城軌列車安全監測系統方案設計

■ 劉 峰 申宇燕 盧萬平 延九磊

城軌列車安全監測系統方案設計

■ 劉 峰 申宇燕 盧萬平 延九磊

在分析我國當前城軌列車安全監測現狀的基礎上，通過系統性、安全性、經濟性、融合性、擴展性、可靠性等設計原則，以及提升安全監測系統可靠性的有效手段，以實際設計案例闡述城軌列車安全監測系統應具備的基本監測功能和獨立的智能監測單元。設計方案中，在城軌列車上建立包含制動、走行、防火、視頻等監測功能的綜合性平臺，對城軌列車進行實時在線綜合診斷，并通過車地無線通信將運行數據實時傳輸到地面，最終通過地面專家系統自動化地實現數據的下載、存儲、分析、挖掘與診斷。

城軌列車；安全監測系統；可靠性；地面專家系統

近年來隨著公共交通對高效、便捷、安全等需求日益增強，我國城市軌道交通建設得到了迅猛發展，城軌已成為人們日常選擇的重要出行方式，其具有“大運量、高密度、間隔短”的行車特點，容易導致交通事故的發生，因此需對影響城軌運行安全的事項進行重點防范。

1 城軌列車簡介

根據國際標準，城市軌道交通列車可分為A、B、C 3種型號，分別對應3 m、2．8 m、2．6 m的列車寬度，最大載客數量分別為310、240、210人。選用A型或B型列車的軌道交通線路稱為地鐵；采用5～8節編組列車，選用C型列車的軌道交通線路稱為輕軌。

列車的車型和編組決定了車軸質量和站臺長度，我國城市軌道交通車輛以A、B型為主，通常采用6節編組，編組依據線路不同可分為4動2拖、3動3拖等。城軌列車典型的4動2拖編組形式見圖1，是Tc+Mp+M+M+Mp+Tc的編組形式（Tc為帶司機室的拖車，Mp為帶受電弓的動車，M為不帶受電弓的動車）。

2 城軌列車安全監測現狀

目前，我國城軌列車因保障運行安全的需要，配備了大量具備單一監測功能的獨立安全監測設備，監測設備有制動、走行部、防火、視頻等幾種類型[1-4]。其中制動監測，國內應用較多的為克諾爾公司生產的EP2002型空氣制動系統和NABTESCO公司生產的HRA型空氣制動系統；走行部僅實現了對電機溫度的監測，且部分線路采用溫度貼片的方法進行人工檢查，而比較關鍵的走行部軸箱和軸承卻未引入實時監測；部分城軌車輛安裝了防火監測系統，主要是在電氣柜安裝煙感探頭，司機室和客室安裝溫感探頭；大部分城軌車輛安裝了視頻采集系統，其圖像采集范圍主要包括左右后視、司機室和客室等；個別線路還對受電弓、輪對幾何尺寸等內容進行了研究性的監測，并未得到廣泛應用。現有城軌列車安全監測設備見圖2。

圖1 城軌列車典型的4動2拖編組形式

上述每種監測設備只針對城軌列車的一個方面進行監測，多種獨立的監測設備各自具備界面顯示、語音報警、數據存儲等功能，導致行車過程中司機關注的內容太多、且操作復雜，分散了司機的注意力，給正常行車帶來了不良影響。同時上述各種監測設備存在著標準、功能、安裝、人機界面、維護管理等方面不統一，監測內容不全面，相互之間缺少信息交互，綜合診斷以及聯動困難等缺點，難以納入規范化管理和信息處理網絡。

同時，由于缺乏統一的城軌列車車載安全監測平臺及與之相配套的地面數據分析中心，無法從大量的車輛運行信息中深入挖掘出有用的信息來指導維修和設備的管理。隨著數據庫技術和網絡技術的發展，開展包括車載系統和地面系統的城軌列車安全監測統一平臺的研究工作勢在必行。

