地鐵列車安全運行的遠程診斷技術(shù)

李啟磊 李臣明 馮新穎 王良良

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

現(xiàn)有的地鐵安全運營主要依賴車載故障診斷系統(tǒng)和OCC（運營控制中心）的幫助。車載故障診斷系統(tǒng)只能在車輛回庫后才能下載數(shù)據(jù)進行診斷，無法實現(xiàn)實時診斷。OCC 主要依據(jù)司機對故障現(xiàn)象的描述進行診斷。由于OCC 人員無法掌握車輛各電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，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(shù)，實現(xiàn)遠程實時采集地鐵車載數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡(luò)標準（IEC61375）適用于列車的數(shù)據(jù)通信。TCN 列車總線一般分為兩部分：用于連接各節(jié)可動態(tài)編組車輛的列車級通信網(wǎng)絡(luò)絞線式列車總線（Twisted Train Bus，簡為WTB）以及用于連接車廂內(nèi)固定設(shè)備的車輛級通信網(wǎng)絡(luò)多功能車輛總線（Multifunctional Vehicle Bus，簡為 MVB）［2］。國內(nèi)地鐵列車大都采用了基于MVB 標準的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。通過采集和分析處理列車運行過程中產(chǎn)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(tài)和設(shè)備記錄數(shù)據(jù)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(shù)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(shè)目標包括：

（1）正確解讀已有地鐵列車信息系統(tǒng)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?zhèn)鬏斣谕镜罔F列車安全運行狀態(tài)信息，為實現(xiàn)對在途地鐵車輛的運行安全監(jiān)視、預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持；

（3）通過對列車在線檢測設(shè)備記錄數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、智能判斷，向地鐵駕駛員途中故障處理提供遠程技術(shù)支持；

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

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

遠程診斷系統(tǒng)主要由車載接入子系統(tǒng)、車地通信子系統(tǒng)、地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)3部分構(gòu)成各子系統(tǒng)對應(yīng)項目需求的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)層次劃分

根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)及實施目標，可將系統(tǒng)劃分為物理設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)4 個層次（如圖2所示）。

設(shè)備層主要包含：車載接入子系統(tǒng)用于完成TCMS（列車控制管理系統(tǒng)）信息采集、監(jiān)測和存儲功能的電路板；地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)用于接收TCMS信息和發(fā)送故障診斷信息和指令的服務(wù)器；車地通信子系統(tǒng)中用于收發(fā)數(shù)據(jù)的無線射頻模塊、WIFI網(wǎng)關(guān)、路由器、防火墻。

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

圖2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層包含：TCMS監(jiān)測信息和存儲，數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用服務(wù)層包含：車載子系統(tǒng)中的人機交互服務(wù)，通過人機交互模塊實現(xiàn)向司機展示故障告警、運行狀態(tài)、操作方式和回傳指令；地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)的實時遠程監(jiān)測服務(wù)、故障分析預(yù)警服務(wù)、專家?guī)煸\斷決策等。

2.3 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)通過車載狀態(tài)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(tǒng)，實現(xiàn)對地鐵列車安全狀態(tài)的預(yù)警。

2.3.1 車載信息接入功能

車載信息接入功能主要負責(zé)地鐵列車狀態(tài)參數(shù)、安全信息及綜合監(jiān)測信息的采集、處理、記錄、傳輸與轉(zhuǎn)儲，將信息打包發(fā)送至地鐵列車無線傳輸模塊，經(jīng)由車地通信系統(tǒng)傳輸?shù)降孛婢C合應(yīng)用系統(tǒng)并為之提供數(shù)據(jù)支持。具體功能如下。

（1）TCMS信息解譯：針對地鐵列車現(xiàn)有各信息系統(tǒng)的通信機制規(guī)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS 232格式的數(shù)據(jù)。

（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(qū)動，并能實時將地面處理、判斷的結(jié)果進行有效展示。

（4）車載信息傳輸與內(nèi)外收發(fā)：通過多種無線射頻芯片實現(xiàn)多網(wǎng)多待，完成地鐵列車狀態(tài)信息傳輸至地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

