CBTC車載ATP故障診斷系統研究

梁燁 姜宏闊 任穎

摘要 根據CBTC車載ATP現場運維情況，研究和提出了CBTC車載ATP故障診斷系統，以提高現場故障處理效率和自動化程度。從系統架構設計、現場數據挖掘、故障自動診斷等多個維度探討研究，開發了CBTC車載ATP故障診斷系統模擬軟件，導入實驗室人工模擬的故障數據，診斷結果與實際故障工況一致，驗證了研究的CBTC車載ATP故障診斷系統可行。

關鍵詞 車載;故障;診斷;CBTC;ATP

中圖分類號 U284.92文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）12-0001-03

收稿日期：2022-03-24

作者簡介：梁燁（1993—），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：城市軌道交通信號系統。

基金項目：2016年國家重點研發計劃項目“高速磁浮交通系統關鍵技術研究課題”（2016YFB1200602）。

0 引言

CBTC車載ATP是控制列車安全運營的核心系統，列車運行過程中發生的故障通過ATP系統顯示反映出來，因此能否快速、準確處理故障，也直接影響地鐵運營的安全、生產效率和運營維護強度[1]。

目前傳統的故障處理方式為：列車發生故障，維護人員請點上車下載系統記錄日志，根據人工經驗和故障現象推理可能的故障原因。這種運營維護方式存在如下問題：

（1）嚴重依賴運營維護人員的人工經驗。人工經驗越豐富，對故障的處理越快速、精準。然而隨著開通線路的越來越多，經驗豐富的人員越來越被稀釋，補充的新人越來越多，勢必影響整體的故障處理能力和效率[2]。

（2）維護工作勞動強度大。當列車發生故障，除個別重大故障需立即處理外，一般都在晚上十一點后退出運營回庫后，由維護人員請點上車下載日志，分析處理故障，需在早上四點列檢出車前修復故障。時間緊、任務重，人工分析和排查故障勞動強度大。

（3）隱性故障容易漏診。CBTC車載ATP是復雜系統，某一故障現象可能表現出多個組合故障癥狀，人工分析很容易從單一癥狀排查，而忽略多重組合癥狀下的隱性故障[3]。

因此，有必要通過技術手段提高車載ATP維護和故障處理的效率，以保證城市軌道交通列車安全、高效地運營。

1 CBTC車載ATP簡介

CBTC是利用高精度的列車定位，實現雙向連續、大容量的車地數據通信和車載、地面的安全功能處理的列車連續自動運行控制系統，主要由ATP（列車自動防護）、ATO（列車自動駕駛）、ZC（區域控制）、CI（計算機聯鎖）、ATS（列車自動監控）、DCS（數據通信）子系統組成。

車載ATP是CBTC系統的核心子系統，根據移動授權、道岔信息、線路限速、位置信息等條件計算出列車安全防護距離-速度曲線，對列車運行速度、距離、車門、屏蔽門等進行安全防護，保障列車安全運營。ATP系統由ATP主控組匣、BTM、BTM天線、DMI、速度傳感器、雷達等組成，如圖1所示。

2 故障診斷系統研究

從目前車載ATP的運營維護情況看，記錄列車運行工況及故障狀態的數據主要來自MSS系統和車載ATP的隨車記錄板，報告列車運行故障的消息主要來自隨車司機、運營調度人員、工班日檢人員等[4-6]。由此可見，報告列車運行故障的故障信息格式不統一、信息完整度不夠，因此故障診斷系統需要考慮對不同故障報告信息源、不同故障報告信息格式的數據進行統一轉換，對采集的數據進行深度挖掘，然后結合專家知識根據一定的推理邏輯進行推理計算，給出診斷結果。

