機車車載安全防護系統應用研究

■ 劉峰 申宇燕 張瑞芳 延九磊 甘敦文

機車車載安全防護系統應用研究

■ 劉峰 申宇燕 張瑞芳 延九磊 甘敦文

機車車載安全防護系統（6A系統）是針對機車制動、防火、高壓絕緣、列車供電、走行部、視頻等機車重要部位采用實時監測、監視、報警并實現網絡傳輸、統一固態存儲和智能人機交互的安全監測平臺。該平臺具備首創的國內安全監測平臺集成、獨創的無線重聯技術與主從機運行模式、系統的地面數據中心建設等關鍵技術特點，并在國內電力機車、內燃機車、調車機等車型實現工程化應用。最后通過一些應用案例驗證6A系統安全監測的有效性。

機車車載安全防護系統；6A系統；中央處理平臺；地面專家系統；無線重聯；故障關聯診斷

1 概述

1.1 機車安全監測產品現狀

機車作為鐵路運輸過程中的重要移動裝備，其安全性對列車運行起到至關重要的作用。近年來，各鐵路局站段從自己的運用要求及實際情況出發，加裝了機車關鍵部位視頻監視及火災警報系統、走行部檢測裝置、電力機車車頂絕緣檢測裝置等[1-4]。但這些監測設備都采用分布式獨立安裝，單獨供電、單獨診斷、單獨顯示，給司機現場操作與設備管理維護帶來了極大不便；另外，我國機車車型多、分布廣，電力/內燃、客運/貨運、不同功率等級、不同速度等級、不同技術平臺、不同運用地域等因素[2]，形成了對監控內容的不同需求，導致我國機車安全監測設備種類多、型號多、廠商多，迫切需要一個平臺化的裝置對這些監測設備進行綜合集成。

1.2 研制6A系統的意義

基于我國機車安全監測產品運用現狀，在原有安全監測設備基礎上，整體重新設計，構建了機車車載系統、地面專家系統一體化的機車安全防護體系。6A系統具備高效傳輸、統一存儲、智能化人機交互界面，6A系統地面專家系統將在線監測與離線地面綜合評估結合起來，完成了機車安全防護體系的構建。

6A系統是國內首個包括空氣制動安全監測子系統、機車防火監控子系統、機車高壓絕緣檢測子系統、機車列車供電監測子系統、機車走行部故障監測子系統和機車自動視頻監控及記錄子系統等六大類監測功能的機車車載安全設備，監測內容覆蓋了機車90%以上的主要故障，已經在國內電力機車、內燃機車、調車機等車型實現工程化應用。解決了機車運用中突出的安全問題，對保障鐵路機車的運行安全具有重要意義，有效提升了我國機車安全防護系統整體水平。

6A系統是我國首臺集成空氣制動、防護、視頻、高壓絕緣、列車供電、走行部等多項監測內容的平臺化、一體化設備，產品的研制填補了國內相關領域空白；6A系統的使用可全面提升機車安全防護能力，節約開發成本、縮短研發周期，不同車型模塊可動態配置，也為機車運用部門的操作和機車管理部門的監控提供了方便；進行機車安全監測系統集成，不僅可以建立有效的測試檢驗平臺，帶動整個機車安全監測行業乃至鐵路行業的發展，還能形成國內統一的機車安全防護系統技術規范和標準。

2 機車車載安全防護系統

2.1 集成架構

6A系統包括中央處理平臺和安全監測子系統，研究中央處理平臺與子系統之間的接口關系，從而搭建系統的集成架構是對6A系統應用研究的關鍵。

6A系統集成架構見圖1。機箱采用雙層設計，上層是中央處理平臺，下層是六大安全監測子系統，每個監控子系統設計成一個獨立的插件板或插件箱，插入中央處理平臺進行工作。各監控子系統在公用平臺下，使用公用電源、網絡、存儲器、顯示終端等設備，并使用統一設計的機箱、機柜，實現對機車環境的統一物理防護。

6A系統的產品設計與以往機車上所安裝的多個獨立監測設備有著本質的不同，它將每個監測子系統中所需要的供電、存儲、顯示、報警等功能集成到中央處理平臺上，并通過定義全新的軟硬件接口，使子系統能夠共享中央處理平臺的各項功能。

