基于工業以太網的動車組失穩檢測技術研究*

延九磊, 申宇燕, 曾陸洋, 韓彥青

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

高速列車運行過程中，隨著列車速度的提高，列車所處的動態環境變化非常迅速，輪軌間動力作用不斷加劇，同時線路不平順產生的激擾或者列車本身固有部件的故障，會導致列車橫向穩定性異常，如未及時發現，可能會造成列車橫向失穩，危及行車安全。

高速動車組轉向架監測技術在安全監測中是近年來不斷引起重視的一個領域，我國近年來提出的動車組安全監測標準，明確提出要進行高速轉向架橫向失穩的狀態監測。眾所周知，引起轉向架橫向失穩的第一要素是輪對踏面錐度，其他包括轉臂定位節點的剛度，抗蛇行減振器的性能等。而這些要素都會隨著運用里程的增加而磨耗加劇，性能下降。因而通過監測橫向穩定性亦可實現轉向架的狀態維修。

我國早在十幾年前就開始對客車轉向架失穩檢測技術進行研究，在這方面積累了豐富的經驗。而針對高速動車組的轉向架失穩檢測技術的研究剛剛起步，需要根據高速動車組運行速度高、軌道平順度、運用工況、轉向架結構等特點，研究適用于高速動車組轉向架的失穩檢測技術。

1 列車工業以太網技術

近年來, 隨著動車組網絡控制系統、牽引系統、制動系統、安全監測系統控制實時性要求越來越高，健康管理和全方位、多維度故障診斷及維修要求的提升，以及各種新的服務不斷出現，諸如視頻傳輸、遠程診斷、旅客信息服務等, 使得列車通信的信息傳輸量大大增加。既有的列車通信網絡中現場總線主要包括TCN、Lonworks、WorldFIP、ARCENT以及CAN等。既有網絡在傳輸業務多樣化、帶寬及傳輸速率、成本和兼容性等方面暴露出一些應用瓶頸[1]：

(1)通用性較差。既有列車通信中的現場總線由不同的公司設計并生產運用，所采用的的通信協議等不統一，開放性不足，不同公司的控制器之間不能實現高速的實時數據傳輸,導致"自動化孤島"現象的出現，造成了一定的資源浪費。

(2)通信速率較低。在光纖傳播中，Lonworks的最大傳輸速率為1.25 Mb/s，ARCNET最大為2.5 Mb/s，MVB為1.5 Mb/s，CAN最大為1 Mb/s，WTB為1 Mb/s，而目前以太網的數據傳輸速率已達到100 Mb/s，相對比以太網在通信速率上存在很大優勢。

以太網具有傳輸速率高，通用性強，集成性強的優點，在列車網絡中可以實現在不同組網之間的互用和兼容。隨著各種新型大數據應用需求的提出，以及未來的高速列車網絡對高帶寬的要求，以太網技術展現了其網絡性能上的巨大優勢。它不僅能夠完成列車通信網絡中的高層應用功能，也能夠連接底層車載控制設備，建立集列車控制功能與乘客信息服務功能為一體的新型寬帶網絡，實現列車多業務網絡融合，是列車網絡發展的趨勢。

以太列車通信網絡的網絡拓撲是包含一個或多個列車骨干網絡子網和一個或多個列車編組網絡子網的分層結構，終端設備(End Device，ED)可以直接連在以太列車骨干網節點上。其分層結構如圖1所示。

圖1 以太列車通信網絡拓撲圖

上層是以太列車骨干網(Ethernet train backbone，ETB)，是列車級以太網，呈線性拓撲結構貫穿全列車，在列車上ETB網絡可以分為車廂內部、車廂連接、列車編組內部3個區域，分別是在某節車廂、車廂之間、編組接口處的無源組件和有源網絡設備等，例如列車級的以太網交換機和中繼器[2]。

下層是以太列車編組網(EthemetConsistNetwork，ECN)，是車輛級以太網，列車編組網中ECN和終端設備互連。當一個ECN連接到列車骨干網時，必須通過一個列車骨干節點(Train Backbone Node，TBN)，或一組冗余的列車骨干節點，共性需求是一個TBN可以在ECN和列車骨干網之間轉發用戶數據包。

2 基于列車工業以太網的失穩檢測系統設計方案

本系統采用工業以太網作為網絡通信方式，采用兩級網絡架構方案，分別是列車級以太網和車廂級以太網。列車級以太網實現多車廂數據通信，每個車廂設置以太網代理節點，多個代理節點之間對等通信，不區分主從。車廂內部的以太網通信采用星型結構，每個車廂檢測設備都具備以太網通信接口，并與本車的代理節點互聯，經過交換和路由算法，與本車或與列車進行通信。技術方案包含的主要內容如下：