2.1 故障診斷系統架構原理

故障診斷系統應具備采集和處理來自不同數據源故障數據的功能，其架構主要包括輸入輸出接口單元、轉換存儲單元、知識管理單元、主控計算單元，其可與外圍設備如MSS、記錄板、運維系統以及維護人員進行信息交互，獲取和處理數據信息，最終給出故障診斷結果及維修建議。故障診斷系統關聯關系如圖2所示。

圖2 故障診斷系統關聯關系圖

輸入輸出接口單元負責診斷系統與外圍設備的數據接口。根據目前線路的實際情況，提供故障數據的方式多元化，有通過MSS提供、通過隨車記錄板提供、通過司機和運營維護人員填報的故障單提供等，因此輸入輸出接口單元負責多樣化通信管理，能滿足并預留與多種外設通信及人機交互的能力。

轉換存儲單元負責對外圍數據的解釋轉換。對進入故障診斷系統的來自不同外設的原始數據，根據設定的規則轉換為故障診斷系統能夠識別和可用的信息。對來自人機界面的專家經驗知識轉換成知識庫可以管理使用的數據。對已完成診斷處理的故障信息及維修建議轉換為知識庫可以管理使用的數據。

知識管理單元負責管理存儲人工經驗知識及診斷系統產生的知識。維護人員、專家、知識工程師可以將自身經驗知識及復雜人工處理故障的知識按設定規則錄入系統，通過知識累積使故障診斷系統分析問題能力更強、準確度更高、覆蓋面更全。故障診斷系統通過處理故障產生的知識亦按規則自動錄入知識管理單元。知識管理單元支持知識數據的增刪、調度、歸類、相似度檢查等管理功能。

主控計算單元是故障診斷系統核心部分，負責輸入輸出接口、轉換存儲單元、知識管理單元、人機信息交互的調度控制，從轉換存儲單元獲取轉換后的故障信息，識別并根據信息完整度等進行診斷分類，按類別調度故障診斷推理算法，搜索知識管理單元知識庫相關信息，完成診斷后通過人機交互接口給出診斷結果及維修建議，將診斷結果和建議輸出給運維系統等其他系統，將診斷產生的知識按規則存儲到知識管理單元知識庫。

2.2 故障數據處理

列車運行故障數據和列車運行狀態數據來自ATP隨車記錄板日志、MSS維護支持系統、智能運維系統、人工填報故障單等，故障診斷系統應能夠把上述信息源的數據進行識別轉換，最終形成內部格式數據，以供診斷分析。9E5836BF-DE64-4D6E-9D02-EE0DA349BC98

故障診斷系統預裝載上述維護設備的維護數據協議，將收集到的故障信息原始數據根據維護設備類型匹配維護數據協議，進行故障數據的抽取和映射，從映射表獲取數據，轉換為故障診斷系統可識別的基礎信息表、狀態信息表、事件信息表等數據表單進行存儲，每張數據表以及表元素都設定了相應級別的索引編號，在轉換過程中，數據表的元素若有值，則填寫實際值，若沒有對應值，則采用缺省值。

轉換后的數據表單包括但不限于如下信息：基礎信息表包括時間、ATP運行周期、車號、列車位置、速度信息、測距信息、駕駛模式、控制級別、MA信息等;狀態信息表包括ATP與ZC/ATS/CI/BTM/頭尾等通信狀態、列車完整性狀態、車門狀態、屏蔽門狀態、停穩狀態等;事件信息包括：緊急制動、位置丟失、牽引切除、應答器丟失、速傳故障、插件故障等。

2.3 知識數據建立

在故障診斷系統中建立知識數據庫，存儲系統及故障相關邏輯關系鏈表，在人機界面輸入故障關鍵特征值，或導入記錄板日志等故障數據，選擇故障診斷模式，系統可對滿足一定完整度的故障數據采取基于知識庫數據的故障推理診斷。

知識庫數據還提供了故障分析的培訓功能，在人機界面輸入相關故障關鍵特診值或故障類型，選擇故障處理培訓模式，系統可在知識庫查詢關聯故障信息，在人機界面顯示特征值關聯故障分析過程、故障原因、處理結果等信息。

