系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)存儲的高可靠性，云管理平臺部署在2個虛擬機上組成 HA 集群，若發(fā)生故障HA集群中的另一個系統(tǒng)迅速接替本地系統(tǒng)，從而保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)中心容災(zāi)策略。

5 制動系統(tǒng)智能運維應(yīng)用實現(xiàn)

5.1 狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

智能運維平臺建立了制動系統(tǒng)各個關(guān)鍵部件狀態(tài)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。能夠提供制動缸壓力、速度、制動級位、空簧壓力、防滑閥等的監(jiān)測運行曲線，它以時間軸為單位實現(xiàn)對基礎(chǔ)制動裝置、EBCU、防滑裝置、制動控制閥類的遠程實時監(jiān)測及狀態(tài)分析。還可提供基于歷史數(shù)據(jù)的分類或組合數(shù)據(jù)查詢分析，使歷史數(shù)據(jù)中海量的設(shè)備運行狀態(tài)信息以不同的信號形式表現(xiàn)出來。制動系統(tǒng)智能運維平臺通過特征提取算法提取事件特征、頻次特征等信息，針對不同工況，通過多變量決策樹基于信息熵增益對狀態(tài)點進行分類分析。

5.2 故障診斷及預(yù)測

智能運維首要任務(wù)是判斷系統(tǒng)或其內(nèi)部關(guān)鍵部件是否處于故障狀態(tài)[4]，或相當(dāng)程度地偏離了正常狀態(tài)，給出故障診斷及預(yù)測。制動系統(tǒng)智能運維平臺故障診斷及預(yù)測通過基于物理模型的診斷預(yù)測、基于知識的診斷預(yù)測和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的診斷預(yù)測三級模型建立(見圖4)。

圖4 制動系統(tǒng)智能運維平臺故障診斷及預(yù)測模型

基于物理模型的故障診斷預(yù)測方法利用已知的制動系統(tǒng)理論建立數(shù)學(xué)模型，通過對大量實車運行數(shù)據(jù)及故障維護數(shù)據(jù)的分析來確立模型參數(shù)。它能夠深入制動系統(tǒng)本質(zhì)特性，實現(xiàn)較精確的故障診斷預(yù)測，例如運維平臺中針對基礎(chǔ)制動裝置進行基于應(yīng)力的診斷預(yù)測、針對制動控制系統(tǒng)、高頻電磁閥等進行基于疲勞損傷發(fā)展規(guī)律的診斷預(yù)測。

基于知識的診斷預(yù)測是根據(jù)已知的知識建立基于制動系統(tǒng)知識庫方法的診斷預(yù)測模型，包括專家系統(tǒng)和模糊邏輯。專家系統(tǒng)將制動系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)

專家對典型制動故障的診斷和預(yù)測方法用規(guī)則形式表達出來，其關(guān)鍵是專家經(jīng)驗的獲得和專家經(jīng)驗的模型化。此外，智能運維平臺還使用模糊邏輯的非線性映射對制動系統(tǒng)故障進行匹配性診斷和預(yù)測。

對于制動系統(tǒng)而言，基于專家系統(tǒng)和模糊邏輯所建立的模型有限，因此基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的診斷預(yù)測成為智能運維平臺掌握系統(tǒng)性能下降的主要手段。它通過部件或系統(tǒng)設(shè)計、仿真、運維階段測試、歷史數(shù)據(jù)等，從大量表征制動系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)中進行事件特征、頻次特征等信息提取，實現(xiàn)故障診斷預(yù)測。例如，通過制動系運用過程中的突變狀態(tài)點檢測，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)突變狀態(tài)，再結(jié)合統(tǒng)計學(xué)模型可實現(xiàn)故障診斷預(yù)測。

5.3 健康評估與維修決策

健康評估與維修決策模塊根據(jù)故障診斷預(yù)測結(jié)果，對制動系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)進行量化，給出其預(yù)期壽命及維修建議。制動系統(tǒng)智能運維平臺通過決策樹提供了一種嵌入維修決策建議的機制，決策樹內(nèi)部節(jié)點自頂向下的遞歸比較，在決策樹的枝葉節(jié)點得到維修建議，并可將維修建議推送給相關(guān)人員。

6 結(jié)束語

基于無線傳輸?shù)能壍儡囕v制動系統(tǒng)智能運維平臺，為車輛制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)落地、大數(shù)據(jù)分析提供了平臺支撐。在此基礎(chǔ)上，地面數(shù)據(jù)中心能夠全面、真實、可靠地掌握車輛制動系統(tǒng)故障信息和相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進而實時、有效地對制動系統(tǒng)做出診斷與評估。這不僅對制動系統(tǒng)優(yōu)化、提升具有重要作用，同時應(yīng)用部門也可根據(jù)運維平臺的決策與建議合理安排檢修，有針對性地實現(xiàn)備件儲備，促進軌道車輛制動系統(tǒng)制造與運用技術(shù)的發(fā)展。