3 安全監測系統設計原則

通過考察運營的實際需求，城軌列車運行過程中關系到列車安全運行的主要集中在以下方面：核心空氣制動系統工作狀態如何，是否有異常制動、緩解作用不良等故障發生；城軌列車走行部的動態性能如何，軸溫監測是否工作正常，是否有軸承超溫、輪對踏面擦傷等故障；電器設備短路、易燃易爆物品及吸煙等人為造成的火災；車門故障、司機誤操作、旅客夾傷擠傷等造成的安全事故。

圖2 現有城軌列車安全監測設備

基于上述問題，如何運用技術手段體系化地解決城軌列車運行安全問題，已經成為運用部門的關注重點。作為系統化的安全監測系統，城軌列車安全監測系統（簡稱系統）的設計應遵循以下原則。

3.1 系統性

系統應該按照機械系統、電器系統、信息系統、人機交互系統進行層次劃分，各個層次之間統一考慮供電要求、系統時鐘要求、空間信息的一致性要求、信息層面的統一存儲與下載，遵循系統性的設計原則。

系統應由車載系統和地面系統組成。車載系統包括列車傳感網絡、列車級故障診斷以及車地數據傳輸模塊；地面系統作為地面數據中心，負責故障診斷、隱患挖掘和安全應急等。

3.2 安全性

安全性設計是指城軌列車安全監測系統本身在各個層面的各種狀況都不能影響列車的正常運行。作為保障列車安全運行的安全監測設備，系統的安全性設計應通過各種設計的冗余架構故障導向安全來實現，設計過程充分考慮滿足以下2點：（1）系統本身的故障不影響列車的正常運行；（2）系統本身的故障應具備診斷、在線監測與安全冗余的功能。

3.3 經濟性

通過利用智能傳感技術、通信技術和信息融合技術，對城軌列車的制動、防火、走行部和視頻信息等進行動態監測與監控，數據集中，信息共享，綜合分析，提前預警，為城軌列車的在途運行提供安全監控，減少行車事故的發生；為城軌列車地面檢修提供安全防范支持，合理指導檢修計劃和檢修作業的安排，降低維修成本。

城軌列車車載監控裝置及網絡系統的研發和應用，能改善城軌列車運輸生產的安全性，降低維修成本，具有明顯的經濟效益和社會效益。

3.4 融合性

應在設計之初就把系統融合設計作為設計的原則之一來指導后續工作，如走行部的振動性能與軸溫監測的熱學性能是有事件發生的時間順序關系的；而通過視頻監測與火災監測相融合，將火災報警界面與視頻監測界面聯動，可實現危險情況的直接預警，為城軌司機提供第一時間的報警與確認信息。

通過融合機械系統的走行部工作狀態，熱學系統的軸溫狀態及火災狀態，光學系統的圖像視頻等，將上述多學科系統在相同的時空坐標基準上，通過統一的平臺管理來實現不同子系統的協同與融合。

3.5 擴展性

系統應能實現功能擴展和擴容升級，通過采用開放的架構，支持將來智能業務的擴展，實現諸如事件報警、人數統計、人臉識別等應用。各監測子系統應采用模塊化結構，以便提供系統的后期維護和擴容升級的條件，輕松應對今后因應用環境和管理要求變化帶來的新需求。

3.6 可靠性

可靠性工程[5]是以產品的可靠性為主要研究對象的一門新興學科，涵蓋了基礎科學、技術科學和管理科學許多領域。近年來，世界各發達國家已把可靠性工程和全面質量管理緊密結合起來，大幅提高了產品在生命周期內的可靠性水平，并帶來了巨大的經濟效益。

系統的可靠性工程是為了達到產品可靠性要求而進行的有關設計、管理、試驗和制造等一系列工作的總和，它與產品整個生命周期內的全部可靠性活動有關。可靠性設計分析是可靠性工程的基礎；可靠性管理是開展可靠性設計的技術管理保證和組織結構保證；設計制造出的產品最終需要可靠性試驗（包括實際運用考核）來驗證。