（5）車載人機交互：通過觸摸屏實現(xiàn)顯示地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)的故障診斷結(jié)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(zé)將車載信息傳輸?shù)降孛婢C合應(yīng)用系統(tǒng)，為狀態(tài)檢測、智能診斷與維護提供通信服務(wù)；同時負責(zé)把地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)的故障診斷結(jié)果傳輸?shù)杰囕d接入系統(tǒng)指導(dǎo)地鐵列車司機操作與維護。由于CDMA 無線公網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，抗多徑干擾、抗衰弱性能好，尤其是越區(qū)軟切換不易掉線的優(yōu)點，因此，該系統(tǒng)快速移動中的通信方式主要采用 CDMA 網(wǎng)絡(luò)，GSM／GPRS 作為備用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)雙網(wǎng)雙待；同時，提供車載信息需海量數(shù)據(jù)交換和移動網(wǎng)絡(luò)中斷時采用WIFI無線局域網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)配置：本系統(tǒng)的通信方式支持CDMA2 000、GSM／GPRS及WIFI3種網(wǎng)絡(luò)。車載接入系統(tǒng)主控芯片具有連接這3種網(wǎng)絡(luò)的接口，并配置和初始化這3種網(wǎng)絡(luò)。地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)是具有固定IP地址的以太網(wǎng)終端設(shè)備，以固定IP地址接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)切換：車載接入系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時，按優(yōu)先性和實時性選擇 CDMA2 000、GSM／GPRS 與WIFI 3種網(wǎng)絡(luò)中的一種，并在某一網(wǎng)絡(luò)中斷時能夠選擇其他2種網(wǎng)絡(luò)中的一種傳輸數(shù)據(jù)。車載接入系統(tǒng)的內(nèi)外收發(fā)功能區(qū)的硬件與軟件支持此網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)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(tǒng)計分析等功能，具體功能如下。

（1）專家?guī)欤簩＜規(guī)旖⒁蕾囉趯嶋H需求、歷史資料信息和專家經(jīng)驗知識。以地鐵列車安全狀態(tài)集及地鐵列車故障類型為基礎(chǔ)，整理、歸并、表達判斷規(guī)則，建立可供地鐵列車安全監(jiān)測以及故障正確發(fā)現(xiàn)和判斷的原始專家?guī)臁Ｋ鳛榈孛婢C合系統(tǒng)故障診斷的重要依據(jù)和基準。

（2）安全狀態(tài)分析與故障診斷：對接收到的地鐵列車安全狀態(tài)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(tài)表達和故障判斷。

（3）地面系統(tǒng)處理中心：地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)的控制中心與運算中心。需要控制地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)的信息獲取、信息傳輸與收發(fā)、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(fā)：基于車地通信系統(tǒng)中采用的多網(wǎng)融合模式，地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)的信息接收和傳輸只需具有固定IP 地址的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口。

（5）地面人機交互：根據(jù)系統(tǒng)需求，正確、及時展示地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)獲取到的地鐵列車安全狀態(tài)，并對監(jiān)測到的故障信息進行預(yù)報和預(yù)警。

2.4 系統(tǒng)接口

2.4.1 與地鐵列車接口

本系統(tǒng)對外的接口主要是車載接入子系統(tǒng)與地鐵列車上原有TCMS系統(tǒng)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(tǒng)透明地連接于TCMS系統(tǒng)的MVB 總線上。TCMS系統(tǒng)既接收MVB總線上數(shù)據(jù)又發(fā)送數(shù)據(jù)到MVB 總線上，而車載接入子系統(tǒng)僅接收MVB總線上數(shù)據(jù)。

2.4.2 與其他應(yīng)用系統(tǒng)接口

本項目系統(tǒng)實際運行后需與地鐵系統(tǒng)中的其他應(yīng)用系統(tǒng)對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。因此本系統(tǒng)通過路由器與其他應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通。

2.5 子系統(tǒng)交互

3個子系統(tǒng)之間交互為：①車載接入子系統(tǒng)實時自報所有數(shù)據(jù)至地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)；②地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)將診斷信息、排除故障的操作傳輸至車載接入子系統(tǒng)。

