蔣陵郡，周黎明，吳 強，朱少華

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司電氣研發(fā)部，南京 210000）

0 引言

城市軌道交通行業(yè)業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的調(diào)試和故障分析方法是“黑匣子”策略，即將故障本身和引起故障相關(guān)的信號信息存儲在固定的符合行業(yè)標準的車載設備中，該設備一般稱為EVR（Environment Variable Record）。該方式存在的弊端是必須在列車返庫時，由工程師上車下載數(shù)據(jù)并使用特定的解析工具分析。其一，增加人工及維護成本，各列車數(shù)據(jù)都要人工下載且需要安裝了特定解析工具的維護電腦；其二，數(shù)據(jù)實時性低，無法第一時間獲取相關(guān)信息；其三，解析工具軟件為C/S架構(gòu)，同時只能單臺電腦單人分析。

該平臺采用車地無線傳輸方式將關(guān)鍵數(shù)據(jù)落地，考慮到運營中列車存在頻繁切換通信基站導致丟包的場景。第一，為保證故障數(shù)據(jù)傳輸實時且準確，設計具備以太網(wǎng)傳輸能力的車載設備DDU（driver display unit）作為中間設備，接收數(shù)據(jù)并判斷故障發(fā)生和消失狀態(tài)，并以TCP 報文將故障信息發(fā)送至地面服務器；第二，為保證環(huán)境變量數(shù)據(jù)（即導致故障發(fā)生的變量）的完整性與準確性，犧牲一定的實時性，在車載設備中每存滿一包固定大小的數(shù)據(jù)再通過FTP/SFTP 的形式下發(fā)至地面服務器，該方式支持斷點續(xù)傳；最后，根據(jù)配置文件在地面服務器綁定故障信息與環(huán)境變量并生成FDL（Fault Data Logger）存儲至數(shù)據(jù)庫軟件，地面服務器再對外提供可視化的Web應用服務。

1 設計方案

1.1 數(shù)據(jù)落地方案

DDU 實時接收來自VCU 的周期性故障數(shù)據(jù)（UDP報文）。故障數(shù)據(jù)中每bit代表一個故障，當且僅當連續(xù)兩包數(shù)據(jù)中相同bit位由0跳變?yōu)?表示該故障發(fā)生，由1 跳變?yōu)? 表示該故障消失。故障發(fā)生或消失均觸發(fā)TCP報文。如圖1所示。

圖1 故障數(shù)據(jù)傳輸流程

DDU 實時接收來自VCU 的周期性環(huán)境數(shù)據(jù)（UDP報文）。DDU將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)每18000個采樣點（按100 ms 的周期即30 分鐘，可配置）緩存成一個文件。該文件命名格式如下：<線路號>_<列車號>_<源設備>_<文件創(chuàng)建時間>.cache， 如: 0001_10_VCU1_2020_9_17_14_27_34_245.cache。當緩存文件寫滿后即通過FTP/SFTP 上傳到地面服務器，上傳完成后將地面服務器上的緩存文件的擴展名由cache 改為dat，并刪除DDU中的緩存文件。

1.2 數(shù)據(jù)存儲方案

故障記錄落地后存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如MySQL）中的“近期故障表”，環(huán)境數(shù)據(jù)落地后存儲在時序數(shù)據(jù)庫（如InfluxDB）［2］。如圖2 中①所示。

圖2 數(shù)據(jù)存儲方案

當DDU 啟動后，開始接收來自VCU 的UDP報文，其中的“列車號”或“源設備”發(fā)生變化則向地面服務器發(fā)送一個故障ID為0xFFFF的表示列車上電的報文。地面服務器在接收到該報文后，將對應“列車號”和“源設備”的當前故障設置為歷史故障，即使有些故障仍未消失，這些故障也會被設置為歷史故障，并且地面服務器將該“列車上電”報文作為一條故障記錄記錄到數(shù)據(jù)庫。同時，對于UDP 報文中故障數(shù)據(jù)為1 的故障，DDU 會重新發(fā)送表示這些故障發(fā)生的報文給地面服務器。

地面服務器每天定時將“近期故障表”中3個月外的故障記錄轉(zhuǎn)移到“歷史故障表”。同時也會將時序數(shù)據(jù)庫中與這些故障相關(guān)聯(lián)的環(huán)境數(shù)據(jù)一起存儲到“歷史故障表”中。并刪除時序數(shù)據(jù)庫中3個月外的環(huán)境數(shù)據(jù)。如圖2中②所示。

1.3 數(shù)據(jù)檢索和顯示方案

數(shù)據(jù)的檢索和顯示功能的實現(xiàn)采用B/S 架構(gòu)［3］。主要實現(xiàn)以下功能：

（1）當前故障和所有故障

故障的檢索、顯示、處理建議和分類統(tǒng)計。

（2）環(huán)境數(shù)據(jù)

以圖形或表格的方式顯示任意時段用戶選取的環(huán)境數(shù)據(jù)，圖形方式如圖3所示。

圖3 查看環(huán)境數(shù)據(jù)

1.4 項目配置方案

項目配置包括該項目對應的故障清單、環(huán)境變量清單以及故障與環(huán)境數(shù)據(jù)的綁定關(guān)系（下稱綁定關(guān)系）。只有地面服務器需要配置，DDU等其他設備無需配置。項目配置保存在地面服務器關(guān)系數(shù)據(jù)庫的“故障清單表”和“環(huán)境變量清單表”中。故障清單保存在“故障清單表”中，環(huán)境變量清單保存在“環(huán)境變量清單表”中。綁定關(guān)系保存在“故障清單表”的“綁定關(guān)系”列。

