謝喜佳　李福斌　明洪　李文全　鄭吳富

摘 要：本文基于計算機輔助、車載通信、網絡控制技術，搭建MVB+以太網的車輛數據收集平臺，結合地面終端系統(tǒng)的分析處理，研制全套全自動駕駛模式下城市軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)。通過專家診斷系統(tǒng)對車輛狀態(tài)數據的實時采集及分析，實現對列車運行狀態(tài)的實時監(jiān)控及車輛子系統(tǒng)的健康管理，為運維人員處理車輛故障提供指導。

關鍵詞：軌道交通 全自動駕駛 專家診斷系統(tǒng) WTD

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通電客車全自動駕駛模式有效改善傳統(tǒng)模式下的車輛運營安全、行車組織、降低人力成本等方面問題，是城市軌道交通的發(fā)展趨。全自動駕駛模式采用計算機輔助、車載通信、網絡控制等技術形成全新的軌道交通控制系統(tǒng)，具備提高運能、崗位復合、規(guī)避人員操作失誤等方面優(yōu)勢[1]。全自動駕駛模式車輛車輛無人值守，車輛運行各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)及故障應急處置無法與有人值守狀態(tài)相比較，亟需專家診斷系統(tǒng)輔助監(jiān)控各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)及車輛故障上報，以便車輛運用部門及時做出故障判斷及處理措施[2]。本文研制全自動駕駛模式下城市軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)，在南寧軌道交通5號線電客車上進行驗證。

1 車輛專家診斷系統(tǒng)原理

1.1 車輛專家診斷系統(tǒng)的功能

車載診斷系統(tǒng)由于受到其運行速度的影響，只能對影響安全的重要故障做出判斷，并指導司機排除。而更復雜、多方面的故障應尋求地面專家系統(tǒng)的支持[3]。南寧軌道交通5號線全自動駕駛車輛除包括制動（DCU）、車門（EDCU）、空調（HVAC）等傳統(tǒng)子系統(tǒng)外，還配備主動/被動障礙物檢測、走行部檢測、弓網檢測等智能運維設備，為了達到對整車運行情況的監(jiān)控、記錄和分析，車輛專家診斷系統(tǒng)通過通信控制系統(tǒng)（TCMS）采集各子系統(tǒng)的實時狀態(tài)數據，使用無線傳輸裝置（WTD）將車輛數據傳輸至車輛檢修基地終端服務器，通過地面系統(tǒng)對數據信息處理后發(fā)送至各級調度指揮中心，為車輛調度和故障處理提供數據決策支持。

1.2 車輛專家診斷系統(tǒng)的組成

專家診斷系統(tǒng)包括車載系統(tǒng)、車地無線傳輸系統(tǒng)和地面系統(tǒng)三部分。車載系統(tǒng)通過以太網維護和信息網獲取車輛狀態(tài)數據、故障數據、過程數據、環(huán)境數據等。車地無線傳輸系統(tǒng)采用WTD作為車載數據收集、存儲和轉發(fā)裝置，通過通信專業(yè)的WLAN通道實現車地數據無線傳輸。地面系統(tǒng)包括安裝在車輛段內的服務器和專家診斷系統(tǒng)軟件，其主要任務是依據列車的狀態(tài)參數對列車運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控或依據故障數據對對列車的運行可靠性做出評價。

2 車輛專家診斷系統(tǒng)總體方案及設計

2.1 系統(tǒng)總體方案設計

基于車輛數據分析與挖掘的專家診斷系統(tǒng)，總體上通過列車WTB總線和以太網收集牽引（DCU）、制動（BCU）、火警（FDS）、空調（HVAC）、車門（EDCU）等微機控制子系統(tǒng)以及弓網在線監(jiān)測、主動式/被動式障礙物檢測等智能運維業(yè)務系統(tǒng)的狀態(tài)數據和故障數據，傳輸至車載遠程數據傳輸裝置（WTD），WTD主機根據實時性要求按照一定周期（本項目采用500ms周期）向車載PIDS交換機發(fā)送狀態(tài)、故障數據，車載PIDS交換機將上述數據采用TCP或者UDP報文通過PIDS地面無線傳輸系統(tǒng)傳至車輛專家診斷系統(tǒng)。而對于列車事件記錄、弓網監(jiān)測視頻和圖片等離線大數據，受地面無線傳輸系統(tǒng)帶寬容量限制，則采用檢修庫內的WLAN網進行傳輸。地面大數據中心對數據進行存儲、解析、分發(fā)、運算和展示，為行車指揮、維修維護、技術分析等提供高時效性的指導建議，總體設計方案見圖1。

