城市軌道交通列車故障診斷與自動處置系統的研究*

彭 輝 張群慧

(湖南科技職業學院人工智能學院， 410004， 長沙∥第一作者， 講師)

為了減少和預防故障發生，國內各個城市的地鐵公司采取了多種有效措施：① 加強對地鐵車輛的日常檢查和維護，定期對車輛的重要部件進行檢查和更換，防止故障發生；② 開發和部署地鐵實時監控系統，實時掌控列車運行情況，對潛在的故障進行預測，對已發現的故障及時進行處理，其中最具代表的系統，包括專家系統和智能運維系統；③ 通過加強對司機的培訓，提高司機的故障判斷能力和故障處理水平。以上措施雖然取得了一定成效，但當故障發生時，如何快速解決當前故障，主要取決于司機的經驗[1]。為了讓司機掌握列車的故障情況，每列列車的網絡控制系統都具有顯示當前列車故障的功能。但這種故障顯示僅起到提醒作用，不便于司機開展應急處理。

為了使列車故障判斷更加準確，提升故障處置效率，本文設計了一種列車故障診斷與自動處置系統。

1 列車故障診斷系統存在的問題

1.1 車載網絡控制系統

車載網絡控制系統是地鐵列車的核心控制單元，它通過以太網和MVB(多功能車輛總線)方式與其他車載設備進行通信。因以太網控車技術起步較晚，目前大部分列車都使用MVB作為控制車載設備的通信方式[2]，而輔以使用以太網作為信息化通信方式。

車載網絡控制系統通過發送控制指令、收集車載設備狀態、檢查故障狀態來實現其控制功能。一方面，司機通過操作網絡控制系統HMI(人機界面)將控制指令下發給車載設備，讓車載設備按指令要求進行工作。另一方面，網絡控制系統PHM(故障預測與健康管理)模塊收集各車載設備的工作狀態信息，并根據其狀態數據進行故障診斷。PHM模塊的診斷結果由HMI進行展現，以提醒司機進行故障處理[3]。

車載網絡控制系統能診斷出車載故障，但是它無法指導司機進行故障處置。HMI上的每條故障，都需要司機根據已有經驗和知識進行排除，處置效率不高。

1.2 故障專家診斷系統

故障專家診斷系統是根據專家的知識和經驗來對車載數據進行檢測，以判斷是否有故障發生，并在故障發生情況下給出故障處理意見。故障專家診斷系統由兩個子系統組成：

1) 車載數據中繼系統：它負責將車載各個設備的實時數據轉發給地面數據處理中心；

2) 地面專家系統：它通過分析地面數據處理中心的數據，對列車狀態給出專家診斷結果，并在故障情況下，給予專業的故障處理意見。

故障專家診斷系統固然能對故障給出專業的處置意見，但這種處置意見不能及時地反饋給值乘司機以指導司機進行應急操作。

2 列車故障診斷與自動處置系統

本文設計的故障診斷與自動處置系統是一種專門用來對城市軌道交通列車進行應急故障診斷及指導司機進行故障處理的車載應用系統。對比文獻[4]介紹的一種智能地鐵車載應急處置系統，本系統擺脫了對車載數據處理中心的依賴，有如下優勢：① 由1個終端設備替代了數據處理中心和智能人機交互裝置，部署更加方便、快捷；② 簡化軟件架構設計，系統可靠性更高；③ 直接讀取MVB端口數據，數據采集與處理的實時性更高，便于應急故障的自動化處置設計；④ 融合自動化處置方案，通過系統設置，既支持應急故障的人工處置，也支持應急故障的自動化處置，以縮短處置時間。

列車故障診斷與自動處置系統由IITU(智能交互終端設備)和配套的軟件組成。IITU的硬件配置與網絡控制系統HMI顯示屏硬件一致，且支持圖形化界面顯示，具有觸摸交互功能。該系統進行部署時，要求在列車兩側的司機室分別安裝1個IITU。IITU通過MVB接入到列車數據網絡，用于獲取各車載設備的MVB實時數據。兩側司機室的IITU通過以太網互聯，便于兩個設備間的信息交互。

因城市軌道交通列車以3～8節編組進行拓撲設計，故ITTU在不同列車上的部署拓撲不完全相同。以6節編組為例，車載網絡拓撲及IITU所在位置如圖1所示。

圖1 列車故障診斷與自動處置系統拓撲簡圖Fig.1 Topology diagram of train fault diagnosis and automatic disposal system

IITU的軟件功能由兩部分組成：① IPHM(智能交互終端故障預測與健康管理)子模塊負責根據MVB數據進行故障的實時診斷、故障處置步驟切換及應急處理信號的感知與檢測；② IHMI(智能交互終端人機界面)子模塊負責故障的顯示、故障處理動作指導及處理步驟的顯示。IITU軟件架構如圖2所示。

2.1 應急故障診斷模塊

IITU的故障診斷與網絡控制系統的故障診斷有所不同，其是對列車綜合工況進行分析和判斷，對較為緊急的、影響車輛運維的故障進行診斷，并將診斷結果進行本地保存，以此指導司機進行故障處置。

