多線網(wǎng)通用地鐵運(yùn)維系統(tǒng)研究

楊 博，劉 琪，張哲瑞，李康樂，閆莉瑩

(1.西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西 西安 710018；2.大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引言

隨著城市地鐵線網(wǎng)的增多，原有低效的維保方式已無法滿足地鐵公司日益增長的業(yè)務(wù)需求，亟需尋求新的解決方案。通過物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)車輛狀態(tài)的實時監(jiān)控，建立車輛運(yùn)維系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的車輛變得更加智能，對于實現(xiàn)地鐵公司的數(shù)字化轉(zhuǎn)型意義重大[1]。然而地鐵不同線路的車輛大多由不同的廠商生產(chǎn)，且車上設(shè)備種類眾多，如果都采用各設(shè)備供應(yīng)商的專用監(jiān)控方案，由每個設(shè)備提供自己的數(shù)據(jù)采集和落地服務(wù)，則會導(dǎo)致成本上升和布線冗雜[2]，因此實現(xiàn)能夠?qū)⒉煌瑥S家、多種設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集、集中發(fā)送和監(jiān)控的運(yùn)維系統(tǒng)是解決問題的核心。

本文提出了一種基于車載運(yùn)維主機(jī)和地面數(shù)據(jù)中心的多線網(wǎng)通用地鐵運(yùn)維系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含車載的運(yùn)維主機(jī)和地面的數(shù)據(jù)中心，運(yùn)維主機(jī)通過MVB、485、以太網(wǎng)等接口獲取車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，然后通過LTE/WLAN傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析和呈現(xiàn)。

1 運(yùn)維系統(tǒng)總體架構(gòu)

目前車輛上裝備的監(jiān)控系統(tǒng)多為煙筒式架構(gòu)(見圖1)，弓網(wǎng)監(jiān)控、乘務(wù)監(jiān)控等有監(jiān)控需求的系統(tǒng)都配置有各自的通信模塊、天線和地面服務(wù)器，各系統(tǒng)間服務(wù)與數(shù)據(jù)不共享，形成數(shù)據(jù)和服務(wù)孤島，導(dǎo)致車輛運(yùn)維成本升高，由于車頂空間有限，為保證通信質(zhì)量，避免信號間相互干擾，各天線間需要保持合理的間距，導(dǎo)致布線困難。為解決上述問題，可采用共享式架構(gòu)，將各系統(tǒng)功能相似部分進(jìn)行抽象，由運(yùn)維主機(jī)替代各系統(tǒng)原有的通信模塊和外置天線，由數(shù)據(jù)中心替代各系統(tǒng)原有的地面服務(wù)器。

圖1 煙筒式架構(gòu)圖

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示：在每列車上安裝一臺運(yùn)維主機(jī)，運(yùn)維主機(jī)具備485、MVB和M12以太網(wǎng)等接口，可通過多種接口采集車上設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)；將設(shè)備數(shù)據(jù)收集組包后，通過LTE/WLAN傳輸至地面數(shù)據(jù)中心，考慮到網(wǎng)絡(luò)安全，須加裝防火墻。數(shù)據(jù)中心包含接收運(yùn)維主機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、將數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和解析數(shù)據(jù)的應(yīng)用服務(wù)器；采用微服務(wù)的架構(gòu)，一套硬件通過容器技術(shù)劃分出多個虛擬空間，提供Docker給各車載設(shè)備部署數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用，通過Kafka或Rest API進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，避免了服務(wù)器硬件的重復(fù)投入。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 運(yùn)維主機(jī)硬件設(shè)計

運(yùn)維主機(jī)替代了車上各系統(tǒng)原有的通信模塊和天線，因此需要采集各設(shè)備的應(yīng)用數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行存儲和發(fā)送。需要采集的信息可分為兩種：一種是列車各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如速度、網(wǎng)壓、制動空壓機(jī)壓力等信號，這類信息實時性要求高，但數(shù)據(jù)量不大，可通過MVB接口進(jìn)行采集；另一種是用于設(shè)備健康管理的數(shù)據(jù)，如接觸器動作次數(shù)、電容充放電時間、弓網(wǎng)監(jiān)測的視頻等信息，這類信息由于數(shù)據(jù)量較大且實時性要求不高，需要通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行采集。