2.2 車載微機子系統(tǒng)設計

牽引（DCU）、輔逆（SIV）、空調（HVAC）、車門（EDCU）、制動（BCU）等車載微機子系統(tǒng)在軌道交通項目上應用均較為成熟，其微機控制器通過接收子系統(tǒng)配置的繼電器、接觸器、傳感器反饋信號，部分反饋信號經過邏輯運算形成子系統(tǒng)的狀態(tài)數據、故障數據和環(huán)境數據，具有故障自診斷和狀態(tài)記錄功能。微機子系統(tǒng)的實時狀態(tài)信息和故障信息通過MVB網絡傳輸至列車中央控制單元（CCU），再通過TCP/IP協(xié)議傳輸至WTD主機。而列車事件記錄模塊（EDRM）監(jiān)視列車MVB網絡上所有的所有通信記錄，形成帶有列車運行環(huán)境參數的文件，文件大小為百兆級別，需通過FTP協(xié)議傳輸至WTD主機。對于HMI同屏功能的實現，考慮到高實時性和高數據量的需求，采用TRDP（Train Real-time Data Protocol）協(xié)議通過以太網維護網傳輸至WTD主機。

2.3 車輛智能運維系統(tǒng)設計

車輛智能運維系統(tǒng)包含主動式/被動式障礙物檢測、弓網在線檢測和走行部檢測三個子系統(tǒng)，通過集成各類先進傳感器，利用熱成像、光成像、加速度、聲學等多維度傳感器等實現對弓網、走行部等列車關鍵部件的實時監(jiān)控，不同項目可以根據不同的用戶需求進行擴展。系統(tǒng)控制主機可通過UDP協(xié)議和FTP協(xié)議通過列車以太網維護網將大量實時數據和離線數據傳輸至車輛以太網交換機，再經過WTD主機和地面PIDS交換機將數據發(fā)送至地面系統(tǒng)，車輛專家診斷系統(tǒng)對數據進行解析和展示，方便行車指揮人員對故障做出及時響應，也便于向維護人員提供維修維護的指導。

動式/被動式障礙物檢測子系統(tǒng)采用毫米波雷達、攝像機、補償光源、行程開關等設備組成，利用圖像和行程開關識別隧道內容是否有異物侵線，保障電客車運行安全。

弓網在線檢測子系統(tǒng)采用高清攝像機、三角測距模塊、紅外相機、紫外相機、補光燈、車底振動補償模塊等設備，利用機器視覺原理來實現受電弓碳滑板和羊角的狀態(tài)監(jiān)測、弓網溫度檢測、燃弧檢測，同時還實現了接觸網的拉出值、高度值、導高值的實時監(jiān)測。

走行部安全檢測子系統(tǒng)同時監(jiān)測振動、沖擊和溫度3個物理量，在線實時監(jiān)測車輛走行部（軸承、踏面）與軌道狀態(tài)，重大故障及時向行車指揮中心告警，保障行車安全，另外對狀態(tài)數據進行統(tǒng)計分析，形成專家維護指導建議。其中復合傳感器和三坐標振動傳感器每個軸箱各安裝1個，其通過振動敏感元件獲取振動加速度樣本，另外通過溫度傳感器采集軸箱溫度作為輔助參數。

3 車輛專家診斷系統(tǒng)應用

車輛專家診斷系統(tǒng)面向技術人員、調度人員、檢修人員等不同角色人員時，其功能和定位有所區(qū)別。面向技術人員主要提供數據管理和分析功能，通過對數據的分析挖掘，實現對列車故障規(guī)律的總結和故障隱患的預測。面向調度人員主要提供列車實時狀態(tài)和故障監(jiān)測，為故障的應急處理提供建議。面向檢修人員主要提供車輛故障工單的自動推送，對故障的詳細描述和處置建議。南寧軌道交通5號線專家診斷系統(tǒng)應用由運行監(jiān)控、車輛子系統(tǒng)、整車分析、運營分析、故障管理等功能模塊組成，主要的典型功能如下：

