地鐵列車智能化預警系統的研究

任富爭， 李如石， 張紅星， 高興華

(中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心， 河北唐山 063035)

地鐵列車智能化預警系統在列車上安裝一套檢測數據采集設備，將列車運行過程中產生的各類信息并實時下傳地面，通過分析和處理可以提前預告即將出現的故障信息，最大限度地降低列車正線運營時發生故障或者清客事件的概率，提高乘客滿意度和軌道交通作為公共事業的社會效益。因此，地鐵列車智能化預警系統是一種向未來維修模式狀態修[2]行進的重要方式。在地面實時監視列車運行狀態，并將列車各子系統和關鍵設備在實際運行中各種參數收集后做融合處理再實時傳回地面，把各參數輸入與地面工作站中的相應數據模型分析比較，以得到列車各子系統和關鍵設備的健康狀態或異常狀態。地面軟件對異常的子系統或設備會顯示其異常的故障設備或故障項點信息，進而為列車實現狀態修提供數據支持的預警功能，減少地鐵列車正線運營過程中的故障發生次數，提高地鐵列車行車的安全性。具體內容如下：

(1)實現列車各子系統通過以太網收集數據功能，為對在途地鐵車輛的運行安全實時監視和故障預警提供數據分析的支持；

(2)根據地面軟件設計的數學模型理論對各子系統傳來的數據進行分析和數據挖掘，實現對列車發生故障的預警功能，為列車進行狀態修提供依據；

(3)根據上述得到的預警信息指示，向運營的地鐵車輛實時提供技術支持。

1 系統架構

系統設計原則：

(1)新增設備的采集數據信息分類傳回地面，以減少實時傳輸的數據量,降低成本；

(2)新增設備功能對列車只監不控，與原有列車控制網絡盡量少交集；

(3)新增各設備不影響列車內部的整體裝飾效果；

(4)新增各設備滿足車輛技術要求(可靠、穩定、舒適度和耐電磁干擾等)。

地鐵列車智能化預警系統是具備自愈能力的車載傳感網絡，以獲取在途列車的實時數據信息，主要由車載數據采集系統、車地數據傳輸系統和地面數據分析預警系統3部分構成，各子系統對應的整體架構如圖1所示。

地鐵列車智能化預警系統是基于列車安檢設備和列車關鍵設備在途故障診斷系統，能將子系統和設備參數及狀態信息的采集、抽取和融合，采用公網4G信號和地面波導管形式通過車地數據傳輸系統的通道將數據存儲在地面服務器，數據經隱患挖掘分析和評估預警整理后通過地面分析軟件展現出來，實現對地鐵列車狀態監視和故障預警。

2 系統功能

2.1 車載數據采集系統

車載數據采集系統主要由分布在各個車廂的車載以太網交換機、網絡智能控制單元、認證智能控制單元、子系統模塊及安裝在車體不同部位的傳感器等設備組成，通過每節車的以太網交換機相互連接。根據傳輸介質的不同分兩級：千兆網線的列車級和百兆網線的車輛級。車載設備的功能負責將地鐵列車及各子系統狀態參數的采集、處理、記錄、傳輸與轉發，信息打包后發送至網絡智能控制單元再到數據轉發模塊。

其主要設備具體功能如下：

圖1 系統整體框架

(1)認證智能控制單元：負責維護網絡管理，網絡設備終端接入認證，接入終端以太網地址配置等，是列車智能維護網的網管設備，其根據約定的網絡協議維護和管理網絡。網絡協議規定了各個終端的交換機連接接口、IP地址和MAC地址等配置信息，認證智能控制單元支持并保持網絡服務地址唯一功能，并實時監測交換機接口狀態和整個網絡的狀態，所有的終端設備在車載以太網絡上進行通信都要經過認證智能控制單元同意，在網絡安全方面有著重要作用。

(2)車載以太網交換機：本系統所用的交換機為二層網管型交換機，提供3個千兆以太網接口和9個百兆以太網接口，響應執行認證智能控制單元的管理控制要求。用于組建智能的列車和車輛級各個電子控制單元終端，是組建車載數據采集系統網絡的關鍵設備之一。

(3)網絡智能控制單元：支持動態非對稱密鑰加解密功能，主要負責將列車各子系統采集數據信息進行接收、整合并發送出給數據轉發模塊。

(4)子系統模塊：接受認證智能控制單元的管理，將本系統采集到的數據信息及時的發送給網絡智能控制單元。

車載數據采集系統的功能是數據采集并發送出去。車輛在運行時實時采集運行狀態和當前發生故障信息，在入庫時采集各子系統實現其預警功能所需要分析的基礎性數據信息，可區別為實時數據和非實時數據。實時數據包括列車狀態信息、關鍵子系統狀態和設備信息，如列車網壓、網流、速度、站點和時間，各車門狀態、各子系統通信狀態、牽引制動力值和列車操作模式，受電弓或受流器狀態，以及各客室溫度和當前故障信息等，使地面實時了解列車當前所處的模式和狀態情況。非實時數據主要包括走行部、車門、蓄電池和受電弓的采集數據，走行部采集數據包括軸箱、齒輪箱和電機軸承的溫度、沖擊和振動參數；車門系統主要采集各車門驅動電機的電流，旋轉角度和位置等參數；蓄電池主要采集溫度和電壓參數等；受電弓主要采集關鍵受力、弓網接觸壓力、弓網接觸區溫升和弓網燃弧信息等。

