地鐵列車安全運行的遠程診斷技術

李啟磊 李臣明 馮新穎 王良良

（1.南車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京；2.河海大學計算機與信息學院，211100，南京／／第一作者，工程師）

現有的地鐵安全運營主要依賴車載故障診斷系統和OCC（運營控制中心）的幫助。車載故障診斷系統只能在車輛回庫后才能下載數據進行診斷，無法實現實時診斷。OCC 主要依據司機對故障現象的描述進行診斷。由于OCC 人員無法掌握車輛各電氣設備的工作狀態，存在診斷不準確弊端，為解決上述問題，需要研究一種遠程診斷技術，實現遠程實時采集地鐵車載數據，并在遠程提供實時診斷意見，提高地鐵安全運營可靠性。

TCN（列車通信網絡標準（IEC61375）適用于列車的數據通信。TCN 列車總線一般分為兩部分：用于連接各節可動態編組車輛的列車級通信網絡絞線式列車總線（Twisted Train Bus，簡為WTB）以及用于連接車廂內固定設備的車輛級通信網絡多功能車輛總線（Multifunctional Vehicle Bus，簡為 MVB）［2］。國內地鐵列車大都采用了基于MVB 標準的網絡控制系統。通過采集和分析處理列車運行過程中產生的各類信息，可以大大提高列車運行維護的時效性，從而有效保障列車運行安全。

1 研究目標

通過對地鐵列車運行狀態和設備記錄數據的實時無線傳輸，向列車提供實時故障診斷信息，進而為故障處理提供遠程技術支持，減少地鐵列車正線運營過程中的故障處理時間和清客率。具體建設目標包括：

（1）正確解讀已有地鐵列車信息系統的信號及所需接口信息，并匯總為所需信號集模塊；

（2）向地面傳輸在途地鐵列車安全運行狀態信息，為實現對在途地鐵車輛的運行安全監視、預警提供數據支持；

（3）通過對列車在線檢測設備記錄數據的實時監測、智能判斷，向地鐵駕駛員途中故障處理提供遠程技術支持；

（4）設計智能診斷方法與技術，充分利用車載設備的檢測記錄信息，對列車運行狀態進行判斷并進行故障報警。

2 系統方案

2.1 系統架構

遠程診斷系統主要由車載接入子系統、車地通信子系統、地面綜合應用子系統3部分構成各子系統對應項目需求的整體架構如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

2.2 系統層次劃分

根據系統總體架構及實施目標，可將系統劃分為物理設備、通信網絡、數據和應用服務4 個層次（如圖2所示）。

設備層主要包含：車載接入子系統用于完成TCMS（列車控制管理系統）信息采集、監測和存儲功能的電路板；地面綜合應用子系統用于接收TCMS信息和發送故障診斷信息和指令的服務器；車地通信子系統中用于收發數據的無線射頻模塊、WIFI網關、路由器、防火墻。

通信網絡層主要包含：車載總線MVB、RS232；車地通信子系統的3 種無線網絡（CDMA（碼分多址）、GPRS（運用分組無線服務技術）和 WIFI，地面系統的以太網。

圖2 系統層次結構

數據層包含：TCMS監測信息和存儲，數據庫。

應用服務層包含：車載子系統中的人機交互服務，通過人機交互模塊實現向司機展示故障告警、運行狀態、操作方式和回傳指令；地面綜合應用子系統的實時遠程監測服務、故障分析預警服務、專家庫診斷決策等。

2.3 系統功能

本系統通過車載狀態信息的抽取、采集和融合，采用以CDMA2 000為主，GSM／GPRS和WIFI為備用的車地通信方式，最后基于故障診斷專家系統，實現對地鐵列車安全狀態的預警。

2.3.1 車載信息接入功能

車載信息接入功能主要負責地鐵列車狀態參數、安全信息及綜合監測信息的采集、處理、記錄、傳輸與轉儲，將信息打包發送至地鐵列車無線傳輸模塊，經由車地通信系統傳輸到地面綜合應用系統并為之提供數據支持。具體功能如下。

（1）TCMS信息解譯：針對地鐵列車現有各信息系統的通信機制規范，通過MVB 信號采集單元采集TCMS的MVB總線信號，基于試驗和分析采集的 MVB 總線信號，最后完成 TCMS 信號的解譯。

