基于車載數(shù)據(jù)的車輛狀態(tài)分析軟件功能與應(yīng)用

李海英

(重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司，401122，重慶//工程師)

在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營階段，保證運(yùn)營安全是地鐵運(yùn)營方的重點工作內(nèi)容之一。目前，車輛運(yùn)行狀態(tài)的分析主要基于車載數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測以及歷史數(shù)據(jù)的狀態(tài)分析，而業(yè)界普遍關(guān)注的是如何能夠快速、準(zhǔn)確地檢索與定位車輛的運(yùn)行狀態(tài)，以實現(xiàn)車輛狀態(tài)評估和故障預(yù)警。車輛運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄功能為車輛狀態(tài)評估和故障預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。在車輛全壽命周期中，狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測的設(shè)計思路與車輛的設(shè)計和制造環(huán)節(jié)相反:后者是通過對車輛各部件的設(shè)計以達(dá)到車輛所需的運(yùn)行性能，而前者則是通過對車輛運(yùn)行性能的監(jiān)控以研判列車各部件的性能和狀態(tài)?；谲囕d數(shù)據(jù)來分析列車關(guān)鍵參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)，其現(xiàn)有的處理方法一方面是通過車輛信息設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集、處理與播報，另一方面是通過線下完成數(shù)據(jù)后處理。該方法主要針對車輛各專業(yè)領(lǐng)域的模塊設(shè)備或部分功能，很少涉及設(shè)備或模塊間運(yùn)用狀態(tài)的分析，因此有必要開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)多功能信息查詢、故障定位乃至狀態(tài)分析與安全評估的基于車載數(shù)據(jù)的車輛狀態(tài)分析軟件。

1 軟件架構(gòu)與功能

通過用VC 語言與Matlab 軟件混合編程，開發(fā)了基于車載數(shù)據(jù)的車輛狀態(tài)分析軟件。該分析軟件架構(gòu)如圖1所示。結(jié)合某地鐵車輛車載數(shù)據(jù)的構(gòu)成，軟件需實現(xiàn)以下幾大功能:

1)數(shù)據(jù)文件的讀取與解碼:車載數(shù)據(jù)文件一般以二進(jìn)制形式保存(如.FIL 文件)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)文件讀取與解碼時需要按照相應(yīng)的通信協(xié)議進(jìn)行解碼處理。

2)參數(shù)識別與可視化處理:解碼后的數(shù)據(jù)需要根據(jù)對應(yīng)的物理變量進(jìn)行參數(shù)識別，同時通過調(diào)用嵌入的Matlab 函數(shù)實現(xiàn)曲線顯示與圖形繪制。

3)參數(shù)分析與報表生成:基于列車運(yùn)用參數(shù)變化規(guī)律，完成狀態(tài)分析，通過綁定Excel 數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)報表輸出。

圖1 基于車載數(shù)據(jù)的車輛狀態(tài)分析軟件架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)以某地鐵列車的車載數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。圖2 為某地鐵列車車載數(shù)據(jù)部分協(xié)議的定義。圖3 為應(yīng)用UltraEdit 軟件打開的某地鐵列車車載數(shù)據(jù)FIL文件。對照數(shù)據(jù)協(xié)議可以看出，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點如下:

1)該車載數(shù)據(jù)通過UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)廣播方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每200 ms 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，組播 IP 地址統(tǒng)一為 239.0.0.144-239.0.0.145，組播端口為5 050(即每秒記錄5 個數(shù)據(jù)包);

2)數(shù)據(jù)包的起始數(shù)據(jù)為0x11，可作為數(shù)據(jù)解碼的識別信息，即作為一個完整記錄的開始點;

3)數(shù)據(jù)記錄連續(xù)存儲，每個記錄包含340 個字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖2 某地鐵列車車載數(shù)據(jù)部分協(xié)議的定義