2.2 中央處理平臺和安全監測子系統

6A系統是將原有獨立安全監測設備按照功能模塊進行劃分，將其中公用的部分提取出來，形成統一的中央處理平臺（CPP）。

圖1 6A系統集成架構

CPP是6A系統的核心，承擔6A系統各監測子系統間的數據傳輸、數據管理、數據分析等工作，并對各子系統的數據進行大容量雙備份存儲。CPP通過以太網總線和CAN總線將各單元和6A監控子系統連接起來，構成一個整體，實現6A系統通信網絡。

CPP工作原理：通過實時采集、接收各種車載運用安全監控設備的數據和報警信息，進行綜合診斷分析，并保存記錄各種原始數據；報警和狀態信息及時發送到司機室顯示屏，提示司機進行必要處理；為了保證管理運用檢修部門及時掌握機車實際運行狀態，避免和防止重大安全事故，機車運行過程中以無線方式將報警和狀態信息發送到地面系統。

CPP集合以下六大子系統：機車空氣制動安全監測子系統、機車防火監控子系統、機車高壓絕緣檢測子系統、機車列車供電監測子系統、機車走行部故障監測子系統、機車自動視頻監控及記錄子系統。各監控子系統遵照統一的6A系統通信協議及其定義的幀格式和數據編碼，與CPP通信。

（1）機車空氣制動安全監測子系統。當列車運行中，制動監測板卡從CAN總線獲取速度和停放制動模塊狀態，如果監測到停放制動缸壓力下降或監測到停放施加，則及時報警。

（2）機車防火監控子系統。使用火災探頭感應煙霧、熱量、光等物理量，當超過限值時發出火災報警信息，并及時通知CPP，由CPP在顯示屏上自動切換至火情發生區域的視頻圖像。

（3）機車高壓絕緣檢測子系統。可以檢測機車高壓部件的絕緣狀態。該子系統具備設備自身的短路保護，有網壓時和升弓狀態下自動鎖閉檢測功能及通過系統配備的鑰匙開關，控制系統檢測功能的啟動等一系列功能。

（4）機車列車供電監測子系統。通過列車供電柜獲取電壓、電流、客車集控信號，供電鑰匙等信息，通過CPP獲取機車號、牽引客車車次、輔機工作狀態等詳細信息，通過漏電流檢測模塊獲得漏電流信息，然后把信息綜合形成完善的列車供電系統運行狀態信息，為機車列供柜的運行、檢修提供參考依據。

（5）機車走行部故障監測子系統。通過傳感器采集軸承溫度、振動沖擊數據，齒輪、踏面振動沖擊數據，機車車軸轉速數據，以及車體和構架的振動數據，傳輸至走行部監測板卡，對數據進行診斷分析，并將診斷結果和過程數據通過CAN總線傳送至CPP。

（6）機車自動視頻監控及記錄子系統。實時采集相關監控部位的視頻圖像，通過響應CPP的命令，向平臺發送報警事件相關的視頻圖片。當機車防火監控子系統發現火情時，并可自動切換至火情發生區域的視頻圖像。

2.3 6A系統地面專家系統

地面專家系統以6A各子系統的監測數據為依據，對機車狀態進行評價、對設備狀態進行分析，發現并提示機車在運行中出現的問題或安全隱患。通過長期監測數據的積累，不僅可以對6A系統各模塊的可靠性及穩定性做出統計和評價，還可以形成對6A各子系統全面而客觀地統計與評價。

地面專家系統對車上運行過程中記錄的數據進行存儲、處理、查詢、回放、分析和打印報表，地面數據服務器接收到車上傳來的數據后，把數據解碼保存到數據庫中，同時根據本次運行的數據記錄產生本次運行報告。保存到數據庫中的數據可以供地面使用工作人員查詢、分析和診斷使用。

地面專家系統是一種用數據和量化的方法去分析和診斷列車故障的自動化工具，處理數據的能力大、速度快；通過地面系統對運行過程中所發生的各種情況有詳細的了解，進行故障確認，數據佐證，同時為機車故障判斷和檢修提供有力依據，從而做到對車輛運行狀態的跟蹤和動態質量控制。

