基于無線通信的300T車載設備智能維護系統研究

齊 鶴

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

300T 列控車載設備是中國鐵路通信信號集團有限公司列車自動防護系統，從2009 年至今，已裝備了上千列高速動車組。

300T 列控車載設備自身存儲空間有限，對運行數據的記錄不夠充分。同時，由于300T 列控車載設備采用分布式設計方案，多個單元通過總線進行連接和通信，造成Log 數據下載及分析過程也較為繁瑣，需采用筆記本電腦+USB 轉串口數據線的方式對柜內各單元逐一進行下載，再由相關工作人員針對每個數據文件進行人工分析和總結。導致現場工作人員勞動強度大，故障分析處理及維護工作效率較低。

隨著國內高速鐵路的大規模發展，裝備300T 列控車載設備的高鐵列車數量越來越多，用戶對車載設備智能維護的需求也變得更加迫切。

2 數據類型

300T 列控車載設備需采集和存儲的數據包括：

1) ATPCU、C2CU、SDP、TSG、STU-V、BTM 等單元的AE-LOG 數據，包含上述單元運行過程中的故障語句和代碼，可用于初步分析判斷故障原因。存儲于各個單元的非易失性存儲器中，需通過專用的下載指令從各個單元的串口進行下載；

2) 速度信息，包括雷達RS-485 報文和脈沖數據，以及速度傳感器的脈沖數據。其中雷達RS-485報文數據包含瞬時速度、走行距離以及雷達運行狀態等信息，脈沖數據為雷達或速度傳感器輸出至車載設備的原始信息，車載設備根據脈沖頻率計算實時速度；

3) 供電電壓，供電電源引入的干擾會對整個車載設備的運行造成一定影響，因此記錄電源電壓會對車載設備的故障診斷起到一定的輔助作用；

4) 非接觸式I/O 采集，通過電流感應的方式監測緊急制動等關鍵信號，不會對系統運行造成任何影響；

5) JRU 數據，司法記錄單元（JRU）通過車載設備的Profibus 總線、MVB 總線以及數字量接口，記錄車載設備的運行數據，可與AE-LOG 結合分析故障；

6) TCR 數據，記錄了軌道電路讀取器（TCR）的運行和故障信息，可用于分析TCR 故障；

7) 電臺空口數據，可用于分析鐵路移動通信系統（GSM-R）通信問題；

8) 應答器報文讀取和分析（BTRA）數據，記錄應答器的原始報文等信息，可用于報文接收及干擾相關的問題分析。

3 數據采集及傳輸方案

3.1 系統構成

300T 智能維護系統主要包含數據采集及傳輸單元、用戶及管理員終端、300T 數據服務器等。

數據采集傳輸單元安裝于機柜內部，用于采集300T 車載設備運行數據，并將數據傳輸至300T 數據服務器。服務器內安裝數據庫管理軟件、分析軟件及故障特征庫，用戶通過客戶端軟件查看故障數據及處理建議。

當前Wi-Fi 及4G 無線通信技術均已廣泛應用于各個領域， 300T 智能維護系統將Wi-Fi 及4G 無線通信技術結合，用于實現車載數據的無線傳輸。

數據采集傳輸單元的傳輸通道包括以下3 種。

1）通過4G 無線網絡接入公網，將數據傳輸至300T 數據服務器。

2）通過工區Wi-Fi 接入公網，將數據傳輸至300T 數據服務器。

3）通過列控設備動態監控系統（DMS）傳輸，由DMS 數據服務器轉發數據給300T 數據服務器。

系統構成如圖1 所示，其中DMS 及DMS 數據服務器為第三方設備。

圖1 300T智能維護系統構成Fig.1 Composition of 300T intelligent maintenance system

3.2 電路安全防護設計

分別采用光電隔離或非接觸式的采集方式對車載設備的各類型數據進行采集，并為供電和采集電路配備保險絲，對各采集電路的輸入阻抗進行限制，避免電路故障對車載設備的運行造成影響。

對數據采集傳輸單元進行電磁兼容檢測，確保不會因電磁干擾問題影響車載設備正常運行。

3.3 數據通信安全設計

CTCS3-300T 列控車載設備對高速動車組運行安全起著至關重要的作用，數據采集傳輸單元聯網后所引入的網絡安全問題不容忽視。

為了保障網絡和數據不受來自外部和內部用戶的入侵和破壞，智能維護系統運用堡壘機，切斷終端計算機對網絡和服務器資源的直接訪問，采用協議代理的方式，接管終端計算機對網絡和服務器的訪問。能夠攔截非法訪問，和惡意攻擊，對不合法命令進行命令阻斷，過濾掉所有對目標設備的非法訪問行為，并對內部人員誤操作和非法操作進行審計監控，以便事后責任追蹤。

