城市軌道交通車輛遠程專家診斷系統設計和應用

楊培盛，董先鵬，侯 飛，管 超，厲彥宏，劉 鵬，呂方林

（1. 濟南軌道交通集團建設投資有限公司，山東濟南 250014；2. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266112）

隨著城市軌道交通建設的快速發展，運營網絡規模不斷擴大，事件的應對處理能力不足，運營網絡自救能力不足等問題也逐漸暴露，傳統的列車運行維護已越來越不適應城市軌道交通運營需求。為此，本文基于計算機、通信和現代控制技術，融合互聯網技術和大數據技術，設計研制了城市軌道交通車輛遠程專家診斷系統，并結合濟南地鐵2號線工程進行驗證。

1 車輛遠程專家診斷系統原理

車輛遠程專家診斷系統通過分析車輛各子系統設備狀態的基礎數據，判斷其狀態，以實現車輛的遠程診斷。其原理是利用列車控制與監視系統（TCMS）的多功能車輛總線（MVB）以及無線傳輸通道將車輛TCMS實時監控、空調監測、走行部監測、車門監測、乘客信息顯示系統（PIDS）狀態監測和弓網監測等子系統的數據傳輸至支持列車運營檢修維護的地面軟件系統平臺。通過地面專家系統分析平臺，實現車輛狀態的遠程實時監測、故障自動報警和子系統健康管理等功能。

2 車輛遠程專家診斷系統設計

2.1 總體方案設計

車輛遠程專家診斷系統由車載系統、無線通信系統以及地面系統組成，如圖1所示。其中，車載系統主要用于車輛基本運行狀態、故障數據和各子系統關鍵部件工作狀態數據的采集、本地存儲、實時數據融合、清洗和特征提取，實現所有數據以規范格式無線下傳至地面專家系統。無線通信系統主要完成車載系統與地面系統間實時數據和離線數據的傳輸，其中實時性要求較高的數據采用基于長期演進（LTE）技術的車地無線通道傳輸，高帶寬、大容量數據依托無線局域網（WLAN）通道進行傳輸。地面系統實現落地數據的接入、解析、存儲、分發、運算和展示，用于對列車里程、能耗等運營信息的實時統計、故障預警與診斷和運維指導建議。

2.2 車載系統設計

2.2.1 總體架構設計

通過對各子系統業務場景和數據類型調研，車輛遠程專家診斷系統需采集的數據主要可分為3類，分別為：

圖1 車輛遠程專家診斷系統方案

（1）列車整車狀態信息，包括列車速度、供電狀態、運行里程、時鐘、列車載重、旁路開關狀態等，通過MVB車輛總線進行采集，用于地面系統實時展示；

（2）子系統狀態信息、故障信息、預警信息，包括但不限于走行部、車門、空調等車載子系統，支持傳輸控制協議（TCP），用于地面系統實時展示及故障預測與健康管理；

（3）離線文件，用于支撐地面系統文件管理，支持文件傳輸協議（FTP）。

根據上述需求，車載系統在城市軌道交通車輛MVB通信總線數據采集的基礎上，擴展狀態感知和設備泛在互聯功能，通過在每列車搭建車載以太網綜合信息網，完成對車門、走行部、空調、弓網監測等子系統健康管理信息收集，并通過無線傳輸通道將數據傳輸到地面系統進行深度數據挖掘。以城市軌道交通行業常見的6輛編組（4動2拖）車輛為例，進行車載系統總體網絡拓撲結構設計，主要架構如圖2所示。

車載系統主要由車載數據收集單元（DCM）、以太網交換機等設備組成，在車輛原有MVB總線的基礎上，構建了基于MVB +以太網的車載綜合信息收集網絡。在單節車廂內，交換機與子系統控制器直連，全列車通過8臺交換機（ES）以跳躍式環形連接組成列車骨干網，避免網絡中的任意單點故障影響整條骨干網正常通信。DCM設備在TC1和TC2端各配置1臺，同時接入TCMS網絡和以太網，實現對列車控制網內數據的實時采集和車載各子系統內部數據的收集，并將上述數據傳輸至無線通信系統。