4 提升系統可靠性的手段

4.1 制造生產實行RAMS管理

在國標GB/T 21562《軌道交通 可靠性、可用性、可維護性和安全性規范及示例》中，對軌道交通行業的產品不同生命周期階段的可靠性、可用性、可維護性、安全性（RAMS）管理給出了明確的要求。城軌列車安全監測系統的RAMS管理[6]應借鑒該標準來實施，具體需做到以下幾點：

（1）建立健全系統RAMS指標體系。只有建立了統一的RAMS指標定義、建模要求、指標分配要求等，尤其是明確對故障的定義后，建立統一的RAMS指標體系，才能滿足行業內的采購、交流需求。

（2）把RAMS管理作為一項系統工程。從組織結構上看，RAMS工作涉及設計部門、制造商、協作工廠和運營單位等；從企業內外部來看，涉及到設計、生產、原材料供應、儀表測試，乃至人事、行政等各部門；從技術上看，涉及到很多不同的技術領域和范疇；從時間順序來看，包括論證、設計、制造、試驗、運輸、儲存、安裝、使用和維修等各階段；從產品形成來看，包括原材料、元器件、零部件到設備、系統的各環節；從內容上看，包括設備、標準、技術、教育和管理等各方面。在系統生命周期內，RAMS活動是一個整體，需全面規劃，統籌安排，相互協調，各盡其職，要求制造商與用戶、企業不同技術部門、主機廠與協作廠等協同努力。

（3）強調人為因素。RAMS的各項活動必須得到各級領導的重視，還需要企業全體人員協調配合。要加強RAMS培訓，使得每個項目都有足夠的人力資源支撐RAMS工作的開展。

（4）重視RAMS評估。RAMS評估以信息為依據，應加強信息管理，確保信息獲得的及時性、真實性、完整性和連續性。另外，還要重視RAMS的動態過程，并進行全過程跟蹤。

4.2 數據管理采用地面數據分析系統

數據管理貫穿了城軌列車的設計、生產、運用、維修，直至報廢等生命周期各個階段，具體包含以下內容：

（1）建設城軌列車的地面數據分析系統以及地鐵總公司的大數據中心與云計算體系；

（2）建設城軌列車的健康管理系統、虛擬維修系統，以及手持作業終端。

（3）多個應用系統采用統一的編碼體系，建立統一的時空基準，多個系統之間的數據流無縫鏈接。

以健康管理系統為例，輸入基礎庫中的物料編碼，可直接從履歷庫中索引到該物料的生產廠家、生產批次、裝配信息，從安全系統中索引到該物料的歷史故障、維修記錄等，并基于全路對該部件的大數據統計結果，對其維護周期和使用生命進行預測，有效防范安全風險的發生。基于大數據的統計結果還可反饋給部件的生產企業，幫助其在生產設計環節進行改進，進而使城軌列車整個鏈條的可靠性形成一個良性循環。

4.3 運用維護采用計劃預防修體制

計劃預防修體制要求裝備及其零部件在即將磨損到限或損壞之前，要及時更換、修理，將維修工作做在故障發生之前，因此對于城軌列車設備的可靠性管理及預測顯得尤為重要。

設備從投入運行到生命終止，其故障率通常符合浴盆曲線的規律，即在投入運行的初期，設備故障率會經歷一個從高至底逐步下降的過程，而后進入一個平臺期，此期間設備運行相對平穩，各項功能穩定可靠地發揮作用，當設備接近其生命終止時，其故障率會逐步升高，此時對該設備的運用維護成本將大幅增加，設備的安全性也隨之降低。掌握設備的生命曲線，在合適的時機進行預防性維修和更換，將有助于提高經濟效益和安全性。

