動車組車載信息處理及可視化技術研究*

呂 赫

（1 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；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081）

我國動車組上線運營數量越來越多，動車組調度運用和檢修維護壓力不斷加大。隨著動車組裝備技術的進步和智能化程度的不斷提高，動車組在運行過程中產生了海量信息，這些信息通過車載無線傳輸系統實時傳往地面數據中心。地面數據中心整合處理這些信息，通過友好直觀的形式提供給地面專家，使得地面專家及時掌握動車組運行狀態信息，實現動車組故障的遠程應急指導。同時，地面數據中心通過長期對動車組車載數據的積累和分析，可以發現潛在的運行規律，多維度診斷動車組健康狀態，實現以可靠性為中心的狀態檢修。因此，綜合運用動車組車載數據，可以提高動車組監測保障力度和檢修維護效率。

國外許多國家在動車組車載信息地面監控及處理方面取得了大量的研究和應用成果。法國TGV、德國ICE、美國AC6000CW、英國IC125 型高速列車都實現全列車自動診斷，各種監測信息以無線方式實時地發送到調度中心和維修中心，可在地面下載機車的診斷數據，實現遠程監控［1］。

國內既有車的客車運行安全監控系統TCDS（Train Coach Running Diagnosis System）是由鐵科院研發的覆蓋客列檢、客整所（整備所）、車輛段、各路局集團、國鐵集團的綜合安全監控信息系統。該系統制定發布了統一規范的車地傳輸協議標準、相關設備技術標準，以及配套的設備維護管理辦法，可兼容不同廠家生產的多種不同的車載監控設備，以及25K、25G、25T 等多個車型。該系統實現地面對提速客車的全程監控，切實保障客車運行安全，重點檢測客車軸溫、制動、轉向架、客車供電、電器及空調等多個子系統運行安全狀況。經過15 a 的運用和發展，TCDS 已成為保障我國鐵路客車運行安全的有力手段［2］。

1 動車組車載信息無線傳輸系統的架構

動車組車載信息無線傳輸及地面監控系統（WTDS）是對動車組運行狀態信息進行采集、傳輸、實時監控、數據記錄與故障分析的技術平臺，是保證動車組運營安全，提高動車組檢修效率的重要手段。在動車組運行過程中，車載設備采集動車組列車網絡控制系統（TCMS）的重要參數、故障數據及位置數據。通過互聯網實時傳輸關鍵數據，經過WTDS 地面數據中心處理后，可實時監測動車組運行狀態，統計動車組參數變化規律，對重大故障進行綜合診斷，深入分析列車故障發生原因，對保證動車組安全高效運營具有重要意義。

WTDS 實時數據由互聯網發送到國鐵集團外網服務器，并通過安全網閘傳輸至國鐵集團內網服務器。WTDS 過程數據由于數據量較大，采用回庫下載的模式，即動車組回庫后通過設在動車所內的無線接入設備，將動車組數據自動同步至位于動車所內的數據工作站中。動車所技術人員在對數據進行分析后將分析結果上傳至國鐵集團內網服務器。WTDS 同時向其他系統，如動車組司控動作監控系統（EOAS）發送數據，如圖1所示。

圖1 WTDS 系統架構圖

2 基于數據總線的數據處理技術

WTDS 系統目前實時接收3 000 余列標準組動車組數據，遠期可能達到5 000 列標準組動車組接入，日均產生數據量超過10 億條。需要采用高并發、高可靠、高負載的數據處理技術，實現各數據處理節點的負載均衡，從而完成海量數據的實時處理。應用數據總線技術可有效地對各數據處理模塊解耦，將復雜的數據處理問題拆解成子模塊進行分解處理，還可以應對數據流量的頻繁變化，在數據流量較大時通過數據總線對數據進行緩存，減緩波峰時瞬間對系統造成的性能壓力。

WTDS 地面數據中心按照私有協議接收到動車組發送的實時數據后，為了能夠高效穩定地處理數據，應用了數據總線技術。WTDS 數據處理流程如圖2 所示，各個數據處理模塊通過數據總線連接，所有數據分散成多個分區存儲在數據總線中。每包數據進入數據總線時會根據各分區的負載情況分配到待處理數據較少的分區。數據總線為每個數據包標識遞增序列號（ID），代表其進入數據總線的先后順序，并按順序存儲在分區中。各個數據處理模塊在數據總線中選擇不同的分區，獲取數據，完成數據處理。各數據處理模塊自己維護已完成處理的數據ID。處理完成后，數據處理模塊向數據總線請求下一個數據包（ID+1）。各數據處理模塊也可以從其他任意位置開始數據處理（ID+n）。這樣，不同數據處理模塊可以并行工作在同一個數據總線之中，每個數據處理模塊都保留自己的ID，互相之間不干擾，保證了數據的一致性，為并發處理提供了線程安全的保證，數據處理高效穩定。當單點發生故障時，可以由其他數據處理模塊接續完成數據處理任務。數據總線中保留的數據非常龐大，當自身處理性能不足時，通過負責均衡策略將分區分配到不同服務器上。當服務器過載時，通過擴容可以將數據重新均勻分配，保證數據可靠性。