由于隧道內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，而進(jìn)行設(shè)備的健康管理對數(shù)據(jù)的連續(xù)性要求又比較高，因此運(yùn)維主機(jī)需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并和地面數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)斷點續(xù)傳的功能。運(yùn)維主機(jī)還須具備集成數(shù)據(jù)記錄儀功能，將通過MVB和以太網(wǎng)接口采集的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)置的固態(tài)硬盤中。數(shù)據(jù)發(fā)送包含LTE和WLAN兩種方式：LTE通道用于實時時間的發(fā)送；WLAN通道用于音視頻、硬盤數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)的發(fā)送。

根據(jù)運(yùn)維主機(jī)的上述需求，設(shè)計的控制器硬件包括核心控制板、通信板、電源板、接口板等模塊；核心控制板用于運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及存儲、協(xié)議轉(zhuǎn)換。選用Toradex公司的Apalis iMX6D，搭載恩智浦MCIMX6D7CVT08 SoC，具備雙核800 MHz處理能力，自帶1 G DDR3和4 G eMMC NAND Flash，能滿足應(yīng)用需求。

通信板用于數(shù)據(jù)的無線傳輸，外接天線通過LTE/WLAN等無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)中心，選用華為ME909s-821模塊，上行速率50 Mbps，下行速率150 Mbps，具備Mini PCIe接口和核心板連接。

為兼容列車上的多種接口協(xié)議，接口板設(shè)計了2路CAN接口、2路以太網(wǎng)接口、2路MVB接口、1路485接口和3路外部天線接口(4G、Wi-Fi、GPS及北斗)。

3 無線傳輸與數(shù)據(jù)同步

車輛與地面的無線傳輸通道由4G網(wǎng)絡(luò)和段內(nèi)無線局域網(wǎng)組成，其中4G通道提供實時傳輸，即使車輛在線上提供運(yùn)營服務(wù)，也能實時將數(shù)據(jù)傳回到位于車輛段內(nèi)的服務(wù)器中；段內(nèi)無線局域網(wǎng)用于離線的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)車輛回到車輛段，車輛將通過車載設(shè)備自動連接地面無線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)將車輛數(shù)據(jù)通過WLAN傳輸?shù)降孛娣?wù)器。

為提高無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理能力，采用“AC無線控制器+AP”模式構(gòu)建無線局域網(wǎng)，保證無線網(wǎng)絡(luò)的高性能，易于管理和安全性。為了避免AC單點故障的問題，采取AC 1+1熱備份，增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。核心交換機(jī)也采用1+1熱備份，保證傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理特點，網(wǎng)管平臺采用B/S架構(gòu)，瘦客戶端的方式，可通過遠(yuǎn)程方式登錄管理，網(wǎng)管平臺的WLAN功能模塊可組件化解耦，按需拆卸，便于在網(wǎng)絡(luò)不同場景下靈活組合使用。

由于列車通常在上行段和下行段都設(shè)有停車場，數(shù)據(jù)庫將同時部署在2個停車場，其中一個停車場的服務(wù)器定義為主服務(wù)器，同時接收4G和無線網(wǎng)絡(luò)傳回的數(shù)據(jù)；另一個停車場的服務(wù)器定義為從服務(wù)器，只接收無線網(wǎng)絡(luò)傳回的數(shù)據(jù)。當(dāng)位于輔助停車場的從服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，將通過2個車庫間的VPN網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到主停車場的主服務(wù)器。

4 數(shù)據(jù)中心設(shè)計

數(shù)據(jù)中心作為整個運(yùn)維系統(tǒng)的處理核心，接收并存儲車輛的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，并基于大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，通過分析列車運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢，輔助車輛人員進(jìn)行智能決策。系統(tǒng)實時與車載運(yùn)維主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采集和處理傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛在線故障診斷、故障預(yù)測以及亞健康預(yù)判等功能，實現(xiàn)車載故障預(yù)測和健康管理，指導(dǎo)維保人員維修決策，并可實現(xiàn)與地鐵公司的EAM系統(tǒng)對接，當(dāng)運(yùn)維系統(tǒng)識別到列車發(fā)生故障后，實現(xiàn)維修工單自動生成和派發(fā)。

系統(tǒng)主要模塊包括數(shù)據(jù)處理、在線監(jiān)控、事件管理、工單管理、數(shù)據(jù)分析、健康管理和系統(tǒng)管理。數(shù)據(jù)處理模塊包含數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)存儲。實時數(shù)據(jù)通過實時流式數(shù)據(jù)接收方式接收車載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以Socket數(shù)據(jù)流形式發(fā)送，Kafka將數(shù)據(jù)流整理為數(shù)據(jù)流序列，并有序地提供給后端實時數(shù)據(jù)處理程序。針對大數(shù)據(jù)量的離線數(shù)據(jù)，待列車回庫后，以FTP方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