3.1 運行監(jiān)控功能

運行監(jiān)控功能含線路監(jiān)控、狀態(tài)預覽、車輛監(jiān)控、HMI同屏等四個功能模塊，主要用于正線運營列車的狀態(tài)監(jiān)護，發(fā)生故障后，調度指揮人員可實時查看故障列車的狀態(tài)，及時上報故障情況，并對運營組織進行調整，主要具有以下功能：1）實現用于監(jiān)視列車運行線路圖、查看列車當前位置、運行方向、上線列車數、離線列車數、當前故障分級彈窗報警和聲光報警等信息；2）實現顯示任一列車的當前位置、速度、載客、能耗、載客量、當前網壓、當前網流、牽引制動狀態(tài)、門狀態(tài)、火警狀態(tài)、滅火器狀態(tài)等信息；3）實現電客車狀態(tài)及故障數據HMI同屏顯示；4）實現用于顯示所有列車當前各系統(tǒng)故障數量。

3.2 車輛子系統(tǒng)

子系統(tǒng)功能含空調（HVAC）、牽引（DCU）、輔助（SIV）、制動（BCU）、車門（EDCU）、煙火報警（FDS）、PIS、弓網、走行部等9個子系統(tǒng)，實現用于子系統(tǒng)的故障提示、子系統(tǒng)的實時參數顯示、子系統(tǒng)的主要部件的運行狀態(tài)顯示等，主要用于技術人員對系統(tǒng)狀態(tài)和故障數據進行統(tǒng)計分析，從而向維修人員提供指導性建議。

3.2.1 空調子系統(tǒng)

空調子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各個車廂的實時車內溫度、車外溫度、機組1能耗、機組2能耗及空調運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.2.2 牽引子系統(tǒng)

牽引子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的給定牽引/電制動力、本車實際電制動力、本車牽引力、本車電制動能力、電機溫度、逆變電流、中間電壓、中間電流、牽引運行狀態(tài)數據及電壓電流參數及統(tǒng)計故障信息。

3.2.3 輔助子系統(tǒng)

輔助子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的蓄電池溫度、電流/電壓等數據及輔助運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.2.4 制動子系統(tǒng)

制動子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的電制動能力、實際電制動力、制動風缸壓力、軸速及制動運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.2.5 車門子系統(tǒng)

車門子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的車門關好、車門鎖閉、車門隔離、車門緊急解鎖及車門運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.2.6 煙火報警子系統(tǒng)

煙火報警子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的感溫線纜、探測器等設備運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.2.7 PIS子系統(tǒng)

PIS子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的PACU、PECU、CCTV、NVR運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.2.8 弓網子系統(tǒng)

弓網子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢燃弧告警、溫度告警、受電弓羊角異常告警、拉出值超限、導高值超限告警及受電弓運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.2.9 走行部子系統(tǒng)

走行部子系統(tǒng)可根據用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的軸端溫度、軸端踏面及走行部運行狀態(tài)數據及統(tǒng)計故障信息。

3.3 整車分析功能

整車分析主要基于故障統(tǒng)計功能，對整個線路列車及列車各個關鍵子系統(tǒng)的可靠性指標（MTBF和MDBF）進行評價，便于技術人員對整線路及整車的運行趨勢做出評估，此外可作為電客車維修維護規(guī)程調整的參考依據。

3.4 運營分析功能

運營分析模塊含能耗分析、故障統(tǒng)計、里程統(tǒng)計等3個模塊。能耗分析實現整線路及單列車的月度能耗及年度能耗的統(tǒng)計分析，便于技術人員分析列車運行能耗的變化情況，及時制定節(jié)能降耗措施；故障統(tǒng)計實現對各車各子系統(tǒng)的故障統(tǒng)計報表展示，并進行同比和環(huán)比分析，便于技術人員及時了解列車關鍵部件的運行趨勢，及時發(fā)現共性隱患并提出具體檢查措施；里程統(tǒng)計實現含線路總里程、當月總里程、每列車當月里程等信息匯總及能耗趨勢圖。

3.5 故障管理功能

故障管理功能主要用于對列車當前故障和歷史故障列表的實時記錄、展示和查詢。故障列表中列明故障點、故障等級、故障時間、正線故障或是庫內故障，并且對故障原因及處置給出通用性的建議，便于檢修人員對故障做出迅速定位并修復。

4 結語

本文以南寧軌道交通5號線一期工程電客車為研究對象，研制了一套車輛專家診斷系統(tǒng)，如圖2所示，實現了通過該系統(tǒng)實時監(jiān)控電客車運行狀態(tài)及車輛故障上報，并對故障趨勢進行統(tǒng)計分析，極大的提高了故障處理效率，實時掌握電客車各系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)，為正線運營應急處置決策提供實時數據支持。

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