城市軌道交通車輛遠程專家診斷系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用

楊培盛，董先鵬，侯 飛，管 超，厲彥宏，劉 鵬，呂方林

（1. 濟南軌道交通集團建設(shè)投資有限公司，山東濟南 250014；2. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266112）

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，運營網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大，事件的應(yīng)對處理能力不足，運營網(wǎng)絡(luò)自救能力不足等問題也逐漸暴露，傳統(tǒng)的列車運行維護已越來越不適應(yīng)城市軌道交通運營需求。為此，本文基于計算機、通信和現(xiàn)代控制技術(shù)，融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，設(shè)計研制了城市軌道交通車輛遠程專家診斷系統(tǒng)，并結(jié)合濟南地鐵2號線工程進行驗證。

1 車輛遠程專家診斷系統(tǒng)原理

車輛遠程專家診斷系統(tǒng)通過分析車輛各子系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，判斷其狀態(tài)，以實現(xiàn)車輛的遠程診斷。其原理是利用列車控制與監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS）的多功能車輛總線（MVB）以及無線傳輸通道將車輛TCMS實時監(jiān)控、空調(diào)監(jiān)測、走行部監(jiān)測、車門監(jiān)測、乘客信息顯示系統(tǒng)（PIDS）狀態(tài)監(jiān)測和弓網(wǎng)監(jiān)測等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸至支持列車運營檢修維護的地面軟件系統(tǒng)平臺。通過地面專家系統(tǒng)分析平臺，實現(xiàn)車輛狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測、故障自動報警和子系統(tǒng)健康管理等功能。

2 車輛遠程專家診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

車輛遠程專家診斷系統(tǒng)由車載系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)以及地面系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中，車載系統(tǒng)主要用于車輛基本運行狀態(tài)、故障數(shù)據(jù)和各子系統(tǒng)關(guān)鍵部件工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、本地存儲、實時數(shù)據(jù)融合、清洗和特征提取，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)以規(guī)范格式無線下傳至地面專家系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)主要完成車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)間實時數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)的傳輸，其中實時性要求較高的數(shù)據(jù)采用基于長期演進（LTE）技術(shù)的車地?zé)o線通道傳輸，高帶寬、大容量數(shù)據(jù)依托無線局域網(wǎng)（WLAN）通道進行傳輸。地面系統(tǒng)實現(xiàn)落地數(shù)據(jù)的接入、解析、存儲、分發(fā)、運算和展示，用于對列車?yán)锍獭⒛芎牡冗\營信息的實時統(tǒng)計、故障預(yù)警與診斷和運維指導(dǎo)建議。

2.2 車載系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

通過對各子系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景和數(shù)據(jù)類型調(diào)研，車輛遠程專家診斷系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)主要可分為3類，分別為：

圖1 車輛遠程專家診斷系統(tǒng)方案

（1）列車整車狀態(tài)信息，包括列車速度、供電狀態(tài)、運行里程、時鐘、列車載重、旁路開關(guān)狀態(tài)等，通過MVB車輛總線進行采集，用于地面系統(tǒng)實時展示；

（2）子系統(tǒng)狀態(tài)信息、故障信息、預(yù)警信息，包括但不限于走行部、車門、空調(diào)等車載子系統(tǒng)，支持傳輸控制協(xié)議（TCP），用于地面系統(tǒng)實時展示及故障預(yù)測與健康管理；

（3）離線文件，用于支撐地面系統(tǒng)文件管理，支持文件傳輸協(xié)議（FTP）。

根據(jù)上述需求，車載系統(tǒng)在城市軌道交通車輛MVB通信總線數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，擴展?fàn)顟B(tài)感知和設(shè)備泛在互聯(lián)功能，通過在每列車搭建車載以太網(wǎng)綜合信息網(wǎng)，完成對車門、走行部、空調(diào)、弓網(wǎng)監(jiān)測等子系統(tǒng)健康管理信息收集，并通過無線傳輸通道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)進行深度數(shù)據(jù)挖掘。以城市軌道交通行業(yè)常見的6輛編組（4動2拖）車輛為例，進行車載系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，主要架構(gòu)如圖2所示。

