武漢地鐵列車遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及主要應(yīng)用功能

向清河 高 翔 朱東飛 李海新 楊 燁

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，430070，武漢；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，412001，株洲∥第一作者，正高級工程師)

近年來，隨著我國城市軌道交通(以下簡為“城軌”)的蓬勃發(fā)展，用戶對其RAMS(可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維修性(Maintainability)和安全性(Safety))的要求也越來越高。

目前，在列車運(yùn)行時(shí)，列車牽引、制動(dòng)及空調(diào)等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息大多可被采集，并傳至司機(jī)室中的HMI(人機(jī)界面)，供司機(jī)實(shí)時(shí)了解車輛的狀況。但地面調(diào)度員和車輛維護(hù)人員無法實(shí)時(shí)全面地查看列車在途狀態(tài)。當(dāng)列車出現(xiàn)故障時(shí)，多采取事后處理方式，待故障列車回庫后通過人工方式獲取相關(guān)記錄數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步對故障分析定位。為了使司機(jī)、維護(hù)人員和管理人員能全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握車輛和車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而快速響應(yīng)故障及應(yīng)急處置，提高車輛利用率[1]，提升檢修水平和檢修質(zhì)量，可將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等相關(guān)高新技術(shù)與遠(yuǎn)程運(yùn)維需求深度融合，建立地鐵列車遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)。本文以武漢地鐵列車遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)(以下簡為“武漢運(yùn)維系統(tǒng)”)為例，對其關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

1 武漢運(yùn)維系統(tǒng)的架構(gòu)

武漢運(yùn)維系統(tǒng)以全感知設(shè)備的傳感技術(shù)、信息無縫的傳輸及共享為基礎(chǔ)，以信息智能處理為手段，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)、車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)及列車控制網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合，具有信息采集、信息傳輸、信息加工及信息顯示等能力。

武漢運(yùn)維系統(tǒng)由車載設(shè)備、車地?zé)o線通信及地面數(shù)據(jù)中心三大部分構(gòu)成，如圖1所示。

注：LTE——長期演進(jìn)；WLAN——無線局域網(wǎng)。

1.1 車載設(shè)備

為了提高武漢運(yùn)維系統(tǒng)智能分析的準(zhǔn)確性，需要盡量獲得豐富、全面的列車健康信息數(shù)據(jù)，包括各類設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、告警信息及故障信息等。

武漢運(yùn)維系統(tǒng)在列車上新增1個(gè)高度集成的智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)——車載設(shè)備，不僅可從MVB(多功能車輛總線)、列車信息網(wǎng)等渠道采集海量的數(shù)據(jù)，還可實(shí)現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的清洗、臨時(shí)存儲(chǔ)及快速計(jì)算等。在將列車可感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一收集匯總后，智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過車地?zé)o線通信通道，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)中心。

1.2 車地?zé)o線通信

車地?zé)o線通信為列車健康管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等的車地間數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)。目前，車地?zé)o線通信的主流技術(shù)制式有WLAN、LTE等。

武漢運(yùn)維系統(tǒng)的車載設(shè)備，具有多通道車地?zé)o線通信接口，既可支持公網(wǎng)的4G網(wǎng)絡(luò)通道，也可支持LTE及WLAN制式的專用通信通道，可根據(jù)不同應(yīng)用場景自由選擇并切換制式。

1.3 地面數(shù)據(jù)中心

地面數(shù)據(jù)中心由通信服務(wù)器、大數(shù)據(jù)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)組成。

通信服務(wù)器采用雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)，具備高并發(fā)、高頻率、高可用性的數(shù)據(jù)接收能力，可以接收包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文、數(shù)據(jù)文件和視頻流媒體數(shù)據(jù)。其性能可以支持同時(shí)接收 1 000列列車的100 ms級數(shù)據(jù)的能力。

大數(shù)據(jù)平臺基于Hadoop大數(shù)據(jù)技術(shù)，具備分布式的數(shù)據(jù)解析、處理和存儲(chǔ)能力，負(fù)責(zé)對車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行解密、解析和計(jì)算、存儲(chǔ)工作，為應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)分析等后臺綜合處理能力。

應(yīng)用系統(tǒng)基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，以WEB(網(wǎng)頁)及APP(應(yīng)用程序)的形式為用戶提供遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視、日常維護(hù)管理、故障診斷報(bào)警、數(shù)據(jù)查看、算法分析等維護(hù)管理功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 海量數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)來源不同，所采用的采集方式也不同。武漢運(yùn)維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