3.4 下載時機

雷達RS-485 報文及脈沖數據、速傳脈沖數據、供電電壓值、非接觸式I/O 采集等數據均可實時采集記錄。

AE-LOG 數據為觸發式采集，采集單元通過串口向VCU 或BTM 單元每發送一次下載指令，VCU 或BTM 單元才會向采集單元輸出一定長度的AE-LOG 記錄。為避免頻繁下載占用過多資源，對設備正常運行造成影響，需對AE-LOG 數據下載邏輯進行合理規劃。采集單元向VCU 或BTM 單元發送下載指令的頻率設定為5 s 一次，下載時機如下。

定時下載：設定周期性下載，如每日回庫的檢修時間范圍內自動下載。

自動重啟（故障）后下載：速度為0 的狀態下，串口檢測到ATPCU、C2CU、SDP 或TSG 的啟機信息后，開啟自動下載。

用戶遠程觸發下載：數據下載完成或檢測到再次重啟（下載未完成）時，將已下載的數據自動傳輸至300T 數據服務器。

U 盤下載：在列車靜止的條件下，可通過采集單元USB 接口下載AE-LOG 或其他數據至U 盤。

4 分析診斷方案

智能維護系統采用客戶端/服務器結構，客戶端發起訪問并接收分析結果或由服務器主動推送故障信息到客戶端，具體的分析診斷工作由服務器完成，如圖2 所示。

300T 數據服務器的功能包括：

1) 對故障特征庫及接收到的數據進行存儲和管理；

2) 實時分析預警，并主動將預警信息推送至用戶終端，提示用戶進行預防性維護；

3) 接收用戶及管理員終端的分析、查詢指令，對指定數據進行自動分析，并將分析結果發送給用戶終端進行顯示；

4) 支持用戶通過終端導入數據，進行自動分析，并將分析結果發送給用戶終端進行顯示；

5) 權限管理：管理員可以查看全路所有列車數據，并為普通用戶建立賬戶、分配訪問權限。普通用戶僅支持查看指定列車的數據及分析結果，具體范圍可根據動車組配屬表進行配置。

用戶及管理員終端為預裝客戶端軟件的計算機，終端軟件包括如下的功能。

1) 全局視圖：顯示指定時間范圍內發生過故障的全部列車號，支持點擊跳轉至該車詳細信息頁面，同時應支持通過手動輸入列車號進行跳轉。

2) 單車視圖：按照時間系實時顯示指定列車的運行數據，并對故障點進行特殊標記，以便于查看故障信息。

3) 實時預警：實時接收服務器推送的預警信息，并以適當的方式進行顯示，點擊跳轉至該車詳細信息頁面。

4) 數據下載：支持按照指定時間及數據類型下載數據。

5) 數據導入分析：支持手動導入數據進行自動分析。

6) 分析報告：根據故障數據給出分析及處理建議，一鍵生成故障分析報告。

7) 處理結果反饋：故障處理完成后，應支持并鼓勵用戶將某個故障一次或多次的處理措施進行反饋，以便維護故障特征庫。

8) 故障履歷：支持查詢車載設備以往的故障數據、分析報告、處理措施，以及故障件、替換件的編號。應支持按照車號及端系，和故障件編號兩種方式進行查詢。

9) 編輯故障特征庫：管理員可手動編輯特征庫，包括新增、修改和刪除故障特征。故障特征應包含故障語句和其指向的故障原因（含處理措施），其中故障語句可設置各單元的相關語句及語句間的邏輯關系。

5 測試驗證

將車載設備數據采集傳輸單元安裝在300T 機柜左側的導軌上，并按照配線圖將專用電纜連接到各單元指定接口或端子處。

車載設備數據采集傳輸單元上電后，對其進行初始化設置，設置車型、車號、車端及TSG 單/雙套等信息。

車載設備運行數據，包括供電電壓、速度脈沖、雷達報文等均能夠正常顯示，通過測量或與JRU 數據進行對比，可以確認電壓及脈沖數據的準確性。

采用斷開部分單元供電開關、修改繼電器配線或雷達速傳配線等方式模擬現場故障，并通過分析軟件客戶端進行分析，能夠準確定位故障原因，給出處理建議。

6 總結

本文研究的300T 車載設備智能維護系統，解決了當前CTCS3-300T 列控車載設備數據記錄不充分的問題，并將分析診斷過程智能化、便捷化，免去了現場下載數據以及人工分析的繁瑣操作。能夠有效降低現場人員的勞動強度，提高設備維護工作的效率和故障處理的準確率。

該系統對現場數據的分析診斷基于故障特征庫，故障特征庫由管理員根據現場處理的反饋進行維護和更新。隨著現場應用范圍的擴大，該系統的故障特征庫將不斷得到補充和完善，分析診斷的準確率也必將得到進一步的提高。