3 機車安全監測技術深入研究

根據6A系統的總體集成方案，對6A系統平臺集成、無線重聯、關聯診斷等關鍵技術進行深入研究。

3.1 安全監測平臺集成

6A系統首創了系統中央處理平臺，該平臺已成為全路和諧型電力機車、內燃機車安全防護的核心裝置。該技術有以下特點：

（1）創新了安全監測系統集成和車-地數據聯合調度技術，攻克了大數據量遠端數據傳輸的難關，使得運行機車的關鍵參數與大數據量的視頻流均能實時直達中國鐵路總公司，為機車的實時狀態分析、安全運用、事故指揮救援等提供了堅實的技術保障。

（2）解決了各種技術關節點特別是復雜系統網絡的自適應構建等難題，各型機車安全防護的中央處理平臺、監測子系統、傳感器網絡間的身份識別與故障自檢技術可廣泛推廣應用于相關的應用領域，如客車動態編組信息識別問題。

（3）構建了中央處理平臺及其子系統網絡通信架構，該網絡架構創新的在機車上實現了大數據流與突發事件實時數據流的有機融合，在發生突發事件時既能滿足關鍵問題的實時響應要求，同時配套大數據視頻流又能在相同時空架構基礎上實現完整的時空配準與一致性分析。

3.2 無線重聯技術

獨創的無線重聯技術與主從機運行模式攻克了重載運輸的惡劣運行環境長期使用情況下大數據量信息互聯的技術難點，為保障八軸機車安全完成重載運輸提供了生動的可視操作環境與技術支撐。

在無火回送狀態下，回送的機車一旦發生安全事故，直接影響與該機車相連的牽引機車和被牽引列車的運行安全，通過將無火回送狀態機車安裝的6A系統監測對象（制動、走行部、防火、視頻、高壓絕緣、列車供電）的狀態發送至牽引機車的6A系統，司機通過查看牽引機車6A系統音視頻顯示終端，即可監測無火回送機車的運行狀態，保障無火回送機車的運行安全。

無火回送工況下6A系統重聯信息互通采用主從機的方式，主機為牽引機車，從機為無火回送機車。無火回送機車在低功耗模式下通過無線網絡將6A系統的報警信息發送到主機上，通過司機的人機交互方式建立牽引機車與無火回送機車的網絡互連通道，機車重聯結構見圖2。

無線重聯控制器安裝在6A系統主機柜內（主機箱外部），無線通信天線安裝于一端司機室和二端司機室路況攝像頭處。將6A系統設置為無線重聯主從機后，主機顯示屏上可以通過切換查看主機和從機的數據。

3.3 故障關聯診斷

創新了機車監測聯合診斷技術，將機車制動監測、走行部監測相結合，視頻監測與防火監測聯動，將司機操控與機車所經歷的工況融合，構建了一體化的綜合性機車車載安全防護體系。該體系以大數據分析為背景，將車載監控系統與地面專家系統的關鍵故障特征提取與數據彈性壓縮技術相結合，實現了事件分析、特征提取關鍵狀態的監控與分析整體有機結合。

拓展了運行機車多系統、多傳感器、多信息融合診斷技術領域，該方法為機車安全防護提供了理論支撐，其對復雜動態多學科多系統綜合問題的處理方法與工程集成模式為我國鐵路自主創新做出了新的開拓。

圖2 機車重聯結構

6A系統采用多級診斷、逐級上報的方式實現對自身設備故障的診斷。六大監測子系統中，每個監測子系統負責診斷本系統內的自身設備故障，并將診斷結果上報至CPP主機，主機進行子系統間的關聯診斷，并將結果上報至CPP顯示屏，CPP顯示屏通過界面顯示和語音提示報告給司乘人員。故障診斷流程見圖3。

監測診斷系統在結構上一般可分為三種：第一種為多個獨立功能的監測設備；第二種為一個大型的多功能監測設備；第三種為“中央平臺+監測模塊”。第三種結構關系具備層次清晰、組態靈活、易于擴展、方便維修的優點，因此6A系統采用“中央處理平臺+監控子系統”的形式。

3.4 地面數據中心建設

地面數據管理維護中心利用地面專家系統和數據庫技術，通過鐵路辦公網絡匯集車載監測系統數據，提供數據共享和各監測系統綜合診斷分析，對各在途運行機車的狀態進行評估。

建設6A系統地面數據中心，用于全路6A系統機車的遠程支持、數據分析、報表匯總、狀態跟蹤等。為鐵道管理部門對6A系統的全局管理做好服務，為運用單位對機車動態跟蹤提供支持，為主機廠對機車狀態評估提供參考。