圖2 IITU軟件架構圖Fig.2 Architecture diagram of IITU software

本文選取一些會導致清客的重大故障進行故障診斷和應急指導。為此，需對所處理的故障做必要選擇，具體步驟如下：

1) 根據故障產生的源頭對故障進行分類組合，得到幾個大類的故障。

2) 從大類故障中提煉具體故障，減少故障間的干擾。例如，可將制動無法緩解的故障細分為停放制動無法緩解、緊急制動無法緩解等具體故障。

3) 根據選取的具體故障，按故障可能發生的原因制定應急處理措施。在處理措施中，有些處理步驟可以被監控，有些處理步驟暫時無法監控，分別將其列入到應急處理步驟列表。

IITU的故障診斷功能由IPHM子模塊來實現。IPHM模塊負責根據具體的故障邏輯進行故障診斷，并將診斷后的結果通告給IHMI子模塊顯示，提示司機進行應急故障處理。

以“緊急制動無法緩解”為例，說明故障診斷的過程。該故障發生的條件與列車方向信號、網絡及信號系統狀態有關[5]。該故障診斷涉及到的MVB端口見表1。

表1 “緊急制動無法緩解”故障MVB信號

該故障診斷的邏輯見圖3。

IPHM模塊周期性地將所有故障的診斷結果報送給IHMI模塊。IHMI對收集到的故障信息進行綜合處理，將未消除的故障以列表形式在ITTU屏幕上顯示。當司機按下ITTU屏幕上的故障處置圖標后，開啟應急處置流程。

2.2 應急故障的自動化處置

導致列車發生某個故障的原因有多種。根據多種可能原因將應急故障處置流程劃分為M種大步驟；在每一個大步驟內，可能有N種小步驟，每個小步驟都可歸類于信號可感知的操作或不可感知的操作[4]。信號可感知的操作步驟是指司機的應急處置操作可以通過MVB數據信號監測到的操作步驟。所有的操作步驟都以配置文件的方式預先加載到該系統中。

圖3 “緊急制動無法緩解”故障診斷流程Fig.3 Fault diagnosis procedure of ′emergency braking unable to relieve′

在故障應急處置過程中，IPHM模塊主要用于檢測可感知步驟所對應的MVB信號點位值是否滿足處置條件。當信號滿足條件后，系統會通知IHMI切換至下一個操作步驟。對于不可感知的步驟，需要司機確認后，手工操作IHMI屏幕將應急切換至下一個操作步驟。IPHM和IHMI模塊間的信息交互過程，如圖4所示。

圖4 IITU應急處置模塊交互圖Fig.4 Diagram of IITU emergency disposal module interaction

以“緊急制動無法緩解”故障為例，來說明應急故障處置步驟的設計。該故障的處置步驟見表2。

表2 應急故障的處置步驟

在故障處置界面中，每個處置大步驟都用獨立的頁面進行顯示，每個大步驟下的小步驟都對應1個具體操作項。當ITTU屏幕頁面進入到1個大步驟處置界面后，與之對應的“處理步驟”圖標(“□”或“○”)會顯示選中狀態；當完成1個小步驟的操作時，與之對應的“○”圖標會顯示選中狀態，否則顯示未選中狀態(見圖5)。

對于可感知的處理步驟，既支持人工處置方式，也支持自動處置方式。

1) 人工處置方式由司機按照ITTU屏幕的提示進行相關操作。通過觸發列車MVB信號值變化，以滿足當前處置步驟對應的MVB信號點位值要求。

2) 自動處置方式。當IITU的IPHM模塊檢測到當前處置步驟對應的MVB信號點位值不滿足要求時，向對應的車載設備(網絡控制系統或其他車載設備)發起MVB信號值切換請求，具體流程如下：① 由IPHM發起當前步驟的MVB信號點位值切換請求給對應的車載設備；② 對應的車載設備收到信號點位切換請求后，在確認合法的情況下，響應該請求并通過MVB發出調整后的信號點位值；③ IPHM周期性地檢查當前步驟的MVB信號點位值，當信號點位值滿足當前步驟的處置條件后，應急處置步驟切換到下一個步驟；④ 若IPHM檢查到當前步驟的MVB信號點位值一直不滿足故障處置要求且超過規定時間，則通告IHMI模塊，并提示司機進行人工干預。

“緊急制動無法緩解”故障可感知處理步驟的顯示頁面如圖5所示。

圖5 應急故障可感知處置步驟提示圖Fig.5 Notification of emergency fault tangible disposal procedure

當自動處置過程超時后，提醒司機進行手工操作的界面如圖6所示。

圖6 應急故障自動處置超時提示圖Fig.6 Notification of emergency fault automatic disposal overtime

對于不可感知的步驟，則需要司機進行人工干預。司機確認無誤后，再進入下一步應急步驟，此時顯示頁面見圖7。

圖7 應急故障不可感知處置步驟提示圖Fig.7 Notification of emergency disposal intangible disposal procedure

根據上述分析，IITU應急故障的自動化處置流程見圖8。

圖8 應急故障自動化處置流程Fig.8 Procedure of emergency fault automatic disposal

列車每個故障的所有應急處置步驟都按上述流程進行處理，最終達到對應急故障的自動化處置。

3 結語

要實現列車應急故障的自動化處置，除了本系統設計的功能外，后續還需解決應急操作的對象為機械開關時的自動化操作問題，以及車載設備響應信號點位值切換請求時，列車信號和車載設備狀態不一致的問題。因此，列車故障診斷與自動處置系統還需進一步優化。