故障序號即VCU 發(fā)送給DDU 的故障數(shù)據(jù)中對應位的位偏移。DDU 發(fā)送到地面服務器的故障信息TCP 報文中通過故障序號標識故障。這樣DDU 無需項目配置，即可完成故障信息的發(fā)送。在后期的故障清單維護過程中，故障序號不能復用。已刪除故障的序號不能再分配給其它新的故障使用，以免出現(xiàn)數(shù)據(jù)解析錯誤。

環(huán)境變量序號與環(huán)境數(shù)據(jù)中的環(huán)境變量一一對應。在后期的環(huán)境變量清單維護過程中，環(huán)境變量序號不能復用。已刪除環(huán)境變量的序號不能再分配給其它新的環(huán)境變量使用，環(huán)境變量的偏移、大小以及數(shù)據(jù)類型都不能修改，以免出現(xiàn)數(shù)據(jù)解析錯誤。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫的“歷史故障表”中也有“綁定關(guān)系”列。當有新的故障記錄寫入到“歷史故障表”，此時該故障對應的綁定關(guān)系也和對應的環(huán)境數(shù)據(jù)一起保存。如果后期該故障的綁定關(guān)系發(fā)生改變，“歷史故障表”中的環(huán)境數(shù)據(jù)也可以依賴之前的綁定關(guān)系成功解析。

1.5 司控臺模擬功能方案

司控臺模擬功能采用B/S架構(gòu)。地面服務器實時接收來自VCU（或通過DDU 中轉(zhuǎn)）的周期性司控臺狀態(tài)數(shù)據(jù)（UDP 報文）。用瀏覽器訪問地面服務器提供的相應Web 服務，頁面會根據(jù)最新的司控臺狀態(tài)數(shù)據(jù)實時刷新顯示內(nèi)容。

當用戶點擊菜單欄“司控臺”選項，將打開一個“列車列表”界面，其中顯示列車的概要信息：列車號、在線狀態(tài)、信息更新最后時間，當前故障和歷史故障總數(shù)。效果如圖4所示。

圖4 列車列表頁面

在“列車列表”界面單擊某一列車的圖標，進入到該列車的“列車狀態(tài)”界面。該界面上半部分內(nèi)容固定，包括列車速度、牽引級位、制動級位、駕駛模式、下一站、總風缸壓力、網(wǎng)壓。下半部分內(nèi)容分為以下三個板塊：按鈕狀態(tài)、指示燈狀態(tài)、旁路開關(guān)狀態(tài)。如圖5 所示，其中按鈕、指示燈和開關(guān)可在數(shù)據(jù)庫中由TCMS（train control and management system）開發(fā)人員自行配置［4］。

圖5 列車狀態(tài)頁面

1.6 重大故障彈框方案

當有重大故障發(fā)生時，瀏覽器彈出重大故障彈框。該彈框采用Bootstrap 中的模態(tài)框，每個重大故障對應一個彈框。當有多個重大故障發(fā)生時，瀏覽器會彈出相同數(shù)量的彈框，且最新發(fā)生的重大故障位于最上方。當有重大故障彈框彈出時，用戶不能操作該頁面其它部件，但不影響其他標簽頁或瀏覽器實例的操作。

Web前端和后端之間采用WebSocket方式通訊。前端作為客戶端，后端作為服務器端。服務端周期性每隔5秒鐘查詢一次數(shù)據(jù)庫中未消失且未確認的重大故障推送給所有的客戶端［5］。一條推送消息中可能包含多個重大故障的信息。當客戶端連接上服務端后，即可接受到推送消息。兩次推送消息中可能有重復的重大故障，客戶端需要去重。接收到的每個重大故障彈出一個彈框。

當彈框被用戶確認，客戶端發(fā)送一個響應消息給服務端，響應消息中包含用戶信息以及對應的故障信息。服務端向MySQL 數(shù)據(jù)庫中寫入對應的確認記錄。該條故障后續(xù)將不會再向客戶端推送?？蛻舳嗽跊]有收到重大故障或均已被確認的情況下，一旦再次收到重大故障，則同時觸發(fā)警示音。一旦有一個重大故障被確認，表示已經(jīng)有人處理時，則同時消除警示音。

1.7 歷史數(shù)據(jù)清理方案

應用軟件EDCleaner 將遍歷某個時間點（可通過命令行參數(shù)配置）之前的所有故障，將這些故障對應的環(huán)境數(shù)據(jù)由InfluxDB 保存到MySQL的fault 表的envData 字段。envData 字段中保存的環(huán)境數(shù)據(jù)為json 格式，包含時間和各環(huán)境變量的變量名以及值。MySQL 的fault 表的envData字段的初始值都是null。檢索環(huán)境數(shù)據(jù)時，如果envData 字段的值為null 則直接從InfluxDB 調(diào)取環(huán)境數(shù)據(jù)，如果非null 則直接從該字段調(diào)取環(huán)境數(shù)據(jù)。

2 軟件清單與運行設計

2.1 軟件清單

本軟件平臺需要開發(fā)的軟件清單如表1所示。

表1 軟件清單

2.2 運行設計

FDL 與EVR 數(shù)據(jù)實時存儲到地面服務器，與該功能相關(guān)的模塊有FDHandler、EDCache、FDSaver、EDSaver以及EDCleaner［6］。如圖6所示。

圖6 功能模塊組合

3 結(jié)語

該平臺通過設計合理的車載數(shù)據(jù)落地傳輸策略，較為完美地解決數(shù)據(jù)實時性、數(shù)據(jù)準確性以及數(shù)據(jù)完整性三者之間的矛盾，并成功將繁雜的線下處理流程部署至線上解決，大大降低地鐵運營時的維護成本。平臺運行概況如圖7所示。

圖7 TCMS落地數(shù)據(jù)平臺處理方式