3 技術(shù)難點

3.1 MVB信號采集

MVB 信號采集設(shè)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(jīng)過分析得到：MVB 協(xié)議如同以太網(wǎng)一樣，是一種基于總線的協(xié)議，每一個 MVB 設(shè)備都掛接到同一根總線上。與以太網(wǎng)不同的是，MVB 協(xié)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(shè)備稱為主設(shè)備，其它設(shè)備都為從設(shè)備。主設(shè)備控制總線的訪問，從設(shè)備都是在得到主設(shè)備允許后才能訪問總線。MVB 信號采集設(shè)備作為從設(shè)備掛接到MVB 總線上，與普通從設(shè)備不同的是，這個采集設(shè)備對于該總線的主設(shè)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(jīng)過該總線的所有數(shù)據(jù)截獲下來，而不管這些幀是否是發(fā)給自己的。由于MVB 協(xié)議的所有數(shù)據(jù)在鏈路層上都是通過廣播發(fā)送的，因此這個 MVB信號采集設(shè)備可以監(jiān)聽到所有數(shù)據(jù)。

MVB信號采集模塊完成 MVB 信號轉(zhuǎn)換為RS232信號的功能。它采用片上系統(tǒng)（SOC）的方式，基于FPGA（現(xiàn)場可編門陣列）設(shè)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(jiān)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(shè)備如同一個普通MVB 從設(shè)備一樣工作。不過與普通MVB 從設(shè)備不同的是，它是一個完全被動的設(shè)備，不能干擾 MVB 總線的正常運行。不管這個采集設(shè)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(shè)備只是接收并保存所有通過 MVB 總線的數(shù)據(jù)，不發(fā)出任何數(shù)據(jù)。而且它不存在于 MVB 總線主設(shè)備的周期輪詢表里，它不需要分配 MVB 設(shè)備地址，因此，它對于整條總線是透明的。

該遠程診斷技術(shù)研制的采集設(shè)備以從設(shè)備的方式接入到MVB總線上，經(jīng)過南京地鐵3號線和無錫地鐵2號線地鐵列車的靜態(tài)和動態(tài)調(diào)試后驗證，該采集設(shè)備不影響TCMS系統(tǒng)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(tǒng)從MVB 總線上采集的信號每一位或每一個字節(jié)的含義。

通過深入分析MVB總線的協(xié)議和數(shù)據(jù)的傳輸方式，確定采集的MVB總線信號的格式，根據(jù)每個子系統(tǒng)與TCMS系統(tǒng)交互的接口文件的數(shù)據(jù)定義，以及TCMS系統(tǒng)中IO 設(shè)備中每個數(shù)據(jù)的定義，解析了車載系統(tǒng)從TCMS系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)。

通過采集和傳輸試驗，車載系統(tǒng)采集TCMS系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)發(fā)送到地面系統(tǒng)后，地面系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)信息與TCMS系統(tǒng)在地鐵列車上顯示器上顯示的內(nèi)容一致。

3.3 車地通信方式

車地通信方式既要滿足實時數(shù)據(jù)的傳輸又要實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的傳輸。

車載信息傳輸至地面綜合應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)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(shù)據(jù)借助車地傳輸系統(tǒng)傳送至地面數(shù)據(jù)處理中心。除此之外，傳輸?shù)男畔⑦€包括車地（地對車）之間的遠程控制數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)車地之間的遠程交互。系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議的點對點傳輸方式，通過無線公網(wǎng)CDMA2 000、GSM／GPRS與公用數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用TCP協(xié)議實現(xiàn)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(wǎng)，在雙網(wǎng)雙待無法鏈接或無法滿足流量時采用基于WLAN（無線局域網(wǎng)）無線通信技術(shù)。地鐵列車到站后，車載系統(tǒng)進入WIFI的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，無線傳輸系統(tǒng)檢測到WIFI網(wǎng)絡(luò)信號后，將第一時間發(fā)送文件傳輸控制命令給車載信息系統(tǒng)，要求上傳大容量記錄信息文件，在網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定的情況下，利用WIFI網(wǎng)絡(luò)自動下載到地面的通信服務(wù)器中。

通過采集和傳輸實驗，車載系統(tǒng)采集TCMS系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)分成有變化的小容量數(shù)據(jù)和全體的大容量數(shù)據(jù)，分別采用不同的傳輸方式發(fā)送到地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)可以準確地接收這些數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

該遠程診斷技術(shù)的實現(xiàn)將可以遠程及時掌握運營列車的各項運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障，指導(dǎo)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(chǎn)生的各項經(jīng)濟損失。同時將可應(yīng)用在地鐵OCC 指揮中心用于對地鐵司機進行在線指導(dǎo)，更加準確有效地提供診斷意見。

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