劉克偉 高利華 王伊多 裴加富

(北京市地鐵運(yùn)營有限公司運(yùn)營二分公司,100043,北京∥第一作者,高級工程師)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展,城市軌道交通面臨的運(yùn)營壓力越來越大,因此對設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性要求越來越高。車輛為城市軌道交通的核心裝備之一,傳統(tǒng)的列車回庫檢查模式已無法滿足高效、安全運(yùn)營對車輛的需求。近幾年開通的全自動無人駕駛線路,已分別在場段基地和控制中心配置了完善的車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)和車輛調(diào)度系統(tǒng),能夠很好地滿足全自動運(yùn)行車輛的日常檢修維護(hù)和高效運(yùn)營調(diào)度的要求。但對于開通較早且沒有配置車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)或車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)的線路,車輛的維護(hù)和故障信息主要是在車輛司機(jī)室的顯示屏上顯示的,車輛檢修人員無法對車輛運(yùn)行和運(yùn)營情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,也無法有效地進(jìn)行車輛的預(yù)防維修。車輛出現(xiàn)故障時,只能等列車回庫后由檢修人員登車查看報(bào)警記錄或手動拷取車輛運(yùn)行日志進(jìn)行人工分析,故障診斷和修復(fù)時間都比較長。而對于控制中心的運(yùn)營指揮人員,也無法實(shí)時掌握車輛設(shè)備的運(yùn)行情況,只能被動接收司機(jī)的故障上報(bào),當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時,無法準(zhǔn)確高效地進(jìn)行應(yīng)急指揮和運(yùn)營調(diào)整決策。顯然,這種情況已無法滿足城市軌道交通車輛高效維護(hù)和高效運(yùn)營調(diào)度的需求。因此,針對既有線路車輛,有必要研究和實(shí)施針對車輛關(guān)鍵信息的在線監(jiān)測和智能維護(hù)方案,為城市軌道交通運(yùn)營單位的維護(hù)決策和運(yùn)營指揮等提供更科學(xué)、更有效的支持。

車輛在線監(jiān)測和智能運(yùn)維的實(shí)現(xiàn),必須建立在穩(wěn)定可靠的車地通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上。目前常規(guī)的做法是使用民用公網(wǎng)或搭建新的傳輸網(wǎng)絡(luò)。但使用民用公網(wǎng)存在著數(shù)據(jù)安全性差、無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不穩(wěn)定等問題;而搭建全新的傳輸網(wǎng)絡(luò)則存在著成本過大、需要在運(yùn)營線路上大量施工等問題,實(shí)施難度較大。

本文提出一種基于DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))專用網(wǎng)絡(luò)的車輛數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸落地方案,實(shí)現(xiàn)運(yùn)營車輛關(guān)鍵設(shè)備和運(yùn)行信息的實(shí)時在線監(jiān)測,并在此基礎(chǔ)上采用智能化分析和智能維護(hù)決策相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛智能維護(hù)功能,能夠有效滿足既有線路車輛在線監(jiān)測和智能維護(hù)的要求。

1 車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其影響分析

基于上述現(xiàn)狀和需求,設(shè)計(jì)的車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)利用車輛-ATC(列車自動控制)-ATS(列車自動監(jiān)控)的既有數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)容和落地,同時在地面設(shè)置獨(dú)立的車輛在線監(jiān)測及智能分析相關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)車輛在線監(jiān)測及智能維護(hù)相關(guān)功能。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)置一套主備冗余的車輛在線監(jiān)測服務(wù)器,一方面負(fù)責(zé)與ATS子系統(tǒng)接口,實(shí)時獲取車輛數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,另一方面負(fù)責(zé)車輛數(shù)據(jù)智能分析并提供智能維護(hù)相關(guān)功能。同時,根據(jù)需要設(shè)置車輛監(jiān)控終端,為調(diào)度人員和維護(hù)人員提供調(diào)度和維護(hù)決策支持;與ATS子系統(tǒng)有接口時,需設(shè)置防火墻,以保證數(shù)據(jù)接口的安全可靠性,避免對既有系統(tǒng)產(chǎn)生影響。車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 功能架構(gòu)

由于車輛落地的數(shù)據(jù)量大且部分線路車輛數(shù)量較多,因此車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)采用了支持大規(guī)模實(shí)時數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)控軟件平臺,可滿足高實(shí)時性、高可靠性和穩(wěn)定性要求,該軟件平臺由數(shù)據(jù)采集層、后臺服務(wù)層和前端顯示層組成,如圖2所示。

圖2 車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)功能架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層提供接口采集框架,包括主備冗余機(jī)制、協(xié)議驅(qū)動、數(shù)據(jù)解析、主備數(shù)據(jù)同步等,支持多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的接入和擴(kuò)展。由于車輛維護(hù)數(shù)據(jù)量大,且實(shí)時性要求也較高,因此數(shù)據(jù)接口采集層框架采用負(fù)載均衡策略:主模塊收到數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)處理分發(fā)到不同的處理模塊,從而確保數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性。后臺服務(wù)層引入綜合監(jiān)控實(shí)時庫及其成熟的雙機(jī)熱備、數(shù)據(jù)訂閱、數(shù)據(jù)存儲等核心功能模塊。同時引入高并發(fā)計(jì)算引擎、故障智能分析服務(wù),實(shí)現(xiàn)車輛智能維護(hù)的相關(guān)功能。前端顯示層主要提供面向運(yùn)營和維護(hù)人員的車輛狀態(tài)監(jiān)測及智能維護(hù)相關(guān)功能,包括狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測、報(bào)警管理、趨勢及報(bào)表、智能維護(hù)指導(dǎo)、運(yùn)營輔助決等[1]。