車載系統(tǒng)主要由車載數(shù)據(jù)收集單元（DCM）、以太網(wǎng)交換機等設(shè)備組成，在車輛原有MVB總線的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于MVB +以太網(wǎng)的車載綜合信息收集網(wǎng)絡(luò)。在單節(jié)車廂內(nèi)，交換機與子系統(tǒng)控制器直連，全列車通過8臺交換機（ES）以跳躍式環(huán)形連接組成列車骨干網(wǎng)，避免網(wǎng)絡(luò)中的任意單點故障影響整條骨干網(wǎng)正常通信。DCM設(shè)備在TC1和TC2端各配置1臺，同時接入TCMS網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)，實現(xiàn)對列車控制網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的實時采集和車載各子系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的收集，并將上述數(shù)據(jù)傳輸至無線通信系統(tǒng)。

2.2.2 軟件設(shè)計

車載系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)車輛MVB總線實時采集和通過以太網(wǎng)車載綜合信息網(wǎng)對子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行收集，可細(xì)分為：

（1）通過MVB總線通信模塊，實現(xiàn)對車輛總線數(shù)據(jù)采集和處理；

（2）通過車載綜合信息網(wǎng)收集子系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)，采用TCP協(xié)議；

（3）將上述2部分?jǐn)?shù)據(jù)按照文件類型分別使用TCP/FTP協(xié)議發(fā)送至地面系統(tǒng)。

車載系統(tǒng)軟件按照設(shè)計功能拆分為MVB模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收集模塊、車地數(shù)據(jù)發(fā)送模塊3個部分。其中MVB模塊負(fù)責(zé)DCM與車輛MVB總線的信息交互，實現(xiàn)初始化、MVB信息采集、異常信息的記錄和自恢復(fù)，是應(yīng)用軟件最先運行的部分。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收集模塊通過TCP協(xié)議與各子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，主要作為TCP服務(wù)端監(jiān)聽子系統(tǒng)發(fā)送的信息并進行回應(yīng)。當(dāng)子系統(tǒng)發(fā)送消息后沒有收到DCM的回應(yīng)時，子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)按約定進行重發(fā)。車地通信模塊負(fù)責(zé)與地面平臺建立通信和數(shù)據(jù)發(fā)送，同時兼具丟包重傳功能。車載系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖3所示。

2.3 無線通信系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)車輛遠程專家診斷系統(tǒng)業(yè)務(wù)傳輸需求，數(shù)據(jù)類型主要分為對帶寬要求較低的高實時性數(shù)據(jù)和對帶寬要求較高的非實時性數(shù)據(jù)。車輛遠程專家診斷系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)依托軌道交通行業(yè)內(nèi)常見的基于LTE技術(shù)的車地通信系統(tǒng)和基于IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的WLAN無線通信系統(tǒng)進行承載。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖2 車載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 車載系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

LTE無線通道采用A、B雙網(wǎng)完全冗余的方式覆蓋，每列車在車頭車尾各安裝1臺列車接入單元（TAU），所有數(shù)據(jù)通信在2個TAU同時進行。各LTE基站通過百兆以太網(wǎng)接入車站網(wǎng)絡(luò)交換機，利用LTE傳輸網(wǎng)絡(luò)提供的通道與控制中心、車輛段LTE核心網(wǎng)連接。由于兩端TAU分屬不同網(wǎng)絡(luò)且工作在不同信道，在控制中心和車輛段各設(shè)置1套核心網(wǎng)實現(xiàn)異地冗余。車輛遠程專家診斷系統(tǒng)DCM與頭車TAU設(shè)備連接，地面系統(tǒng)接入車輛段核心交換機，實現(xiàn)車載高實時性數(shù)據(jù)回傳。