(1)研究安全監測數據的列車級網絡傳輸方案，通過車廂以太網代理節點實現安全監測節點的識別與握手，代理節點間的數據交換與路由。以太網不同于其他現場總線，其多個代理節點之間必須經過交換或路由才能通信，針對動車組多級數據交換與路由，必須在硬件和協議上進行強化，減少數據交換延時，并采取冗余通信機制，以確保單點失效后全網的其他節點能夠實現數據跨接，不受失效節點的影響。

(2)研究安全監測數據的車廂級網絡傳輸方案，以車廂代理節點為頂層節點，車廂內部研制專用的以太網數據交換設備，并將安全監測設備在車廂內部形成子網，車廂內部通信不受全列車影響，其子網內的IP也可按規則進行有序分配，不同車廂之間的IP地址分配方案，不影響全列車通信。

(3)車廂級主機內部采用基于以太網的實時數據庫系統，安全監測系統最重要的功能就是數據的采集與診斷，引入實時數據庫系統，基于TCP/IP協議，并利用標準SQL語句實現數據的檢索，將對本車內部數據的多特征對比，全列數據橫向對比，歷史數據縱向對比，能夠更加準確的分析故障或報警的發展趨勢，為列車運行安全的可預測性提供基礎支持庫。

2.1 體系結構

失穩檢測裝置用來檢測高速動車組轉向架狀態，具有轉向架橫向失穩及時報警、記錄、下載及跟蹤功能，同時可通過以太網實現與整車網絡的互連。失穩檢測裝置主要由失穩檢測主機與失穩檢測裝置傳感器組成，其中失穩檢測主機放置于車廂內；失穩檢測加速度傳感器位于車體下側的轉向架上，兩者通過線纜連接，其總體連接框圖如下：

圖2 失穩檢測裝置全列安裝結構示意圖

2.2 失穩檢測裝置

該裝置[3]由失穩檢測傳感器模塊、數據采集與處理模塊、綜合診斷模塊、網絡傳輸模塊組成，如圖3所示。

(1)失穩檢測傳感器模塊

中車長春軌道客車股份有限公司生產的中國標準動車組失穩檢測裝置在列車一、二端轉向架上分別安裝了一個橫向加速度傳感器，實時采集列車橫向振動信號，兩個傳感器呈對角線分布，如圖4所示。

圖3 失穩檢測裝置結構圖

圖4 傳感器安裝位置

失穩檢測傳感器模塊，作為整個失穩裝置的最前端，用來實時采集列車的橫向振動信號，并將其轉換為電信號，上傳至數據采集與處理模塊。

(2)數據采集與處理模塊

用于將傳感器輸出的模擬信號經前置濾波及信號處理，送入A/D采集轉換為數字信號，提供給綜合診斷模塊進行濾波處理及進行失穩診斷等操作。

(3)綜合診斷模塊

將采集數字信號進行去野值、低通濾波等預處理后，對處理后的信號進行時域分析、頻域分析、特征抽取，以及各種模式識別的工作，對列車的橫向穩定性進行綜合評估，為裝置提供列車失穩預警、報警判斷依據，同時對裝置各功能模塊進行實時自檢，并對故障模塊給出報警指示。

(4)網絡傳輸模塊

由以太網交互模塊及I/O模塊組成，并與列車網絡連接。其主要功能為將綜合診斷結果通過列車網絡傳輸至列車控制端，并通過列車網絡獲取列車基本信息、運行信息及安全信息，用于裝置的數據記錄與分析。

3 應用案例分析

中車長春軌道客車股份有限公司生產的中國標準動車組上裝有上述失穩檢測裝置，此列標動于2016年5月15日開始在鄭徐(鄭州—徐州)客運專線開展運用考核。2016年7月1日至15日，與中車四方車輛有限公司生產的中國標準動車組在鄭徐客運專線從速度200 km/h逐級提速至速度420 km/h，并完成高速重聯和交會試驗。2016年7月16日以后轉入哈大高速鐵路繼續進行模擬載客與實際載客運用考核。

在中國標準動車組實際載客運用考核期間，6車、8車的轉向架失穩檢測裝置陸續多次報出橫向失穩預警。以8車2016年9月8日的數據為例，在18:24與22:46兩個時間點出現橫向失穩預警，在8:42與13:28時間點也同樣存在振動強度較大的情況。9月17日對6車轉向架動力學參數進行了調整。調整后兩車運行平穩。

圖5 橫向運行數據曲線

4 結束語

工業以太網在列車通信網絡的運用符合未來的發展趨勢，結合以太網通信技術設計了動車組失穩監測系統，可對動車組轉向架動力學性能做出基于數據統計的評估，便于動車組檢修部門有針對性的了解轉向架性能，并提出科學的改進意見，促進中國動車組制造與運用技術的發展。