大秦線重載組合列車中部機車制動閥切除故障自動化分析方案研究*

冀　彬， 蔣文怡， 張訓望

(1　太原鐵路局　機務處， 山西太原 030013；　2　北京交通大學， 北京 100044；3　北京六捷科技有限公司， 北京 100044)

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大秦線重載組合列車中部機車制動閥切除故障自動化分析方案研究*

冀彬1， 蔣文怡2， 張訓望3

(1太原鐵路局機務處， 山西太原 030013；2北京交通大學， 北京 100044；3北京六捷科技有限公司， 北京 100044)

概述大秦線重載組合列車中部機車制動閥切除故障現象及其可能造成的后果，制定故障分析路線和方法,利用各種監測和記錄數據對故障進行深入分析，提出制動閥切除故障自動化分析系統方案，為下一步系統實現故障自動化分析提供參考。

制動閥切除； 自動化； 自動下載

近年來，隨著大秦線年運量不斷增長，編組方式為“1+1+可控列尾”的2萬t重載組合列車開行密度日益增加，重載組合列車制動閥切除故障頻繁發生，對運輸效率的影響日益突出。制動閥切除故障主要表現為當主控司機在長大下坡區段執行減壓制動等操作時，主控機車通過LOCOTROL向從控機車發送制動命令，但因OCU正在執行切換、網絡質量惡化等因素導致從控未能收到減壓制動命令，經過6 s左右，從控機車檢測到列車管壓力流量變化率大于6 Psid/s，從控機車切除向列車管充風的通路，造成制動閥切除故障發生。從控機車切除制動閥后，整列組合列車變成了單邊制動，只有主控機車一個排風口工作，導致制動時間延長，制動距離增加，在化稍營—逐鹿、延慶—茶塢等長大下坡道區段主控再次減壓制動時容易造成制動力不足、從控機車出軌等嚴重事故。

1　分析工作存在的問題

目前人工分析制動閥切除故障過程中，有幾個問題嚴重影響了數據分析的及時性和和準確性，具體如下：

1.1車地設備時間不一致

由于重載組合列車的機車同步操控系統是一個復雜的控制系統，參與工作的模塊涉及到不同廠家的不同生產標準。車—地設備間時間沒有同步；同一臺機車上不同生產廠家的設備間的時間沒有同步；主從控機車上同一種設備間的時間沒有同步。在分析制動閥切除故障數據時，時間點需要精確到毫秒級，設備間的時間同步與否很可能導致得出兩種不同的分析結論。因此，在傳統人工數據分析過程中，僅校對統一時間基準就耗費大量精力，給數據分析帶來很大困擾。

1.2車載設備日志下載困難

重載組合列車各模塊原始數據量較大、設備自身存儲空間小，加之組合列車移動性較強，入庫時間不固定，導致部分車載數據丟失，車載數據下載依靠傳統手動方式，耗費大量人力。

1.3原始記錄數據量巨大

各種記錄日志數據都需要人工逐條核對，特別是在記錄時間不同步的情況下，分析工作量巨大，且容易出錯。同時，由于開行重載組合列車是一個系統工程，涉及到機車、車輛、機車同步操控、通信網絡等各個專業，依靠人工分析時，需要參與分析的人員同時具備多個專業的相關知識。

2　制動閥切除故障自動化分析思路

通過對組合列車同步操縱系統指令傳輸的過程的梳理,提出科學合理的自動化分析思路以及解決方法和預防措施，制定了故障自動化分析的技術路線圖，如圖1所示。

重載組合列車制動閥切除故障的自動化分析的核心是對各類數據的智能診斷、自動分析，各類數據提取的完整與否，將制約整個自動分析報告的準確性。根據技術分析線路圖，需對制動數據傳輸經過的所有設備的數據、G網監測數據和日志進行提取，系統所需數據種類如表1所示。

圖1　分析故障的技術路線圖

設備簡稱主要功能提取數據類型LKJ監控記錄列車運行設備日志DP、CPM主從控數據轉發設備日志CCU存儲機車參數,記錄機車故障事件設備日志OCU車載通信單元,與G網進行通信設備日志AN地面應用節點,主從控數據轉發AN數據G網監測數據監測BTS、BSC、MSC、AN間數據PRI、Abis和A接口數據

3　制動閥切除故障自動分析系統方案

為應對上述難題，應建立統一的綜合自動化分析系統，該系統對重載組合列車車載設備的運行情況進行完整記錄、實時監測、自動下載、對AN和G網監測數據進行遠程傳輸、智能診斷和自動分析。

3.1關鍵技術

要建立自動化分析系統，必須解決以下2個技術難題。

(1)車載設備時間同步

重載組合列車中的關鍵設備由不同生產廠家以不同執行標準、不同設計方法生產而成，缺乏統一規范的時間同步機制，大部分車載設備都依賴于設備自身的時鐘，由于人為修改、初始化時間不準、運行累計誤差等眾多因素都可能導致各設備時間出現偏差。