圖4 無線通信系統(tǒng)架構(gòu)

WLAN無線通道主要由軌旁無線接入點（軌旁AP）與車載無線接入點（車載AP）構(gòu)成，采用空間波方式進行覆蓋，軌旁AP沿列車運行線路按照一定間距進行部署，以保證軌旁沿線的無線信號全面覆蓋。車載AP在車輛的車頭和車尾分別部署1臺，車載AP設(shè)備和軌旁AP設(shè)備使用802.11ac協(xié)議進行橋接傳輸數(shù)據(jù)。車輛遠程專家診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)DCM、車載AP、軌旁AP后，通過正線通信傳輸網(wǎng)至車輛段以太網(wǎng)交換機。地面系統(tǒng)接入車輛段以太網(wǎng)交換機，實現(xiàn)車載大容量數(shù)據(jù)回傳。

2.4 地面系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 硬件架構(gòu)設(shè)計

地面系統(tǒng)通過在車輛段機房搭建地面運維平臺服務(wù)器集群，數(shù)據(jù)接入靈活、可擴展，支持多樣化數(shù)據(jù)解析類型，可實現(xiàn)實時信息的展示、子系統(tǒng)健康信息的原始數(shù)據(jù)分發(fā)和解析結(jié)果界面的整合。主要包括防火墻、交換機、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、子系統(tǒng)專用服務(wù)器和顯示工作站等硬件設(shè)備。平臺硬件架構(gòu)如圖5所示。

2.4.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

地面系統(tǒng)軟件架構(gòu)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層3部分組成，如圖6所示。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層中搭建了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，將車輛運營過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及子系統(tǒng)健康管理數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的接入、存儲管理。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺具備列車全系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入解析的能力，接入的數(shù)據(jù)覆蓋車輛運行安全相關(guān)、車輛運行質(zhì)量相關(guān)、車輛運行狀態(tài)相關(guān)、車輛維修維護決策相關(guān)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)平臺具備靈活的可擴展性，滿足高并發(fā)、高實時的列車數(shù)據(jù)接入需求。

圖5 地面系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)

圖6 地面系統(tǒng)軟件平臺架構(gòu)

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)應(yīng)用層作為車輛數(shù)據(jù)的核心數(shù)據(jù)管理層，將車輛業(yè)務(wù)的核心共享數(shù)據(jù)以及車輛知識進行整合梳理，包含了列車、車型、協(xié)議、故障等信息，集中進行數(shù)據(jù)的清洗和標(biāo)準(zhǔn)化，以集成服務(wù)的形式把統(tǒng)一的、完整的、準(zhǔn)確的、具有權(quán)威性的主數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，為管理員提供各個實體的添加、編輯、修改、刪除功能。通過數(shù)據(jù)接口為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用或其他應(yīng)用系統(tǒng)提供主數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層中包含了列車數(shù)據(jù)實時信息展示、運營信息統(tǒng)計和子系統(tǒng)健康管理3類應(yīng)用，提供了車輛狀態(tài)實時監(jiān)控、故障預(yù)警實時提醒、歷史變量分析、累計運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計、離線文件管理和子系統(tǒng)健康管理等功能，實現(xiàn)了基于線路的列車數(shù)據(jù)集成展示，滿足現(xiàn)場車輛運維業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

3 車輛遠程專家診斷系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)配置

濟南地鐵2號線車輛遠程專家診斷系統(tǒng)整體架構(gòu)按照“1+N”模式，即由平臺核心診斷服務(wù)器+各子系統(tǒng)專用服務(wù)器聯(lián)合構(gòu)成，平臺核心服務(wù)器作為數(shù)據(jù)接收的統(tǒng)一者、分發(fā)者和集成者，各子系統(tǒng)負(fù)責(zé)各自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)經(jīng)防火墻過濾后，由平臺核心診斷服務(wù)器統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理并分發(fā)到子系統(tǒng)服務(wù)器（空調(diào)服務(wù)器、車門服務(wù)器、走行部服務(wù)器等），最后負(fù)責(zé)解析結(jié)果的界面集成。主要設(shè)備配置清單如表1所示。