5 系統設計案例

城軌列車安全監測系統的系統性、安全性、經濟性、融合性、擴展性以及可靠性等設計原則，決定了一個完整的系統應具備基本的監測功能和獨立的智能監測單元。以下對一個實際的城軌列車安全監測系統設計方案進行闡述。該系統由司機室監控屏、司機室監測主機、客室監測主機、監測傳感器和天線組成，通過車廂網、列車網、車地通信網形成多角度、全方位的綜合性網絡監控系統，同時與之配套的地面專家系統可完成對城軌車輛安全監測設備運行全過程數據的下載、轉儲和分析等。

5.1 智能監測單元

系統應具備以下基本的智能監測單元（見圖3）。

（1）制動監測：重點診斷異常制動、異常緩解、停放制動異常施加等故障，以降低制動系統事故發生。

（2）走行部監測：重點檢測走行部軸承和踏面的早期故障，以降低走行部故障發生。

（3）視頻監測：采集和記錄路況圖像，乘務員可通過顯示屏觀察車后視以及車內相關區域實時視頻圖像。

（4）防火監測：對司機室、客室和電氣柜火災煙霧及高溫進行監測，便于火災早期發現及處理。

（5）擴展監測：能根據線路及車型不同的需要可動態增加額外監測項點。

系統通過結構化、模塊化的設計，以中央處理平臺為核心，將城軌列車各個獨立的監測模塊的功能和信息集成到相互關聯、統一協調的系統之中，便于實現集中、高效、便利的維護和管理。系統對數據組織結構和傳輸形式進行統一規范，建立對運行數據統一收集、組織、存儲、傳輸、分析、查詢的綜合監測診斷系統，為實現各監測項點信息的整合提供技術保障。各智能監測單元在實際城軌列車的部署見圖4。

圖3 系統的智能監測單元

5.2 層級架構

系統的層級架構見圖5。

（1）數據采集層：本層通過車載系統實現，包括列車安全監測和線路安全監測，其中列車安全監測數據采集主要用于采集城軌列車的走行系統、動力系統、制動系統、輔助系統以及安防與乘客異動等數據信息。

（2）數據傳輸層：本層通過車載系統的車地傳輸模塊來實現，由生產網和辦公網組成，分別用于傳輸不同權限的數據。

（3）數據層：本層為核心模塊，是建立車載系統和地面系統的橋梁。其中實時數據庫用于存儲列車監測數據、列車故障數據和客流檢測數據等信息；故障特征數據庫用于存儲列車發生故障時刻的故障特征數據，安全保障應急預案的臨時數據等；基礎數據庫用于存儲一些基礎的數據、系統數據以及維修計劃等。

（4）業務應用層：本層為地面數據中心的主要功能，包括列車關鍵設備在途故障檢測，列車在途隱患挖掘與評估預警，路網運行安全應急等。

（5）展示層：本層為地面數據中心的表達層面，可通過地面專家系統進行展示。

5.3 信息傳輸機制

系統信息傳輸機制如下：在列車兩端司機室設置信息顯示終端，每個車廂設置監測主機，在各個監測項點設置傳感器。監測主機實時監測列車制動、走行部和防火的運行狀態，并對列車路況、左右后視、司機室進行實時視頻監控，將監測內容及報警信息進行分類存儲，并通過信息顯示終端實時顯示。在始發站和終點站地面布置WLAN無線覆蓋，地面服務器實現對到站車輛運行數據的自動下載及轉儲。在運用段設置數據分析服務器，通過地面分析軟件對過程數據和故障信息進行分析和處理，生成故障報表及數據分析圖表等。信息傳輸機制架構見圖6。

圖4 智能監測單元部署示意圖

圖5 系統層級架構

系統對列車運行過程中出現的異常情況進行實時有效的監控，對異常情況發生的具體部件進行精確定位，對運行過程中超出正常控制指標的數值進行診斷和報警，并將診斷結果第一時間內傳送至司機室信息顯示終端，確保城軌列車運轉的安全高效。通過地面數據庫與專家系統（簡稱地面專家系統）對運行數據進行分析，為城軌車輛檢測人員提供檢修依據。