在線監(jiān)控模塊按使用需求可實現(xiàn)線路級、列車級和部件級監(jiān)控，線路級監(jiān)控可宏觀顯示當(dāng)前線路正常和故障狀態(tài)的車輛數(shù)目。列車級監(jiān)控可顯示列車位置、列車號、網(wǎng)壓、速度、運(yùn)行模式、站點、故障狀態(tài)等信息，部件級監(jiān)控可顯示單個設(shè)備的電壓電流、接觸器開斷等詳細(xì)狀態(tài)信息，并實現(xiàn)了將列車HMI界面1:1無差別復(fù)制到運(yùn)維系統(tǒng)的功能，方便維保人員對車輛狀態(tài)的遠(yuǎn)程診斷。

事件管理模塊用于對列車已發(fā)生的故障進(jìn)行管理，包括事件監(jiān)控、事件管理和事件查詢，可對列車發(fā)生的故障實時報警，并可實現(xiàn)類似應(yīng)急預(yù)案的功能，預(yù)定義故障可能的原因、故障相關(guān)變量和給出建議的解決措施。為減少誤發(fā)，提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，支持事件信息的人工更新和修正，根據(jù)歷史故障和模型預(yù)警情況，構(gòu)建并不斷完善知識庫。

根據(jù)列車故障狀況和維修建議，系統(tǒng)自動生成維修工單，工單管理模塊包括工單生成、結(jié)果回填和評價。根據(jù)列車健康情況，構(gòu)建維修工單，并自動推送到地鐵公司EAM系統(tǒng)，實現(xiàn)工單自動生成和派發(fā)，待工單關(guān)閉后將執(zhí)行結(jié)果及相關(guān)信息推送回運(yùn)維系統(tǒng)，進(jìn)行結(jié)果回填和評價。

數(shù)據(jù)分析模塊包括歷史數(shù)據(jù)查詢和運(yùn)營信息分析2個功能。針對故障調(diào)查等特定的數(shù)據(jù)需求，可通過列車號和時間查詢列車運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，再現(xiàn)故障發(fā)生時的列車運(yùn)行狀態(tài)，為調(diào)查分析提供數(shù)據(jù)支撐。該模塊還支持將牽引能耗、再生電量和里程等運(yùn)營信息生成報表，供決策分析使用。

5 設(shè)備健康管理和評估

傳統(tǒng)的列車維保按運(yùn)營里程進(jìn)行分級檢修，在設(shè)備達(dá)到使用壽命時提前進(jìn)行預(yù)防性更換。為降低列車維修成本和正線故障率，實現(xiàn)車輛預(yù)防修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)換，亟需對設(shè)備健康狀況進(jìn)行管理，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)的管理和分析。首先對管理對象按功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解，以逆變器為例，可拆解為接觸器、電容、IGBT、傳感器等具體部件，然后根據(jù)部件特性搭建故障預(yù)警模型，具體界面如圖3所示。

圖3 設(shè)備健康管理和評估界面

以IGBT為例，IGBT模塊的失效多為其內(nèi)部疲勞逐漸積累，并與外部運(yùn)行環(huán)境多種因素相互作用的綜合結(jié)果。主要故障模式可分為芯片失效與熱疲勞失效，其中芯片失效為內(nèi)部高溫和過電應(yīng)力導(dǎo)致，瞬時發(fā)生，很難通過狀態(tài)檢測；熱疲勞失效是指IGBT內(nèi)部結(jié)溫引起的熱應(yīng)力所致，包括斷裂、焊料層裂紋等。因此可通過檢測實時電流、電機(jī)頻率結(jié)合IGBT 的損耗模型和變流器熱模型計算出IGBT 模塊的芯片溫度和殼溫，通過實時雨流算法計算出IGBT 的溫度波動幅度及頻次，最后結(jié)合IGBT的壽命模型對IGBT健康度進(jìn)行實時評估，給出合理的維修建議。

6 結(jié)語

本文針對地鐵監(jiān)控領(lǐng)域所面臨的通用性問題，開發(fā)了基于車載運(yùn)維主機(jī)和地面數(shù)據(jù)中心的地鐵運(yùn)維系統(tǒng)。設(shè)計了運(yùn)維主機(jī)硬件，實現(xiàn)了列車數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)；搭建了地面數(shù)據(jù)中心，完成了地鐵設(shè)備的在線監(jiān)控與管理，并實現(xiàn)了設(shè)備健康管理和評估，與硬件模塊一起提供了適用于地鐵設(shè)備的軟硬件一體化運(yùn)維解決方案。