圖2 WTDS 數據處理流程圖

3 基于數據可視化技術的數據分析方法

WTDS 系統完成數據處理工作后將數據存入數據庫保存。現場用戶無法直接使用海量的車載數據進行分析，需要運用數據可視化技術對車載數據進行綜合展示。數據可視化主要旨在借助圖形化手段，清晰有效地表現數據。現場用戶需要對數據的特征和不同動車組在數據層面所存在的差異進行分析，從而實現對稀疏而復雜的數據集進行深入的洞察［3］。動車組數據內容龐雜、數據項點繁多，傳統的數據查看獲取信息效率極低且容易遺漏大量有效信息。系統實現了幾種動車組數據的可視化方案，幫助用戶更好地理解數據。

3.1 車地通信質量數據可視化

該方案將車地通信狀態與地理位置相結合，綜合利用甘特圖、折線圖，將地理位置與通信質量做出對比，分析動車組與地面通信的狀態，以及線路對車地通信質量的影響情況。車地通信質量數據可視化如圖3 所示，甘特圖用于展示以時間維度標識的通信質量，紅色為通信質量不佳；折線圖用于定量展示通信延時情況。地圖展示通信質量與線路地理位置的關系，紅色為通信質量不佳的位置。右側菜單欄可選擇不同車組號、時間、數據類型。

圖3 車地通信質量數據可視化

3.2 子系統故障頻率數據可視化

該方案通過對相同子系統下故障發生次數的對比，提取離群值（異常車組），從而更有針對性地詳細排查故障，排查重大故障隱患。子系統故障頻率數據可視化如圖4 所示，用不同顏色的圓點表示不同車組在指定時間范圍內子系統的故障發生次數。四分位數箱體用于表示某子系統全部動車組的故障發生頻率分布情況。如果某列動車組故障發生頻率明顯高于其他動車組，則應特別關注。目前，在生產運營中，分析人員主要對單個故障進行分析，而該方案提供了故障分析的宏觀視角。

圖4 子系統故障頻率數據可視化

3.3 溫度預警時域分布可視化

該方案通過分析溫度預警的時間分布特征，從而發現規律，并針對預警高發時段進行針對性分析及原理剖析。溫度預警時域分布數據如圖5所示，橫軸表示溫度預警發生的不同時段，藍色圓圈表示某個溫度預警在該時段內發生的次數，圓圈越大發生的次數越多。由圖5 可看出，上午發生溫度預警的概率明顯大于下午。可以提示各系統專業人員進行進一步的分析。

圖5 溫度預警時域分布可視化

3.4 溫度預警地域分布數據可視化

該方案通過關聯不同溫度預警類型與地理位置，對齒輪箱溫度預警和轉向架溫度預警在不同地理位置的分布差異進行了分析。現有研究中心較少分析不同類型溫度預警與線路地理位置之間的關系。通過分析溫度預警與線路地理位置的關系，京廣線轉向架溫度預警高發，京滬線線路齒輪箱溫度預警高發。應加強相應線路情況的排查，并對重點部件運用情況進行檢查。

3.5 制動狀態聚類分析數據可視化

該方案通過對車組制動狀態的時間分布進行聚類分析，發現特殊狀態發生頻率的異常變化，進而提示技術人員進行針對性分析。制動狀態聚類分析數據如圖6 所示，可以發現某動車組在半個月內，7 級電制動狀態發生頻率異常，需進行排查。目前，這種長期的特殊狀態頻率變化往往被忽視。

圖6 制動狀態聚類分析數據可視化

3.6 牽引變流器出口油溫數據可視化

該方案通過對比全部動車組在相同時間內的牽引變流器出口溫度，進而發現狀態異常動車組。在此方案中，針對工業場景下數據量巨大，可視化速度慢的問題，對盒須圖中非離群值部分在保留統計特征前提下進行了降采樣，提高了顯示速度。牽引變流器出口油溫數據如圖7 所示，每一個盒須圖箱體表示牽引變流器出口油溫在特定時間范圍內的溫度分布。某動車組牽引變流器出口溫度分布顯著高于其他動車組，應予特別關注。

圖7 牽引變流器出口油溫數據可視化

4 總 結

文中針對動車組車載數據的特點，對國內外車地數據傳輸系統的現狀進行了分析，提出了動車組車載信息無線傳輸系統的系統架構。針對動車組車載信息數據量大，地面數據中心系統負載、系統可靠性要求高的特點，提出了基于數據總線技術的地面系統負載均衡方案。同時，為了更好的分析海量車載數據，提出了車地通信質量數據可視化、子系統故障頻率可視化、溫度預警時域分布可視化、溫度預警地域分布數據可視化、制動狀態聚類分析數據可視化、牽引變流器出口油溫數據可視化，共6 種動車組車載數據可視化方案。通過這些數據可視化方案的應用，為海量數據的分析提供了全新的視角，顯著地提高了用戶分析動車組車載數據的深度和廣度。