圖6 信息傳輸機制架構

5.4 地面專家系統

地面專家系統是城軌列車安全監測系統的組成之一。車載實時監測系統將記錄的診斷事件報告和大量過程數據通過WLAN下載到地面專家系統后，地面專家系統對下載的數據進行存儲、查詢回放、故障確認、事件分析和統計分析，可對列車運行過程中所發生的各種事件進行詳細了解，以數據為佐證，為城軌車輛故障報警事件的定量分析提供有力依據。

地面專家系統將根據歷史數據、故障案例等先驗知識，將單車數據進行自身歷史數據縱向對比、多車之間同工況橫向比較、多子系統關聯綜合判斷以及概率統計與方法，進行智能推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以解決那些需要人類專家處理的復雜問題。

地面專家系統可完成系統運行全過程數據的下載、轉儲和分析，并進行多系統關聯數據挖掘分析，從多角度、多維度全方位展示關鍵部件的運行數據與曲線，對車輛運行狀態及報警進行科學有效的定量分析[7]。地面專家系統功能架構見圖7。

圖7 地面專家系統功能架構

地面專家系統可完成以下功能：

（1）運行數據展示：提供過程數據展示的用戶接口，并按照時間軸縱向對比，監測子系統橫向對比，車廂間疊加等多角度、多維度對數據進行展示。

（2）報警及狀態評估：對制動、轉向架、防火及視頻等系統實現基于運行全過程數據融合分析，對車輛報警事件進行科學有效的定量分析。通過建立專家系統經驗知識庫，對每次下載的數據經過對比分析，在海量現場應用案例中，提取規律性的應用規則，形成在決策和檢修環節的閉環鏈路，自動生成故障檢修通知單并提供檢修意見。

（3）派工維修處理：針對不同程度的報警信息，通過智能決策系統，對其定義、定位、解析、關聯描述及觸發規則進行專家分析，對分析結果最終落實到具體的派工及維修指導意見上，目標明確，層次清晰。可由系統根據規則庫自動生成派工單或由管理人員生成手動派工單。

（4）月度統計分析：對系統中數據、報警、下載情況、維護情況整合匯總，自動化生成評估報表。

6 結束語

城軌列車安全監測系統的設計應遵循系統性、安全、經濟性、融合性、擴展性、可靠性等設計原則。基于上述設計原則，通過實際設計案例闡述系統應具備的基本監測功能和獨立的智能監測單元。系統在城軌列車上建立安全監控的綜合性統一平臺，對既有的運用安全監控系統進行融合，并為將來擴展新的監控系統預留空間；利用綜合平臺的優勢，對城軌列車進行安全狀態的綜合診斷；通過車地無線通信實現遠程監控查詢、信息共享等；同時基于數據庫技術和網絡技術建立綜合信息管理分析平臺，可自動化地實現數據的下載、存儲、處理和分析，對城軌車輛的調試和檢修具有指導性的作用。

研制具有監測功能全面、高度模塊化、擴展性強等特點的城軌列車綜合安全監測車載系統，以及可自動化實現數據下載、存儲、處理和分析挖掘的地面系統，在運行中實時監測城軌車輛的當前狀態，確保城軌車輛的行駛安全，能提高城軌運輸生產的安全性，顯著提高城軌車輛維修的可靠性和經濟性。隨著工業4．0大數據時代的到來，未來如何開展從大量運行數據中挖掘出有用的車輛運行信息來指導維修和設備的管理維護，對城軌列車安全監測的發展有著至關重要的意義。

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劉 峰：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，研究員，北京，100081

申宇燕：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，副研究員，北京，100081

盧萬平：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，工程師，北京，100081

延九磊：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，副研究員，北京，100081

責任編輯 盧敏

U298

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1672-061X（2015）04-0063-07