注：VCMe——車輛控制模塊；EDRM——事件記錄模塊。

武漢地鐵21號線列車TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))由VCMe、EDRM、HMI模塊等組成，用于監(jiān)視車載牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和列車內(nèi)各主要設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對車輛的管理、監(jiān)視和診斷功能。TCMS可分為列車控制級及車輛控制級，均采用MVB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

武漢運(yùn)維系統(tǒng)升級了現(xiàn)有VCMe。車載設(shè)備采用新增接口與VCMe通信，實(shí)時(shí)獲取由VCMe通過MVB接口采集的TCMS網(wǎng)絡(luò)上車載子系統(tǒng)(如牽引變流系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、門控系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)等)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

車載設(shè)備通過以太網(wǎng)接口，接入到列車信息維護(hù)以太網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)獲取列車EDRM的故障記錄、事件記錄、制動(dòng)故障記錄等大容量文件信息。

此外，武漢地鐵運(yùn)營單位特別要求增設(shè)傳感器，用以監(jiān)測軸溫的實(shí)時(shí)變化。武漢運(yùn)維系統(tǒng)的每對輪對軸箱都新增了傳感器，其采集到的信息通過RS485協(xié)議和走行部主機(jī)傳輸。車載設(shè)備通過以太網(wǎng)接口，接入到列車信息維護(hù)以太網(wǎng)絡(luò)，獲取走行部主機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2 車地?cái)?shù)據(jù)無線傳輸

車載設(shè)備的數(shù)據(jù)需通過車地?zé)o線通道傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心。由于列車處于高速移動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、干擾源多，為避免車地?zé)o線信道不穩(wěn)定對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，武漢運(yùn)維系統(tǒng)使用目前已在武漢地鐵PIS(乘客信息系統(tǒng))業(yè)務(wù)中廣泛使用的WirelessFiber車地?zé)o線通信系統(tǒng)。該無線通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

注：OCC——運(yùn)營控制中心；GSU——基于全球定位系統(tǒng)的同步單元。

WirelessFiber車地?zé)o線通信系統(tǒng)由OCC子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)及車載子系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)車載PIS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等的業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)雙向大帶寬傳輸。WirelessFiber車地?zé)o線通信系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)和創(chuàng)新：

1)最大帶寬為750 Mbit/s，雙向平均帶寬大于350 Mbit/s，并可根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活調(diào)配上下行帶寬。

2)采用專有空中接口、TDMA(時(shí)分多址)、OFDM(正交頻分復(fù)用)等技術(shù)增強(qiáng)抗干擾能力，基站間距最高可達(dá)1 km，支持列車運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)的通信需求，基站切換時(shí)延<50 ms。

3)具備多級業(yè)務(wù)QoS(服務(wù)質(zhì)量)分級控制功能，支持VLAN(虛擬局域網(wǎng))劃分和優(yōu)先級定義，能滿足不同業(yè)務(wù)的帶寬需求。

在借用現(xiàn)有WirelessFiber車地?zé)o線通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，武漢運(yùn)維系統(tǒng)還采用了如下改進(jìn)措施來提高車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

1)原始數(shù)據(jù)采用壓縮編碼，以節(jié)省傳輸帶寬。根據(jù)測算，車載設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和記錄文件的帶寬需求約為2 Mbit/s。數(shù)據(jù)壓縮后的實(shí)測帶寬為500 kbit/s。

2)為了確保關(guān)鍵信息不丟失，對于實(shí)時(shí)告警信息，武漢運(yùn)維系統(tǒng)采用UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)，以及改進(jìn)擁塞、應(yīng)答確認(rèn)控制等可靠性傳輸保證手段，即使發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失或在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。而對于實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，則采用普通的UDP傳輸。

2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理

武漢運(yùn)維系統(tǒng)需采集列車運(yùn)行過程中的高頻數(shù)據(jù)。在線網(wǎng)化、智能化的運(yùn)營中，高并發(fā)以及高頻率的數(shù)據(jù)接收是整個(gè)運(yùn)維系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)[2]。武漢運(yùn)維系統(tǒng)采取NIO(同步非阻塞的輸入、輸出模型)技術(shù)的Netty網(wǎng)關(guān)框架，可支持1 000列列車以上、100 ms級的數(shù)據(jù)接收處理能力，并支持橫向擴(kuò)展，能滿足整座城市地鐵線網(wǎng)的列車數(shù)據(jù)接收需求。