1.3 車輛數(shù)據(jù)傳輸方式

車輛TCMS與信號車載子系統(tǒng)存在實(shí)時數(shù)據(jù)通道,而信號車載子系統(tǒng)與地面ATS子系統(tǒng)也存在實(shí)時數(shù)據(jù)通道。經(jīng)充分測試和評估,在確保對既有系統(tǒng)不產(chǎn)生影響的情況下,采用在這兩個既有數(shù)據(jù)傳輸通道的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)擴(kuò)容,將更多的車輛實(shí)時運(yùn)行和關(guān)鍵故障數(shù)據(jù)發(fā)送給地面的ATS子系統(tǒng),再由地面ATS子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)給車輛在線監(jiān)測系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)了車輛數(shù)據(jù)實(shí)時、安全、可靠落地[2]。

1) 車輛TCMS數(shù)據(jù)采集:通過與車輛其他設(shè)備間的接口以及自身的采集點(diǎn)位,采集匯總車輛工況信息,根據(jù)在線監(jiān)測及智能維護(hù)需求調(diào)整需要監(jiān)控的信息,以確保滿足用戶日常維護(hù)以及后續(xù)故障預(yù)警的功能需求。

2) 車輛TCMS與車載信號子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互:車輛TCMS與車載信號子系統(tǒng)間通過RS485總線或MVB(多功能車輛總線)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。根據(jù)用戶需求可對既有的接口協(xié)議進(jìn)行調(diào)整,將用戶需要增加的車輛工況信息擴(kuò)展補(bǔ)充到協(xié)議內(nèi),由車輛TCMS按照協(xié)議要求將信息發(fā)送給車載信號系統(tǒng)[3]。

3) 信號系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互:車載信號子系統(tǒng)將車輛TCMS發(fā)過來的實(shí)時數(shù)據(jù)信息發(fā)送至ATS子系統(tǒng),再由ATS子系統(tǒng)將信息發(fā)送到車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器。另外,為了更好地對列車運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,同時對運(yùn)行故障進(jìn)行智能化判斷,也建議ATS子系統(tǒng)將車載CC數(shù)據(jù)以及ATS子系統(tǒng)掌握的列車運(yùn)行信息一并發(fā)送給車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器。

1.4 對既有系統(tǒng)的影響分析

通過對多條既有線路的應(yīng)用分析評估發(fā)現(xiàn),目前通過車載信號子系統(tǒng)落地的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)一般在200 B左右,每3 s發(fā)送一次數(shù)據(jù),發(fā)送數(shù)據(jù)量非常小,存在較大的擴(kuò)容空間。

車地?zé)o線鏈路的理論帶寬為6 Mibit/s,信號系統(tǒng)車地?zé)o線實(shí)際數(shù)據(jù)量為25～30 Kibit/s。按照全自動無人駕駛項(xiàng)目車輛智能運(yùn)維建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn),要實(shí)現(xiàn)相對比較完整的車輛在線監(jiān)測和智能維護(hù),預(yù)計(jì)需要的數(shù)據(jù)為2 048 B。按這個數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?車地?zé)o線流量占用峰值會增加16 Kibit/s。加上既有信號系統(tǒng)占用的帶寬,也遠(yuǎn)小于理論帶寬6 Mibit/s,因此對既有業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸不會產(chǎn)生影響。

所設(shè)計(jì)的車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)也在北京某線路進(jìn)行了實(shí)際測試驗(yàn)證,測試結(jié)果表明:車地?zé)o線通信在增加車輛數(shù)據(jù)落地的情況下,其吞吐率、時延、丟包等參數(shù)都滿足要求,不影響既有車地業(yè)務(wù)功能。

2 車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 前端邏輯分析技術(shù)

該系統(tǒng)在顯示設(shè)計(jì)上采用了由粗到細(xì)的展示方案,首先是全線車輛監(jiān)測概覽界面,然后是單獨(dú)一輛車的監(jiān)測概覽界面,最后是具體的專業(yè)系統(tǒng)界面。對于概覽界面的顯示,需要做大量的匯總計(jì)算,如實(shí)時統(tǒng)計(jì)該車當(dāng)前有幾個牽引逆變器出現(xiàn)故障、當(dāng)前車輛是否存在嚴(yán)重故障等。這些指標(biāo)的計(jì)算具有一定的特殊性,而且不同線路顯示要求也有所區(qū)別。所以在界面顯示邏輯實(shí)現(xiàn)時,一方面需要考慮計(jì)算的規(guī)模,另外一方面需要考慮可配置的能力。