針對數據庫中海量數據進行特征提取和統計分析，研究基于主元分析的數據解耦辦法，建立基于動態貝葉斯網絡的統計識別框架，利用序列蒙特卡洛方法構建相應的系統模型。挖掘出海量數據潛在聯系的模式（相關、趨勢、聚類、軌跡和異常），對數據進行深入分析，回歸預測，發現其潛在的模式特征及變化趨勢，從而對機車運用狀態做出預測。

圖3 6A系統關聯故障診斷流程

4 應用案例

6A系統投入運用以來，在安全事故防護、路外與機車運行相關事故分析、機車運行質量評價等方面發揮了較大作用，如停放制動意外施加引起的脫軌事故防范與分析、內燃機車動力間火災防控、電力機車電器火災防控、運行機車走行部軸承固死的及時報警等。

4.1 停放制動異常施加故障

2013年10月24日晚，北京機務段HXD3C0747機車擔當補機時6A系統報“停放制動異常施加”故障（見圖4）。

8：50—8：54，4 min內集中報警6次“停放制動異常施加”。經過對6A系統數據導入分析，發現此刻對應機車在北京站外線掛車底，正進行頂送作業。9：14—9：25，11 min內報警3次“停放制動異常施加”，對應司機在北京站開出后發現異常后停車。

通過地面專家系統對6A系統數據的制動運行曲線進行分析（見圖5），可以看到機車在此時間段的運行速度、列車管壓力及停放缸壓力變化。8：50—8：55時速度大于5 km/h，同時停放缸壓力為零，機車屬于1、6軸抱閘運行（圖5中畫圈部分），因此6A系統報警“停放制動異常施加”。

圖4 6A系統報停放制動異常施加故障

圖5 HXD3C0747停放制動異常施加報警時刻制動運行曲線

從圖6可看出，8：58：38—5：58：44，停放缸壓力從545 kPa降到0，對應操作應該是司機關閉了B40．06塞門，即切除停放制動缸作用，據司機描述切除后同時到車下對1、6軸卡鉗進行了人工緩解作業，此時停放缸不再產生制動作用。

9：14：10機車重新啟動，9：14：44運行速度為6 km/h，停放缸壓力為0，6A系統認為滿足報警條件，即進行報警“停放制動異常施加”，其實此時停放缸已經被切除，停放缸不具有任何制動作用。

4.2 走行部超溫報警

2013年12月30日，HXD3C0609機車運行至蘭考區間在22：12時6A系統報警：3軸2位升溫報警；22：16再次報警：3軸2位超溫報警（見圖7）。

HXD3C0609機車發生升溫報警產生機破事件后，司機依照6A系統提示實施常用制動主動停車，機車回庫后發現3軸車輪擦傷（見圖8，經分析是3軸電機軸承抱死造成事故和報警），避免了危及機車行車安全的重大事故發生。

5 結束語

提出了機車車載安全防護系統的架構設計，并對CPP及六大安全監測子系統等模塊功能進行簡要描述，系統闡述首創國內安全監測平臺的集成、獨創的無線重聯技術與主從機運行模式、系統的地面數據中心建設等關鍵技術特點，并通過典型報警案例分析驗證6A系統安全監測的有效性。

圖6 停放制動異常施加報警解除時刻制動運行曲線

圖8 3軸車輪擦傷

[1] 吳忠，宋紅霞．機車安全狀態監測信息平臺研究與設計[J]．電力機車與城軌車輛，2011，34(3)：57-60．

[2] 唐獻康，李均良．機車安全信息綜合監測裝置的研制[J]．機車電傳動，2000(4)：22-25．

[3] 黃采倫，樊曉平，陳特放．列車故障在線診斷技術及應用[M]．北京：中國鐵道出版社，2006．

[4] 孫苑，李熙．基于MVB總線的機車安全監測系統設計[J]．鐵路計算機應用，2007(4)：22-20．

劉 峰：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，研究員，北京，100081/ 100094

申宇燕：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/ 100094

張瑞芳：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/ 100094

延九磊：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/ 100094

甘敦文：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/ 100094

責任編輯 高紅義

U268.2

A

1672-061X（2015）02-0017-05

鐵道部科技研究開發計劃項目（2012J010-A）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎特等獎。