知識庫數據主要來源于人工輸入和診斷系統導入。

（1）人工輸入：具有維護經驗的工程師、專家以及系統設計人員在診斷系統人機界面按特定規則輸入故障特征值、故障原因邏輯、系統功能邏輯、部件關聯關系等信息，診斷系統進行人機交互信息提示、規則校驗判斷、知識數據存儲等處理。

（2）診斷系統導入：診斷系統完成分析和處理的故障，可自動按照特定規則存入知識庫，作為后續故障診斷和故障處理培訓的知識數據。

知識庫數據中故障碼、故障征兆、故障特征值、設備狀態值等都有固定且唯一的識別碼，以面向對象的方法按類進行數據分類，以IF條件THEN結果的邏輯格式進行故障征兆、故障原因、設備邏輯等串聯，形成若干知識數據。

知識庫數據可進行增加和刪減，數據增加以人工輸入和診斷系統導入數據作為數據源，按規則進行數據插入處理。數據刪減以人機界面操作為事件驅動，按規則進行刪除處理。數據增刪不影響既有數據的正確性和完整性。

2.4 故障診斷邏輯

故障數據因來源不同而在數據完整度、準確度、規范性等方面存在較大差異，因此故障診斷系統根據故障數據的來源采取分類診斷策略。

來源ATP記錄板、MSS、運維系統的故障數據信息完整度高、信息規則性強，因此按照設定的秩序依次提取事件信息表、狀態信息表，從知識庫提取專家信息，按設定邏輯進行推理，在人機界面給出診斷結果、維修建議。

來源司機、工班人員等人工填寫的故障表單數據，范式不一，信息完整度不夠，利用貝葉斯網絡等機器學習算法對基于不完整的模糊信息進行故障智能推理，在人機界面給出診斷結果、維修建議。

故障診斷系統支持人工復驗故障推理過程和結果，在人機交互界面對推理過程和推理邏輯進行圖形化顯示;對該次故障診斷最終使用的數據進行著色顯示;對整個故障數據按顆粒度從大到小分類分層顯示，通過點擊頂層大顆粒度的某類數據，可定位到該數據對應的下一層詳細信息;對不完整數據要基于貝葉斯網絡等人工智能算法進行推理的，需要按相應算法原理進行先驗概率設定、獲取樣本數據集等調校工作，不斷訓練智能推理模塊，提高推理準確度。

3 故障診斷系統原理驗證

基于Qt開發框架開發診斷模擬軟件，實現人機接口、數據轉換和故障診斷簡易功能，在CBTC仿真系統模擬車地通信故障導致的列車緊急制動工況，將模擬數據記錄到ATP記錄板。

在診斷模擬軟件人機界面啟動診斷進程，診斷軟件自動加載來自記錄板的原始日志文件，轉換為表1所示的分類表單（部分數據示意），按提前設定的規則獲取相關表單數據，根據專家知識檢索故障鏈路，推理故障原因，在人機界面做簡要顯示推理結果，如圖3所示。

故障診斷模擬軟件顯示出的故障信息為列車MA無效、車地通信故障，這和在CBTC仿真系統模擬制造的故障工況一致。

4 結語

從CBTC車載ATP系統故障維護主要采取人工維護的現狀進行考慮，探討研究了故障診斷系統。對故障診斷系統架構原理、故障數據處理、知識庫建立、故障診斷邏輯等核心內容進行了研究探討，最后通過故障診斷模擬軟件進行了簡易的模擬驗證，驗證結果與故障工況一致，認為該文探討的CBTC車載ATP故障診斷系統的思路和原理可行，具有進一步深入研究的意義。

在下一步的研究工作中，將延展故障診斷系統功能，深化故障診斷系統智能化程度，比如引入圖像識別來自動識別插件燈顯意義，根據實時運營數據進行故障預測等。

參考文獻

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