研發(fā)了基于MapReduce編程模型原理的分布式計(jì)算引擎服務(wù),每輛車上運(yùn)行一個獨(dú)立的計(jì)算引擎服務(wù)。對于每個統(tǒng)計(jì)指標(biāo),采用邏輯計(jì)算表達(dá)式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)指標(biāo)建模,使用加減乘除以及邏輯與或非等運(yùn)算符建立數(shù)據(jù)間的計(jì)算關(guān)系。

該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時,根據(jù)車輛數(shù)量啟動相應(yīng)數(shù)量的計(jì)算引擎,每個計(jì)算引擎獨(dú)立加載一輛車的邏輯計(jì)算表達(dá)式并根據(jù)邏輯表達(dá)式參數(shù)的變化驅(qū)動實(shí)時計(jì)算,計(jì)算后輸出結(jié)果至實(shí)時庫供監(jiān)控終端訂閱。分布式計(jì)算引擎服務(wù)驅(qū)動邏輯如圖3所示。

2.2 智能故障定位技術(shù)

由于車輛本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組成部件繁多、發(fā)生故障的類型也很多,各種突發(fā)故障、交叉故障、組合故障占了很大比例。同一故障引發(fā)的原因也多種多樣,人工定位故障難度很大。該系統(tǒng)采用了基于多叉樹結(jié)構(gòu)的智能故障定位技術(shù),提高了故障的診斷和定位效率。該技術(shù)的故障定位流程如圖4所示。

1) 構(gòu)建故障案例庫。對故障案例進(jìn)行歸納總結(jié),把內(nèi)容相似、業(yè)務(wù)邏輯相近的案例歸納到同一類故障案例庫中。該系統(tǒng)通過初始化故障案例庫接口、計(jì)算故障執(zhí)行接口、車輛數(shù)據(jù)訂閱接口、注冊若干組件接口和若干故障狀態(tài)回調(diào)接口等調(diào)用不同類的故障案例庫。

2) 構(gòu)建并解析故障狀態(tài)表達(dá)式。①定義參與計(jì)算的節(jié)點(diǎn)。每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個點(diǎn)名稱,并配置節(jié)點(diǎn)類型,節(jié)點(diǎn)共有3種類型:運(yùn)算符、常數(shù)和需要參與計(jì)算的內(nèi)存點(diǎn)。②解析故障狀態(tài)表達(dá)式。利用遞歸的方式和多叉樹結(jié)構(gòu)算法,將表達(dá)式劃分為多叉樹的頂節(jié)點(diǎn)、左子樹和右子樹。③根據(jù)解析得到的頂節(jié)點(diǎn)、左子樹和右子樹,得出故障狀態(tài)表達(dá)式。當(dāng)故障狀態(tài)表達(dá)式計(jì)算結(jié)果為1時,說明故障信號出現(xiàn);當(dāng)故障狀態(tài)表達(dá)式計(jì)算結(jié)果為0時,說明故障信號未出現(xiàn)或設(shè)備已由故障轉(zhuǎn)為正常。

3) 定位故障。①確認(rèn)故障狀態(tài)。在一定時間內(nèi)(可配置),如果故障狀態(tài)表達(dá)式計(jì)算結(jié)果一直為1,則說明該故障確切不是由信號擾動產(chǎn)生的,該系統(tǒng)開始觸發(fā)故障定位分析;在這段時間內(nèi),如果故障狀態(tài)表達(dá)式計(jì)算結(jié)果為0,則說明該故障可能是由信號擾動產(chǎn)生的,該系統(tǒng)不觸發(fā)故障定位分析。②利用遞歸式定位故障。如果節(jié)點(diǎn)包含子節(jié)點(diǎn),則對其中子節(jié)點(diǎn)表示的故障進(jìn)行定位;如果節(jié)點(diǎn)不包含子節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)則為故障定位點(diǎn),從節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)名稱可以分析出故障原因[4-5]。

3 結(jié)語

車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)已通過功能驗(yàn)證,并開始現(xiàn)場運(yùn)行。該系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1) 實(shí)時性:從車輛數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收到故障分析結(jié)果顯示可在3 s內(nèi)完成,使車輛維護(hù)人員能在第一時間掌握車輛實(shí)時狀態(tài)信息及故障情況。

2) 經(jīng)濟(jì)性:該系統(tǒng)可對線路上所有車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測,提高了車輛維護(hù)和故障處理的效率,能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3) 故障定位及處置效率:該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障智能定位功能,可為車輛維護(hù)人員最終確認(rèn)故障點(diǎn)位及處置方式提供判斷依據(jù),能夠有效壓縮故障定位和處置延時。

4) 輔助調(diào)度決策:該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障情況的實(shí)時分析和統(tǒng)計(jì),可為調(diào)度決策提供有力的數(shù)據(jù)支持,能更好地輔助調(diào)度的運(yùn)營調(diào)整決策。

車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)總體上提升了車輛維護(hù)及運(yùn)營指揮效率。目前該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且信息準(zhǔn)確,解決了既有線路車輛系統(tǒng)維護(hù)困難的問題。