列車各子系統是分屬于不同廠家的產品，在數據采集后需要將不同子系統的數據通過同一個車載設備轉發出去，各子系統考慮到其數據的保密性，均有自己獨有的數據傳輸方式和分析軟件，不同廠家對自己在發送數據包的定義存在不統一性，以下設計出適用于各子系統進行數據傳輸的以太網數據包報文幀格式定義見圖2、圖3。

圖2 終端設備發送的數據包報文幀格式

圖3 網絡智能控制單元發送的數據包報文幀格式

以上兩種報文幀格式都可在以太網數據包發送中包含狀態數據、故障數據或基礎數據3種數據類型中的一個或若干個數據包的組合，只需通過業務編碼來區分，其中m和n的值要受數據傳輸通道帶寬的制約。該協議格式對于各子系統均適用，只需按照協議格式將數據填上，實際的數據內容不受該協議之約，也不用擔心被窺視到數據內容，具有很好的保密性，在各子系統之間推廣和做數據融合處理方面也比較簡便。

2.2 車地數據傳輸系統

車地數據傳輸系統主要由車載數據轉發模塊及天線和地面接收裝置及天線，以及AP機箱組成。車地之間的實時數據傳輸介質為電信移動通信4G信號網絡，庫內數據傳輸使用波導管天線接收，主要功能是負責將車載信息實時傳輸到地面系統，為狀態檢測、智能預警診斷和維護提供數據來源的通道服務。在列車入庫后采用數據傳輸方式為有線波導管天線接收裝置(安裝在軌旁[3])，保證其數據通信的質量、速度和可靠性，將列車上各系統采集的基礎數據傳到地面服務器并存儲，供數據深度挖掘分析使用。整個車地數據傳輸系統在數據發送方面采用存儲再轉發方式，確保數據傳輸報文包完整性且具有斷點續傳功能，保證各種數據能夠正確完整的傳輸到地面，為列車狀態修提供數據基礎。

2.3 地面數據分析預警系統

地面數據分析預警系統主要由數據服務器，工作站電腦以及與其相連接終端設備組成，是地面人員及時了解列車運營情況的窗口,與地面數據分析預警系統的地面設備有接口的系統框架如圖4所示。

(1)地面服務器主要功能是儲存車載數據采集系統發來的數據，將數據按列車狀態數據、故障數據和各子系統基礎數據分別儲存在相應的路徑下，服務器安裝有網絡防火墻和數據加密系統等措施保證數據安全性。

(2)工作站上安裝服務器的數據解析軟件和具有數據挖掘能力的子系統智能專家系統軟件，可將列車狀態和當前故障數據解析后發給地鐵維修中心在界面上呈現出來，便于實時監控列車運行狀態和故障；專家系統軟件對子系統基礎數據進行數據挖掘和深度挖掘，通過大數據融合算法、預警算法、隱患識別、隱患學習與訓練、隱患報警等技術實現列車和子系統的故障預警和報警，并將信息及時傳遞給地鐵維修中心和列車供應商售后中心的終端設備上。

(3)各個終端設備主要顯示工作站發來的信息，以界面形式呈現給地面人員。對于影響行車安全的故障進行報警，并給出可能原因和遠程指導意見；對列車和子系統的預警故障以列表形式供地鐵檢修人員和供應商技術人員參考，制定相應的維護計劃。

對各子系統供應商廠家，安裝在工作站的子系統智能專家系統軟件在數據挖掘時所用的模型及算法要滿足子系統設備狀態修的要求。子系統從單個專業角度完成數據挖掘，找出潛在隱患項點進行數理統計分析，剔除虛假的預警故障信息。一方面不斷完善本系統邏輯分析模型和算法，使對預警信息的判斷不斷趨于精確，評估設備健康狀態，另一方面把得到的預警信息反饋供應商本部，根據隱患項點有針對的分析故障潛在原因并改進產品設計和制作工藝，不斷提高產品可靠性。

通過地面數據分析預警系統的數據反饋的列車運行狀態與司機室HMI界面信息相同，地面人員可以實時了解列車行駛狀況和當前故障情況。對關鍵子系統的監視與預警功能會根據對列車運營安全和子系統正常運行狀態的影響程度，對預警信息進行具體分析和篩選分為列車級和子系統級預警，提供給車輛運營部門緊急故障處理建議，并及時反饋給列車車輛檢修部門和相關子系統供應商，有針對性的提前安排去處理列車可能要發生的預警故障，為列車運營調度及車輛段各專業車輛檢修提供基于數據支撐的輔助決策內容，配合車輛檢修方面的生產管理與業務流轉(以方便車輛狀態修實現)。也可通過手機終端APP發送列車故障和預警信息，及時提供給司機和車輛檢修人員使用，降低在運列車故障率，提高運營質量。

3 結束語

地面數據分析預警系統以數據智能處理與交互為支撐，不但可以遠程及時掌握運營列車的各項運行狀態，還能在地面對影響行車安全的關鍵系統與部件進行動態監控，能更加全面的掌控車輛運行狀態。根據所獲得的列車及其主要部件的數據進行綜合處理，對列車自身狀態進行評估，給出預警和報警信息，為列車關鍵裝備的定期維修周期內容提供可靠的評估依據，初步實現對地鐵列車的狀態修，對子系統供應商可不斷提供其產品的可靠性，對地鐵公司運營機維修維護時在節省人力成本的同時提高列車安全性。