基于車載數據的車輛狀態分析軟件功能與應用

李海英

(重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司，401122，重慶//工程師)

在城市軌道交通網絡化運營階段，保證運營安全是地鐵運營方的重點工作內容之一。目前，車輛運行狀態的分析主要基于車載數據的實時監測以及歷史數據的狀態分析，而業界普遍關注的是如何能夠快速、準確地檢索與定位車輛的運行狀態，以實現車輛狀態評估和故障預警。車輛運行狀態的實時監測和數據記錄功能為車輛狀態評估和故障預警提供數據支持。在車輛全壽命周期中，狀態數據監測的設計思路與車輛的設計和制造環節相反:后者是通過對車輛各部件的設計以達到車輛所需的運行性能，而前者則是通過對車輛運行性能的監控以研判列車各部件的性能和狀態。基于車載數據來分析列車關鍵參數或運行狀態，其現有的處理方法一方面是通過車輛信息設備進行數據信息的采集、處理與播報，另一方面是通過線下完成數據后處理。該方法主要針對車輛各專業領域的模塊設備或部分功能，很少涉及設備或模塊間運用狀態的分析，因此有必要開發能夠實現多功能信息查詢、故障定位乃至狀態分析與安全評估的基于車載數據的車輛狀態分析軟件。

1 軟件架構與功能

通過用VC 語言與Matlab 軟件混合編程，開發了基于車載數據的車輛狀態分析軟件。該分析軟件架構如圖1所示。結合某地鐵車輛車載數據的構成，軟件需實現以下幾大功能:

1)數據文件的讀取與解碼:車載數據文件一般以二進制形式保存(如.FIL 文件)，在進行數據文件讀取與解碼時需要按照相應的通信協議進行解碼處理。

2)參數識別與可視化處理:解碼后的數據需要根據對應的物理變量進行參數識別，同時通過調用嵌入的Matlab 函數實現曲線顯示與圖形繪制。

3)參數分析與報表生成:基于列車運用參數變化規律，完成狀態分析，通過綁定Excel 數據格式實現報表輸出。

圖1 基于車載數據的車輛狀態分析軟件架構

1.1 數據結構分析

現以某地鐵列車的車載數據為例進行分析。圖2 為某地鐵列車車載數據部分協議的定義。圖3 為應用UltraEdit 軟件打開的某地鐵列車車載數據FIL文件。對照數據協議可以看出，該數據結構的特點如下:

1)該車載數據通過UDP(用戶數據包協議)廣播方式進行數據傳輸，每200 ms 發送一次數據，組播 IP 地址統一為 239.0.0.144-239.0.0.145，組播端口為5 050(即每秒記錄5 個數據包);

2)數據包的起始數據為0x11，可作為數據解碼的識別信息，即作為一個完整記錄的開始點;

3)數據記錄連續存儲，每個記錄包含340 個字節數據。

圖2 某地鐵列車車載數據部分協議的定義

圖3 應用UltraEdit 軟件打開的部分車載數據文件

1.2 軟件功能模塊

1.2.1 狀態快速定位

可將根據數據解碼器生成的結構化數據分為3類:時間參數、列車局部參數和列車整體參數。其中:列車局部參數為對應編組內全部車輛中具有不同值的某一狀態數據，如軸速等，需通過車輛編號與狀態信息配合來指定某一參數;列車整體參數為描述整個編組列車的某一狀態的數據，可以表征該編組列車全部車輛的某一狀態，如牽引制動級位(該狀態信息為司控機發出的牽引/制動信號，因此每節車具有相同的數據)。另一方面，在進行狀態快速定位處理時，選定的參數經接口變量處理后調用Matlab 動態鏈接庫實現曲線繪制。輸入參數列表如表1所示。

表1 輸入參數列表

表 1 中:參數 x1、x2 和 y 是繪圖數據;index、num 和datalength 為附加數據，為繪圖提供附加信息;width、bgcolor 和 timetpye 為 3 個標量參數，用來設置繪圖的顯示效果。該繪圖方式借鑒了矢量量化技術的優點，可實現縮小放大調節功能。在繪圖函數中建立索引字典，以index 索引列表伴隨數據輸入函數，將數據一一對應到相應位置。盡管其軟件處理代碼復雜，但可有效改善數據傳輸量的大小。對于海量數據處理，這是一種高效的優化。

1.2.2 故障統計

故障統計模塊的功能首先是基于數據解碼進行結構化數據處理，然后綜合傳感器的采集信息及列車網絡信息，通過故障分離算法統計故障。在故障統計模塊UI(用戶界面)設計中，通過設置2 個選項卡，將故障劃分為VVVF(變壓變頻)設備故障和制動設備故障。故障統計模塊界面如圖4所示。

2 軟件測試與應用

2.1 軟件測試

軟件測試主要包括功能測試及可移植性測試，具體測試項目包括文件讀取模塊測試、報表生成模塊測試、圖形繪制模塊測試、軟件可移植性測試等。圖形繪制模塊測試中，通過軟件繪圖功能得到的以C1 型車VVVF 電網電壓變化為例的測試結果如圖5所示。

圖4 故障統計模塊界面

圖5 繪圖功能測試結果(以C1 型車電網網壓變化為例)

2.2 應用分析

圖6 為某地鐵列車車載數據分析結果。圖6 中局部參數選取一拖一動車輛的電制動指令值(高位有效)和制動缸壓力值，整體參數選取牽引制動級位和列車防滑參考速度。由圖6 可見，基于豐富的列車狀態信息的參數可視化實現，不僅可以分析列車運行狀態，掌握列車運營狀態，還可進行服役參數與算法分析研究等。

以相同的例子進行故障信息快速定位分析。導出并生成的圖7所示的故障狀態信息列表。

圖6 實例所示列車狀態信息分析

圖7 故障狀態信息列表

3 結語

通過VC 語言與Matlab 軟件混合編程，開發了基于車載數據的車輛狀態分析軟件。該軟件有利于進一步掌握列車運用規律與服役狀態，滿足了及時、準確、有效地對車輛運行數據進行監控管理與分析的需求;可實現運行時段內任意時刻的車輛運行狀態信息查詢，實現了車輛故障信息的快速查找和定位等。

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