圖3 應(yīng)用UltraEdit 軟件打開的部分車載數(shù)據(jù)文件

1.2 軟件功能模塊

1.2.1 狀態(tài)快速定位

可將根據(jù)數(shù)據(jù)解碼器生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分為3類:時間參數(shù)、列車局部參數(shù)和列車整體參數(shù)。其中:列車局部參數(shù)為對應(yīng)編組內(nèi)全部車輛中具有不同值的某一狀態(tài)數(shù)據(jù)，如軸速等，需通過車輛編號與狀態(tài)信息配合來指定某一參數(shù);列車整體參數(shù)為描述整個編組列車的某一狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可以表征該編組列車全部車輛的某一狀態(tài)，如牽引制動級位(該狀態(tài)信息為司控機(jī)發(fā)出的牽引/制動信號，因此每節(jié)車具有相同的數(shù)據(jù))。另一方面，在進(jìn)行狀態(tài)快速定位處理時，選定的參數(shù)經(jīng)接口變量處理后調(diào)用Matlab 動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)曲線繪制。輸入?yún)?shù)列表如表1所示。

表1 輸入?yún)?shù)列表

表 1 中:參數(shù) x1、x2 和 y 是繪圖數(shù)據(jù);index、num 和datalength 為附加數(shù)據(jù)，為繪圖提供附加信息;width、bgcolor 和 timetpye 為 3 個標(biāo)量參數(shù)，用來設(shè)置繪圖的顯示效果。該繪圖方式借鑒了矢量量化技術(shù)的優(yōu)點，可實現(xiàn)縮小放大調(diào)節(jié)功能。在繪圖函數(shù)中建立索引字典，以index 索引列表伴隨數(shù)據(jù)輸入函數(shù)，將數(shù)據(jù)一一對應(yīng)到相應(yīng)位置。盡管其軟件處理代碼復(fù)雜，但可有效改善數(shù)據(jù)傳輸量的大小。對于海量數(shù)據(jù)處理，這是一種高效的優(yōu)化。

1.2.2 故障統(tǒng)計

故障統(tǒng)計模塊的功能首先是基于數(shù)據(jù)解碼進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理，然后綜合傳感器的采集信息及列車網(wǎng)絡(luò)信息，通過故障分離算法統(tǒng)計故障。在故障統(tǒng)計模塊UI(用戶界面)設(shè)計中，通過設(shè)置2 個選項卡，將故障劃分為VVVF(變壓變頻)設(shè)備故障和制動設(shè)備故障。故障統(tǒng)計模塊界面如圖4所示。

2 軟件測試與應(yīng)用

2.1 軟件測試

軟件測試主要包括功能測試及可移植性測試，具體測試項目包括文件讀取模塊測試、報表生成模塊測試、圖形繪制模塊測試、軟件可移植性測試等。圖形繪制模塊測試中，通過軟件繪圖功能得到的以C1 型車VVVF 電網(wǎng)電壓變化為例的測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 故障統(tǒng)計模塊界面

圖5 繪圖功能測試結(jié)果(以C1 型車電網(wǎng)網(wǎng)壓變化為例)

2.2 應(yīng)用分析

圖6 為某地鐵列車車載數(shù)據(jù)分析結(jié)果。圖6 中局部參數(shù)選取一拖一動車輛的電制動指令值(高位有效)和制動缸壓力值，整體參數(shù)選取牽引制動級位和列車防滑參考速度。由圖6 可見，基于豐富的列車狀態(tài)信息的參數(shù)可視化實現(xiàn)，不僅可以分析列車運(yùn)行狀態(tài)，掌握列車運(yùn)營狀態(tài)，還可進(jìn)行服役參數(shù)與算法分析研究等。

以相同的例子進(jìn)行故障信息快速定位分析。導(dǎo)出并生成的圖7所示的故障狀態(tài)信息列表。

圖6 實例所示列車狀態(tài)信息分析

圖7 故障狀態(tài)信息列表

3 結(jié)語

通過VC 語言與Matlab 軟件混合編程，開發(fā)了基于車載數(shù)據(jù)的車輛狀態(tài)分析軟件。該軟件有利于進(jìn)一步掌握列車運(yùn)用規(guī)律與服役狀態(tài)，滿足了及時、準(zhǔn)確、有效地對車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理與分析的需求;可實現(xiàn)運(yùn)行時段內(nèi)任意時刻的車輛運(yùn)行狀態(tài)信息查詢，實現(xiàn)了車輛故障信息的快速查找和定位等。

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