車載設(shè)備故障捕捉分析系統(tǒng)的設(shè)計*

王文龍

(廣州地鐵集團有限公司， 510330，廣州//工程師)

車載信號設(shè)備是城市軌道交通信號系統(tǒng)的重要組成部分之一，其故障對列車安全正常運營影響巨大。以廣州地鐵2、8號線為例，車載故障次數(shù)占信號全部故障的60%以上，而這其中有50%左右的故障不明原因。缺乏設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測手段是造成故障排查困難的不利因素之一。這使得故障分析缺少足夠的依據(jù)，不能保障故障得到完全的處理。

面對現(xiàn)階段的運營生產(chǎn)情況和故障排查時遇到的困難，本文提出設(shè)計一種車載設(shè)備故障捕捉分析系統(tǒng)(以下簡稱“捕捉系統(tǒng)”)，以實時采集存儲車載ATO(列車自動運行)、ATP(列車自動保護)報文數(shù)據(jù)，采集存儲20 mA電流環(huán)信號以及車載設(shè)備電氣接口模擬量和開關(guān)量等參數(shù)，并對這些數(shù)據(jù)進行解析和處理，捕捉故障過程中的故障現(xiàn)象和數(shù)據(jù)信息。在車載信號設(shè)備發(fā)生故障時，維護人員可查看存儲和記錄的數(shù)據(jù)，了解故障時的設(shè)備狀態(tài)和運行參數(shù)，提高故障排查和處理效率。

1 捕捉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

捕捉系統(tǒng)由車載工作站、PCI(外設(shè)組件互聯(lián))串口擴展卡、模擬量隔離采集板、開關(guān)量隔離采集板、報文隔離串口板、MVB(多功能車輛總線)網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)服務(wù)器、顯示終端等組成，如圖1所示。模擬量隔離采集板、開關(guān)量隔離采集板、報文隔離串口板通過PCI串口擴展卡連接安裝在車載工作站內(nèi)，MVB網(wǎng)卡直接安裝在車載工作站內(nèi)。車載工作站部署在列車車載機柜中，負責(zé)數(shù)據(jù)采集和存儲。數(shù)據(jù)服務(wù)器部署在維修值班室，負責(zé)解析和處理從車載工作站下載的數(shù)據(jù)，再通過VGA(視頻圖形陣列)線傳輸并在顯示終端上呈現(xiàn)分析結(jié)果。

圖1 捕捉系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 車載ATO和ATP報文解析

1.2.1 采集連接方式

列車車載機柜預(yù)留一個ATO串口，為不影響原系統(tǒng)正常使用，設(shè)計了一個轉(zhuǎn)換模塊將此串口一分為二，其中一個連接至車載工作站，另一個仍作預(yù)留的ATO串口。車載ATP報文數(shù)據(jù)采集連接方式同理。

1.2.2 報文信息解析

首先，通過獲取大量串口數(shù)據(jù)并進行大數(shù)據(jù)挖掘處理，得出報文有效數(shù)據(jù)；然后，對報文有效數(shù)據(jù)的各字符進行更改替換;最后,將更改替換前后反映出的結(jié)果進行對比，查找規(guī)律分析獲取報文信息內(nèi)容。

以車載ATO報文為例，某時刻獲取的報文為：

02 EE 41 48 E1 1F 00 00 22 01 C9 16 61 81 27 01 05 B7 6C 44 39 00 00 44 39 00 00 C7 13 10 82 41 1D FE 9B 40 C7 13 10 82 41 CB 10 82 C5 A3 0A 03

該報文解釋為：該時刻、該列車在軌道區(qū)段T0512(其IAK編號為5)以5.115 m/s(18.414 km/h)的速度運行。該列車進入此軌道區(qū)段后，接收到第一條K報文(短報文)時進行位置同步，同步時刻的里程計讀數(shù)(即參考讀數(shù))和位置(即參考位置)分別為14 660、8.130 m，而當前時刻的里程計讀數(shù)和位置分別為14 686、9.169 m，如圖2所示。

圖2 某時刻接收到某車載ATO報文時的列車位置

1.3 模擬量電參數(shù)測量分析

捕捉系統(tǒng)采集的模擬量共有3路，分別為1路20 mA電流環(huán)電流量、2路24 V測速電機供電電壓量。具體采集方案是：利用電流傳感器對20 mA電流環(huán)電流進行非接觸式檢測，將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；利用高輸入阻抗的電壓跟隨放大電路對測速電機供電電壓進行分壓采樣并通過光耦進行傳輸。處理過的電壓與電流信號經(jīng)過AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換芯片進行處理后送到單片機，由單片機編碼后通過串口發(fā)送給車載工作站進行數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)服務(wù)器對模擬量電參數(shù)進行解碼、處理和分析，并繪制圖形結(jié)果。