（2）車載信息采集：在不影響TCMS正常工作的前提下通過隔離的MVB 接口采集MVB 總線上所有信號，并把 MVB 總線格式的數據轉換為RS 232格式的數據。

（3）車載信息總控：對車載信息采集、信息傳輸、人機交互功能的集中控制。能正確理解地鐵列車駕駛員的需求驅動，并能實時將地面處理、判斷的結果進行有效展示。

（4）車載信息傳輸與內外收發：通過多種無線射頻芯片實現多網多待，完成地鐵列車狀態信息傳輸至地面綜合應用系統。

（5）車載人機交互：通過觸摸屏實現顯示地面綜合應用系統的故障診斷結果和各種地鐵列車駕駛員的操作輸入。

2.3.2 車地信息傳輸功能

車地信息傳輸功能負責將車載信息傳輸到地面綜合應用系統，為狀態檢測、智能診斷與維護提供通信服務；同時負責把地面綜合應用系統的故障診斷結果傳輸到車載接入系統指導地鐵列車司機操作與維護。由于CDMA 無線公網具有網絡覆蓋好，抗多徑干擾、抗衰弱性能好，尤其是越區軟切換不易掉線的優點，因此，該系統快速移動中的通信方式主要采用 CDMA 網絡，GSM／GPRS 作為備用網絡，實現雙網雙待；同時，提供車載信息需海量數據交換和移動網絡中斷時采用WIFI無線局域網方式的功能選擇，這是在地鐵列車停站時車載盒與站臺上的WIFI站點通信。

（1）網絡配置：本系統的通信方式支持CDMA2 000、GSM／GPRS及WIFI3種網絡。車載接入系統主控芯片具有連接這3種網絡的接口，并配置和初始化這3種網絡。地面綜合應用系統是具有固定IP地址的以太網終端設備，以固定IP地址接收和發送數據。

（2）網絡切換：車載接入系統傳輸數據時，按優先性和實時性選擇 CDMA2 000、GSM／GPRS 與WIFI 3種網絡中的一種，并在某一網絡中斷時能夠選擇其他2種網絡中的一種傳輸數據。車載接入系統的內外收發功能區的硬件與軟件支持此網絡切換。

2.3.3 地面綜合信息處理功能

地面綜合信息處理功能主要實現設備運行狀態顯示、實時故障報警、故障專家診斷、遠程維護支持以及故障統計分析等功能，具體功能如下。

（1）專家庫：專家庫建立依賴于實際需求、歷史資料信息和專家經驗知識。以地鐵列車安全狀態集及地鐵列車故障類型為基礎，整理、歸并、表達判斷規則，建立可供地鐵列車安全監測以及故障正確發現和判斷的原始專家庫。它作為地面綜合系統故障診斷的重要依據和基準。

（2）安全狀態分析與故障診斷：對接收到的地鐵列車安全狀態信息的具體分析與篩選；采用故障診斷方法，進行地鐵列車安全狀態表達和故障判斷。

（3）地面系統處理中心：地面綜合應用系統的控制中心與運算中心。需要控制地面綜合應用系統的信息獲取、信息傳輸與收發、人機交互等功能的正常運行，并對接收到的車載信息進行正確運算處理。

（4）地面信息傳輸與收發：基于車地通信系統中采用的多網融合模式，地面綜合應用系統的信息接收和傳輸只需具有固定IP 地址的以太網網絡接口。

（5）地面人機交互：根據系統需求，正確、及時展示地面綜合應用系統獲取到的地鐵列車安全狀態，并對監測到的故障信息進行預報和預警。

2.4 系統接口

2.4.1 與地鐵列車接口

本系統對外的接口主要是車載接入子系統與地鐵列車上原有TCMS系統之間的接口，此接口主要采用隔離的MVB 接口，使車載接入子系統透明地連接于TCMS系統的MVB 總線上。TCMS系統既接收MVB總線上數據又發送數據到MVB 總線上，而車載接入子系統僅接收MVB總線上數據。

2.4.2 與其他應用系統接口

本項目系統實際運行后需與地鐵系統中的其他應用系統對接，實現數據共享。因此本系統通過路由器與其他應用系統實現信息互通。

2.5 子系統交互

3個子系統之間交互為：①車載接入子系統實時自報所有數據至地面綜合應用子系統；②地面綜合應用子系統將診斷信息、排除故障的操作傳輸至車載接入子系統。

3 技術難點

3.1 MVB信號采集

MVB 信號采集設備的功能要求在不影響TCMS正常工作的前提下采集 MVB 總線上所有信號。

經過分析得到：MVB 協議如同以太網一樣，是一種基于總線的協議，每一個 MVB 設備都掛接到同一根總線上。與以太網不同的是，MVB 協議解決總線訪問沖突的辦法是主從控制。即：總線上有且只有一個 MVB 設備稱為主設備，其它設備都為從設備。主設備控制總線的訪問，從設備都是在得到主設備允許后才能訪問總線。MVB 信號采集設備作為從設備掛接到MVB 總線上，與普通從設備不同的是，這個采集設備對于該總線的主設備是不可見的，這樣是為了不影響總線的正常運行，而且它會將經過該總線的所有數據截獲下來，而不管這些幀是否是發給自己的。由于MVB 協議的所有數據在鏈路層上都是通過廣播發送的，因此這個 MVB信號采集設備可以監聽到所有數據。