雖然有部分車載設備建有以衛星授時為基礎的時間同步系統，但是各個設備之間幾乎沒有統一的時間同步標準規范，衛星授時的方式很難在所有車載設備上實現。綜合考慮，LKJ作為鐵路系統中基本的列車運行監測記錄手段，同時在日常的維護管理中，LKJ監控裝置在機車每次的整備作業過程中會進行時間校準，因此，以LKJ監控為各車載設備的時間同步源較為可靠和方便。

車載設備統一授時的技術方案如圖2所示。

重載組合列車車載設備授時系統包含TAX箱數據采集板和授時主機兩部分。TAX箱數據采集板插入TAX箱插槽，在LKJ交互數據中，提取時間信息。數據采集板將獲取的LKJ時間信息發送到授時主機。按照一定周期向其他需要的設備輸出當前時間。各設備根據授時主機的輸出自動調整自身時間。

授時的數據流如圖3所示。

圖2　機車設備統一授時方案

(2)列車數據自動下載

車-地數據傳輸系統是實現車—地信息實時傳送和無縫連接的重要載體，承擔著重載組合列車主、從控機車車載設備實時監測信息與車載日志等記錄信息的傳輸，考慮到列車的移動性較強，可利用WLAN或公眾移動通信網絡等技術，采用無線方式自動下載車載日志。公眾移動網絡和WLAN 主要性能對比如表2所示。

圖3　授時數據流示意圖

性能指標公眾移動網WLAN傳輸速率根據使用的是3G還是4G,傳輸速率從幾兆到幾十兆不等1,2,5,11Mb/s移動速率可達200km/h應用于室內或移動速率很低(步行速度)的室外覆蓋范圍根據運營時的網絡情況決定由用戶自己根據投資大小決定費用運營商負責建設和維護,用戶只需按月支付流量費需要用戶自己建設與維護,但沒有使用費

綜合考慮，隨著公眾移動通信網技術不斷發展并結合我國重載鐵路信息化建設的現有狀況，本著滿足實時監測信息與車載日志等數據傳輸的需求，本系統采用WLAN和公眾移動通信網技術傳輸車載數據。

重載組合列車的車載設備實時監測信息與車載日志經車載數據處理模塊處理后分為實時監測短幀數據和車載日志大容量數據，這兩種類型的數據通過車—地無線傳輸系統傳送至位于湖東機務段的綜合處理中心。傳輸方式包括以下兩個方面：(1)實時監測短幀數據采用基于TCP網絡協議的P2P通信方式，車載無線通信模塊通過公眾移動網絡進行實時監測短幀數據的傳輸，采用TCP這種面向連接的網絡協議可以保證車—地傳輸數據的準確性；(2)車載日志大容量數據的傳輸采用WLAN無線通信技術，結合FTP協議實現車載日志7×24 h不間斷自動下載和實時存儲。重載組合列車回到湖東機務段或者經由沿途車站時，主從控車載設備進入無線網絡覆蓋范圍，車載無線數據處理模塊通過周期性檢測消息檢測到WLAN無線網絡信號后，車載無線通信模塊將第一時間與地面綜合處理中心建立鏈接，隨后綜合處理中心發送文件傳輸控制命令給車載無線通信模塊，控制其發送車載日志大容量數據文件到地面綜合處理中心，從而完成車載數據的自動下載。

3.2故障自動化分析平臺

3.2.1設計思路

故障自動化分析綜合處理中心是集機車設備統一授時、車載設備日志自動下載、地面數據自動采集、各設備監測數據實時處理和存儲、車地數據相互關聯等功能多樣的集合體，為湖東機務段的制動閥切除故障分析工作提供一種科學、合理、高效的自動化工具，綜合處理中心實現主要有兩個目標：第一為湖東機務段搭建一個高效、便捷、直觀的綜合信息化平臺；第二為大秦線重載組合列車的安全高效運行、制動閥切除故障的智能診斷和自動化分析提供支持。該平臺采用Internet和無線通信技術，采用C/S模式，服務端開發使用J2EE技術平臺，模塊化設計，客戶端采用.NET開發環境，借助mySQL數據庫進行各類數據的存儲與自動分析，整個平臺將分布在車載系統、GSM-R網絡接口監測系統、地面應用節點等系統的資源整合在一起。具體平臺構成如圖4所示。

故障自動化分析平臺基于大數據思想、數據挖掘、無線寬帶等技術，對各類監測數據進行分類存儲，將各種典型案例集成至綜合分析平臺案例庫，按照故障分析技術思路進行自動診斷推理，對故障進行自動匹配和歸類，最大限度提高數據分析效率和故障原因定位的準確性，有力地解決了人工分析工作量巨大且容易出錯等突出問題。自動化分析過程如圖5所示。