2.2.2 軟件設計

車載系統軟件主要實現車輛MVB總線實時采集和通過以太網車載綜合信息網對子系統數據進行收集，可細分為：

（1）通過MVB總線通信模塊，實現對車輛總線數據采集和處理；

（2）通過車載綜合信息網收集子系統傳送的數據，采用TCP協議；

（3）將上述2部分數據按照文件類型分別使用TCP/FTP協議發送至地面系統。

車載系統軟件按照設計功能拆分為MVB模塊、以太網數據收集模塊、車地數據發送模塊3個部分。其中MVB模塊負責DCM與車輛MVB總線的信息交互，實現初始化、MVB信息采集、異常信息的記錄和自恢復，是應用軟件最先運行的部分。以太網數據收集模塊通過TCP協議與各子系統進行數據交互，主要作為TCP服務端監聽子系統發送的信息并進行回應。當子系統發送消息后沒有收到DCM的回應時，子系統應當按約定進行重發。車地通信模塊負責與地面平臺建立通信和數據發送，同時兼具丟包重傳功能。車載系統軟件設計流程如圖3所示。

2.3 無線通信系統設計

根據車輛遠程專家診斷系統業務傳輸需求，數據類型主要分為對帶寬要求較低的高實時性數據和對帶寬要求較高的非實時性數據。車輛遠程專家診斷系統無線通信系統依托軌道交通行業內常見的基于LTE技術的車地通信系統和基于IEEE 802.11ac標準的WLAN無線通信系統進行承載。網絡架構如圖4所示。

圖2 車載系統網絡拓撲結構

圖3 車載系統軟件設計流程

LTE無線通道采用A、B雙網完全冗余的方式覆蓋，每列車在車頭車尾各安裝1臺列車接入單元（TAU），所有數據通信在2個TAU同時進行。各LTE基站通過百兆以太網接入車站網絡交換機，利用LTE傳輸網絡提供的通道與控制中心、車輛段LTE核心網連接。由于兩端TAU分屬不同網絡且工作在不同信道，在控制中心和車輛段各設置1套核心網實現異地冗余。車輛遠程專家診斷系統DCM與頭車TAU設備連接，地面系統接入車輛段核心交換機，實現車載高實時性數據回傳。

圖4 無線通信系統架構

WLAN無線通道主要由軌旁無線接入點（軌旁AP）與車載無線接入點（車載AP）構成，采用空間波方式進行覆蓋，軌旁AP沿列車運行線路按照一定間距進行部署，以保證軌旁沿線的無線信號全面覆蓋。車載AP在車輛的車頭和車尾分別部署1臺，車載AP設備和軌旁AP設備使用802.11ac協議進行橋接傳輸數據。車輛遠程專家診斷系統數據經DCM、車載AP、軌旁AP后，通過正線通信傳輸網至車輛段以太網交換機。地面系統接入車輛段以太網交換機，實現車載大容量數據回傳。

2.4 地面系統設計

2.4.1 硬件架構設計

地面系統通過在車輛段機房搭建地面運維平臺服務器集群，數據接入靈活、可擴展，支持多樣化數據解析類型，可實現實時信息的展示、子系統健康信息的原始數據分發和解析結果界面的整合。主要包括防火墻、交換機、數據存儲服務器、應用服務器、子系統專用服務器和顯示工作站等硬件設備。平臺硬件架構如圖5所示。

2.4.2 軟件架構設計

地面系統軟件架構由基礎數據層、數據應用層、業務應用層3部分組成，如圖6所示。

（1）基礎數據層?；A數據層中搭建了基礎數據平臺，將車輛運營過程中產生的數據以及子系統健康管理數據進行統一的接入、存儲管理?；A數據平臺具備列車全系統數據接入解析的能力，接入的數據覆蓋車輛運行安全相關、車輛運行質量相關、車輛運行狀態相關、車輛維修維護決策相關數據。基礎平臺具備靈活的可擴展性，滿足高并發、高實時的列車數據接入需求。