MVB信號采集模塊完成 MVB 信號轉換為RS232信號的功能。它采用片上系統（SOC）的方式，基于FPGA（現場可編門陣列）設置MVB 控制器和RS232控制器，通過 MVB 接口連接到 MVB總線上，以及通過RS232 接口連接到車載監控模塊。MVB信息采集模塊與MVB 總線連接是透明連接的方式。

MVB信號采集設備如同一個普通MVB 從設備一樣工作。不過與普通MVB 從設備不同的是，它是一個完全被動的設備，不能干擾 MVB 總線的正常運行。不管這個采集設備是否存在該總線上，MVB 總線將以完全同樣的方式運行。所以，該采集設備只是接收并保存所有通過 MVB 總線的數據，不發出任何數據。而且它不存在于 MVB 總線主設備的周期輪詢表里，它不需要分配 MVB 設備地址，因此，它對于整條總線是透明的。

該遠程診斷技術研制的采集設備以從設備的方式接入到MVB總線上，經過南京地鐵3號線和無錫地鐵2號線地鐵列車的靜態和動態調試后驗證，該采集設備不影響TCMS系統和車輛的正常運行。

3.2 TCMS信息解析

其難點在于為何確定車載系統從MVB 總線上采集的信號每一位或每一個字節的含義。

通過深入分析MVB總線的協議和數據的傳輸方式，確定采集的MVB總線信號的格式，根據每個子系統與TCMS系統交互的接口文件的數據定義，以及TCMS系統中IO 設備中每個數據的定義，解析了車載系統從TCMS系統采集的所有數據。

通過采集和傳輸試驗，車載系統采集TCMS系統的所有數據發送到地面系統后，地面系統顯示的數據信息與TCMS系統在地鐵列車上顯示器上顯示的內容一致。

3.3 車地通信方式

車地通信方式既要滿足實時數據的傳輸又要實現大容量數據的傳輸。

車載信息傳輸至地面綜合應用系統，根據容量可分為小容量的實時信息和大容量的記錄信息2種，這2種類型的數據借助車地傳輸系統傳送至地面數據處理中心。除此之外，傳輸的信息還包括車地（地對車）之間的遠程控制數據，從而實現車地之間的遠程交互。系統功能與傳輸策略包括以下幾個方面：①實時信息采用基于TCP／IP 網絡協議的點對點傳輸方式，通過無線公網CDMA2 000、GSM／GPRS與公用數據網，采用TCP協議實現車地之間的可靠連接。②大容量記錄信息的傳輸首選具有4 MHz傳輸速率的CDMA2000無線公網，在雙網雙待無法鏈接或無法滿足流量時采用基于WLAN（無線局域網）無線通信技術。地鐵列車到站后，車載系統進入WIFI的無線網絡覆蓋范圍，無線傳輸系統檢測到WIFI網絡信號后，將第一時間發送文件傳輸控制命令給車載信息系統，要求上傳大容量記錄信息文件，在網絡信號穩定的情況下，利用WIFI網絡自動下載到地面的通信服務器中。

通過采集和傳輸實驗，車載系統采集TCMS系統的所有數據后把數據分成有變化的小容量數據和全體的大容量數據，分別采用不同的傳輸方式發送到地面系統。地面系統可以準確地接收這些數據。

4 結語

該遠程診斷技術的實現將可以遠程及時掌握運營列車的各項運行狀態，及時發現故障，指導司控人員解決車輛故障。提高車輛故障的診斷準確性和減少由車輛故障所產生的各項經濟損失。同時將可應用在地鐵OCC 指揮中心用于對地鐵司機進行在線指導，更加準確有效地提供診斷意見。

［1］路向陽.列車通信網絡的發展與應用綜述［J］.機車電傳動，2002（1）：5.

［2］王俊景.列車通信網絡簡介［J］.城市軌道交通研究，2005（6）：83.

［3］周怡，毛中亞.基于OPNET 認真軟件的列車通信網絡研究［J］.城市軌道交通研究，2014（2）：42.