3.2.2系統功能

故障自動化分析綜合處理中心為整個系統的核心,其主要完成車載無線通信模塊發送的設備日志、AN數據和G網監測數據等進行統一存儲,處理中心基于重載組合列車制動閥切除故障觸發的方式對故障數據進行綜合整合、智能診斷和自動化分析,然后給系統操作維護終端發送自動分析的分析報告和排查建議。

(1)車載子系統

車載通信系統是整個故障自動化分析綜合處理中心較為關鍵的子系統，為整個系統提供實時監測數據和車載日志的數據支持，其功能如下：

①制動閥切除故障數據的實時采集

車載子系統通過車載通信模塊全面、高速地記錄機車司機在制動過程中CCU、OCU、LKJ、DP交互的信息和實時產生的設備日志，在系統架構設計上，通過采用各種軟件濾波算法，及時去除數據實時采集過程中的信號的突發干擾與失真，有效確保各設備采集數據的真實性。

圖4　制動閥切除故障自動化分析系統總體結構圖

圖5　制動閥切除故障自動化分析流程圖

②制動閥切除故障數據的記錄存儲

為了最大限度地減少數據存儲模塊容量的消耗、提高數據處理的效率，車載數據的存儲方式采取事件觸發機制，各設備產生的實時交互數據和設備日志依照數據預處理模塊的文件格式進行統一存儲，以供故障自動化分析平臺進行綜合智能分析。

③車—地信息自動交互

車載子系統采集的各類交互信息和設備日志通過無線通信模塊實現車載信息與地面中心的遠程自動交互，車載無線通信模塊響應地面中心的遠程控制指令和地面中心的數據傳輸請求。

(2)地面子系統

地面子系統是整個故障自動化分析綜合處理中心最為關鍵的子系統，為整個系統提供實時數據的實時存儲、故障智能判斷、原因自動分析的支持，其結構如圖6所示，具體功能如下：

①列車綜合數據存儲

地面子系統通過無線通信網絡獲取車載子系統各類數據，通過鐵路通信專用網絡接收AN系統和G網監測系統數據信息，通過數據預處理模塊存儲為格式統一、內容豐富、顯示直觀的數據。

②智能故障判斷

采用智能故障判斷系統處理車載以及AN系統和G網監測系統數據，根據故障診斷模塊、故障特征庫、數據特征庫和專家智能推理對制動閥切除故障原因進行精確定位，采用故障樹和模糊故障樹分析法對制動閥切除故障的原因進行全面診斷分析，借助自動化處理中心形成故障分析報告,并根據湖東機務段業務處理流程，向各行車調度指揮中心、機務管理部門和技術支持中心及時輸出處理意見。

③遠程技術支持

對重載組合列車制動閥切除故障處理提供遠程技術支持，車-地協同處理制動閥切除故障，縮短故障處理時間。并遠程指導機務段司乘人員進行中部機車制動閥切除的情況下的應急處理。

④信息系統管理及綜合分析

待故障列車到湖東機務段或車站后，利用WLAN將車載子系統記錄的交互信息和設備日志進行自動下載，地面子系統為每列故障機車建立故障庫，對列車運行狀態進行綜合統計分析，為列車維修提供科學合理的支持。

圖6　地面子系統系統結構圖

4　結束語

制動閥切除故障自動化分析平臺是一套基于無線網絡的信息化系統，該系統集成了車載設備實時監測、車載數據自動下載、制動閥切除故障智能診斷等多項功能。系統在設計過程中，基于大數據思想，充分采用了微電子技術、現代網絡技術、無線通信技術以及故障診斷技術，為機務和電務系統聯合分析制動閥切除故障提供了一種全新的、信息化的維護模式及管理手段。

目前機車設備統一授時、車載設備日志自動下載功能已經實現，現場試驗達到了預期效果；地面設備還處于調試階段，后續系統聯調過程難免遇到一些其他問題，還需不斷進行研究和完善。

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JIBin1,JIANGWenyi2,ZHANGXunwang3

(1Locomotive Department, Taiyuan Railway Bureau, Taiyuan 050000 Shanxi, China;2Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;3Beijing Liujie Technology Co., Ltd., Beijing 100044, China)

This paper introduces the phenomenon and the possible consequences of the brake resection fault of central locomotive in Daqin Line heavy haul combination train, formulates the fault analysis route and methods, and puts forward the scheme of brake resection fault automated analysis system by using a variety of monitoring and recording data, which can provide a reference for brake fault automatic analysis in future.

brake resection; automation; automatic download

1008-7842 (2016) 02-0059-05

男，教授級高級工程師(

2015-11-02)

U279.3+5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.14

*中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2014J001-D)