某時間段的模擬量數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3 b)、c)所示。根據(jù)圖3 b)，在A階段，電流環(huán)電流逐漸增大至15 mA左右，列車快速牽引，列車速度逐漸增大，與圖3 a)快速牽引對應(yīng)；在B階段，電流環(huán)電流逐漸減小至4 mA左右，列車緩慢牽引，列車速度仍繼續(xù)增大，與圖3 a)緩慢牽引對應(yīng)；在C階段，電流環(huán)電流在2～4 mA(輸出等效值為0)范圍，列車惰行，與圖3 a)惰行對應(yīng)；在D階段，電流環(huán)電流先增大至12 mA左右,再減小最后迅速降至0，列車制動并停車，與圖3 a)制動對應(yīng)。測速電機電壓測量值顯示,該時間段電機供電正常。

1.4 開關(guān)量電參數(shù)采集分析

捕捉系統(tǒng)采集的開關(guān)量均為電壓量，共有22路，分別為6路24 V電壓量、2路48 V電壓量、14路110 V電壓量。具體采集方案是：利用高輸入阻抗的電壓分壓、比較電路，將電壓信號通過光耦隔離傳輸后送到單片機，由單片機編碼后通過串口發(fā)送給車載工作站進行數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)服務(wù)器對開關(guān)量電參數(shù)進行解碼、處理和分析，并繪制圖形結(jié)果。

a) 速度曲線

某時間段廣州地鐵2號線廣州南站至嘉禾望崗上行的開關(guān)量部分數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。數(shù)據(jù)分析以左門釋放、右門釋放，ATP接收、ATP發(fā)送、折返操作為例進行說明。

(1)左門釋放、右門釋放。在06:49:47—07:41:20時間段，出現(xiàn)14個單獨左門釋放信號、9個單獨右門釋放信號、1個既左門釋放又右門釋放信號。這與該段運營時間內(nèi)，列車在廣州南站、東曉南、飛翔公園、白云公園、白云文化廣場、蕭崗、江夏、黃邊、嘉禾望崗等站到站單獨開右門，在公園前站到站開左右門，在其他站單獨開左門的情況完全相符。

(2)ATP接收、ATP發(fā)送和折返操作。在07:41:20時刻稍前，出現(xiàn)ATP接收、ATP發(fā)送信號，隨后出現(xiàn)折返操作信號。這與該時刻附近，列車在嘉禾望崗終點站到站后，兩個車頭ATP開始通信并執(zhí)行自動折返操作的情況完全相符。

圖4 某時間段開關(guān)量部分數(shù)據(jù)結(jié)果

1.5 MVB報文解析

西門子MVB符合TCN(列車通信網(wǎng)絡(luò))標準，車載設(shè)備占用邏輯端口連接到MVB中，實現(xiàn)與車輛設(shè)備的數(shù)據(jù)通信和交換。將車載工作站內(nèi)的MVB網(wǎng)卡的另一端連接到MVB中，并配置應(yīng)用環(huán)境和物理參數(shù)，根據(jù)西門子定義的MVB信號表，讀取和解析MVB報文。

以廣州地鐵A 4車型為例，某時刻0x1FE端口地址獲取的MVB報文為：

DD0079020201010000002017000020180000000 0000000000000000000000000

該報文解釋為：該時刻，廣州地鐵2號線2A017018列車(主用司機室在017車)限速為0(其實際情況為停車狀態(tài))，列車總重為242 t，該列車的開左門按鈕和開右門按鈕均被按下2次，關(guān)左門按鈕和關(guān)右門按鈕均被按下1次。

2 結(jié)語

捕捉系統(tǒng)已應(yīng)用在廣州地鐵2號線2A027028車上。運營部門利用該系統(tǒng)采集和分析的數(shù)據(jù)，能夠監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)和報文數(shù)據(jù)；在發(fā)生故障時通過提取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可對故障進行分析和排查，提升故障處理效率。另外，在獲取大量數(shù)據(jù)后形成大數(shù)據(jù)庫，將有利于跟蹤設(shè)備狀態(tài)，并依據(jù)這些歷史數(shù)據(jù)進行故障預(yù)測分析，提升設(shè)備維護水平。這是系統(tǒng)后續(xù)可深入研究和增強的內(nèi)容。