此外，武漢運(yùn)維系統(tǒng)采用基于Hadoop的大數(shù)據(jù)平臺作為基礎(chǔ)軟件架構(gòu)。通過Kafka組件將數(shù)據(jù)接入大數(shù)據(jù)平臺，以spark流計(jì)算對數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理、解析計(jì)算，并進(jìn)行分布式HBase數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)毫秒級處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并支持自動(dòng)調(diào)度、無縫擴(kuò)容等能力，符合不間斷運(yùn)行維護(hù)的要求。

3 主要應(yīng)用功能

武漢運(yùn)維系統(tǒng)現(xiàn)已成功在武漢地鐵21號線應(yīng)用。根據(jù)武漢地鐵運(yùn)營有限公司的需求，現(xiàn)階段武漢運(yùn)維系統(tǒng)的主要應(yīng)用功能為：城軌列車的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、故障遠(yuǎn)程診斷、日常維護(hù)管理。

3.1 實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示

實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示功能覆蓋了列車的主要專業(yè)系統(tǒng)(如牽引系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等)，可對在線列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視。OCC車輛調(diào)度人員可實(shí)時(shí)掌握運(yùn)營線上每列列車的運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)監(jiān)測范圍不同，實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示可分為線路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示(見圖4)及單臺車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示(見圖5)。

圖4 線路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面

圖5 單臺車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面

線路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能實(shí)時(shí)顯示單線路列車總體情況，包括當(dāng)前線路地圖展示、各列車基于地圖的位置分布、列車運(yùn)行狀態(tài)、列車健康狀態(tài)及列車基本信息等。

單臺車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能可實(shí)時(shí)顯示單臺車所有狀態(tài)，包括當(dāng)前列車位置(含速度、網(wǎng)壓、當(dāng)前站、終點(diǎn)站、上下行等信息)、當(dāng)日運(yùn)行里程統(tǒng)計(jì)及總里程統(tǒng)計(jì)、速度、網(wǎng)壓等關(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的波形曲線、各子系統(tǒng)當(dāng)前健康狀態(tài)、整車實(shí)時(shí)健康狀態(tài)、當(dāng)前時(shí)刻列車故障報(bào)警、當(dāng)前時(shí)刻的故障預(yù)警。單臺車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能可顯示牽引、制動(dòng)、輔助、車門、乘客報(bào)警、煙火、通信、空調(diào)、旁路、軸溫等車載系統(tǒng)的狀態(tài)。單臺車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能還能在地面同步復(fù)制車載司機(jī)屏，實(shí)現(xiàn)車載監(jiān)視數(shù)據(jù)與地面監(jiān)視數(shù)據(jù)的同步，有助于地面人員實(shí)時(shí)掌握列車運(yùn)行工況及司機(jī)的操作情況。

3.2 故障遠(yuǎn)程診斷

武漢運(yùn)維系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，計(jì)算列車的實(shí)時(shí)狀態(tài)，判斷列車當(dāng)前狀態(tài)是否正常。

當(dāng)列車出現(xiàn)異常停車、故障等狀態(tài)時(shí)，武漢運(yùn)維系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警。后臺專家系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心通過遠(yuǎn)程診斷，從智能輔助角度給出故障類型、故障根源，并及時(shí)提供推薦處置方案。用戶可在故障列表(見圖6)中點(diǎn)擊指定故障的“故障診斷”來獲取。

圖6 故障列表界面

3.3 日常維護(hù)管理功能

日常維護(hù)管理功能服務(wù)于日常檢查維護(hù)人員，可提供列車文件數(shù)據(jù)下載、列車車載軟件管理及相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，能為列車的日常檢查工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可減少人員上車操作檢查的時(shí)間和次數(shù)，有效節(jié)省人力資源，提升檢修效率。

4 結(jié)語

本文以列車遠(yuǎn)程可視化運(yùn)維為核心，闡述了武漢地鐵列車遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及用戶的業(yè)務(wù)需求，研究了海量數(shù)據(jù)采集、車地?cái)?shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的具體流程和關(guān)鍵技術(shù)。通過在武漢地鐵21號線的實(shí)際應(yīng)用情況，詳細(xì)闡述了武漢運(yùn)維系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示、故障遠(yuǎn)程診斷及日常維護(hù)管理功能。