3.2 系統(tǒng)功能驗證

遠程專家診斷系統(tǒng)通過車載系統(tǒng)對列車數(shù)據(jù)進行采集提取、整合發(fā)送、接收解析后，在地面搭建綜合監(jiān)控分析平臺，通過瀏覽器便可實現(xiàn)車輛狀態(tài)實時監(jiān)測、故障自動報警等功能。下面以濟南地鐵2號線車輛遠程診斷系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)進行驗證說明。

濟南地鐵2號線車輛遠程診斷系統(tǒng)由實時監(jiān)控、全網(wǎng)總覽、線路總覽、車輛狀態(tài)、故障預(yù)警、分析應(yīng)用和健康管理等7個功能模塊組成，主要的典型功能如下。

3.2.1 實時信息展示

實時信息展示包括線路級和車輛級2個層次，其中線路級用于顯示本線路所有列車實時運行狀態(tài)信息，包括列車號、狀態(tài)、運行模式等信息，如圖7所示。車輛級能夠?qū)崟r顯示在線車輛狀態(tài)以及車輛產(chǎn)生的故障報警信息，如圖8所示。

表1 濟南地鐵2號線車輛遠程專家診斷系統(tǒng)配置清單

3.2.2 運營信息統(tǒng)計

系統(tǒng)支持根據(jù)不同線路、車型等，多維度地統(tǒng)計列車一段時間內(nèi)的運行里程、能耗、故障等信息，不同角度了解列車的整體狀況。有針對性地對高發(fā)故障進行深入的數(shù)據(jù)挖掘，找到故障根本原因，降低故障發(fā)生頻率，運營里程信息統(tǒng)計如圖9所示。可以通過挖掘重大故障相關(guān)變量的變化趨勢，提前進行預(yù)警，降低故障造成的損失，變量分析如圖10所示。

3.2.3 子系統(tǒng)健康管理

濟南地鐵2號線子系統(tǒng)健康管理由車門健康管理、空調(diào)健康管理、走行部健康管理和軌旁檢測設(shè)備組成，實現(xiàn)車門、空調(diào)和走行部的狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警、健康趨勢分析以及受電弓尺寸測量、輪對尺寸測量和車體360度缺陷檢測。空調(diào)健康管理如圖11所示。

4 結(jié)論

圖7 線路級實時信息展示

圖8 車輛級實時信息展示

本文設(shè)計研制的車輛遠程專家診斷系統(tǒng)由車載系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和地面系統(tǒng)3部分組成，通過加裝車載數(shù)據(jù)收集單元設(shè)備收集車輛總線和子系統(tǒng)健康管理類數(shù)據(jù)，創(chuàng)造性地搭建基于MVB+以太網(wǎng)的車載系統(tǒng)信息收集網(wǎng)絡(luò)，克服車輛MVB總線通信帶寬小，無法滿足子系統(tǒng)內(nèi)部診斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜毕荨Ｒ劳蠰TE和WLAN無線傳輸既有通道將信息落地，不需額外增加投入。實現(xiàn)在地面系統(tǒng)完成車輛實時信息顯示、運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及子系統(tǒng)健康管理等功能，并結(jié)合濟南地鐵2號線工程進行了驗證。工程實踐表明通過擴展?fàn)顟B(tài)感知和設(shè)備泛在互聯(lián)功能對車輛運行數(shù)據(jù)及車門、走行部、空調(diào)、弓網(wǎng)監(jiān)測等子系統(tǒng)健康管理信息進行收集整合，能夠有效提高車輛智能化水平，進一步提高運營單位故障處置效率，降低運維成本，為地鐵車輛智慧化運營探索了一個新思路和新方法。

圖9 運營里程信息統(tǒng)計

圖10 變量分析

圖11 空調(diào)健康管理