圖5 地面系統硬件平臺架構

圖6 地面系統軟件平臺架構

（2）數據應用層。數據應用層作為車輛數據的核心數據管理層，將車輛業務的核心共享數據以及車輛知識進行整合梳理，包含了列車、車型、協議、故障等信息，集中進行數據的清洗和標準化，以集成服務的形式把統一的、完整的、準確的、具有權威性的主數據進行統一管理，為管理員提供各個實體的添加、編輯、修改、刪除功能。通過數據接口為上層業務應用或其他應用系統提供主數據查詢服務。

（3）業務應用層。業務應用層中包含了列車數據實時信息展示、運營信息統計和子系統健康管理3類應用，提供了車輛狀態實時監控、故障預警實時提醒、歷史變量分析、累計運營數據統計、離線文件管理和子系統健康管理等功能，實現了基于線路的列車數據集成展示，滿足現場車輛運維業務的應用需求。

3 車輛遠程專家診斷系統應用

3.1 系統配置

濟南地鐵2號線車輛遠程專家診斷系統整體架構按照“1+N”模式，即由平臺核心診斷服務器+各子系統專用服務器聯合構成，平臺核心服務器作為數據接收的統一者、分發者和集成者，各子系統負責各自系統的數據解析。數據經防火墻過濾后，由平臺核心診斷服務器統一進行數據處理并分發到子系統服務器（空調服務器、車門服務器、走行部服務器等），最后負責解析結果的界面集成。主要設備配置清單如表1所示。

3.2 系統功能驗證

遠程專家診斷系統通過車載系統對列車數據進行采集提取、整合發送、接收解析后，在地面搭建綜合監控分析平臺，通過瀏覽器便可實現車輛狀態實時監測、故障自動報警等功能。下面以濟南地鐵2號線車輛遠程診斷系統為例，對系統進行驗證說明。

濟南地鐵2號線車輛遠程診斷系統由實時監控、全網總覽、線路總覽、車輛狀態、故障預警、分析應用和健康管理等7個功能模塊組成，主要的典型功能如下。

3.2.1 實時信息展示

實時信息展示包括線路級和車輛級2個層次，其中線路級用于顯示本線路所有列車實時運行狀態信息，包括列車號、狀態、運行模式等信息，如圖7所示。車輛級能夠實時顯示在線車輛狀態以及車輛產生的故障報警信息，如圖8所示。

表1 濟南地鐵2號線車輛遠程專家診斷系統配置清單

3.2.2 運營信息統計

系統支持根據不同線路、車型等，多維度地統計列車一段時間內的運行里程、能耗、故障等信息，不同角度了解列車的整體狀況。有針對性地對高發故障進行深入的數據挖掘，找到故障根本原因，降低故障發生頻率，運營里程信息統計如圖9所示。可以通過挖掘重大故障相關變量的變化趨勢，提前進行預警，降低故障造成的損失，變量分析如圖10所示。

3.2.3 子系統健康管理

濟南地鐵2號線子系統健康管理由車門健康管理、空調健康管理、走行部健康管理和軌旁檢測設備組成，實現車門、空調和走行部的狀態監測、故障預警、健康趨勢分析以及受電弓尺寸測量、輪對尺寸測量和車體360度缺陷檢測。空調健康管理如圖11所示。

4 結論

圖7 線路級實時信息展示

圖8 車輛級實時信息展示

本文設計研制的車輛遠程專家診斷系統由車載系統、無線通信系統和地面系統3部分組成，通過加裝車載數據收集單元設備收集車輛總線和子系統健康管理類數據，創造性地搭建基于MVB+以太網的車載系統信息收集網絡，克服車輛MVB總線通信帶寬小，無法滿足子系統內部診斷數據傳輸的缺陷。依托LTE和WLAN無線傳輸既有通道將信息落地，不需額外增加投入。實現在地面系統完成車輛實時信息顯示、運營數據統計以及子系統健康管理等功能，并結合濟南地鐵2號線工程進行了驗證。工程實踐表明通過擴展狀態感知和設備泛在互聯功能對車輛運行數據及車門、走行部、空調、弓網監測等子系統健康管理信息進行收集整合，能夠有效提高車輛智能化水平，進一步提高運營單位故障處置效率，降低運維成本，為地鐵車輛智慧化運營探索了一個新思路和新方法。

圖9 運營里程信息統計

圖10 變量分析

圖11 空調健康管理