高速鐵路ATP車載設備健康狀態監測及智能診斷系統研究

齊 鶴，祁瀟楠，程 亮，易 晟，丁韶華

（1. 北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2. 中國鐵路上海局集團有限公司 電務部，上海 200040；3. 中國鐵路上海局集團有限公司 南京電務段，南京 210000）

列車自動防護（ATP，Automatic Train Protection）系統是保障動車組行車安全、提高運輸效率的關鍵技術裝備；由安裝在車內的車載安全計算機、GSMR無線通信單元、軌道電路讀取器（TCR，Track Circuit Reader）、應答器信息傳輸模塊（BTM，Balise Transmission Module）、司法記錄單元（JRU，Juridical Recording Unit）、人 機 界 面（DMI，Driver Machine Interface）、列車接口單元及車外的速度傳感器、應答器天線、軌道電路天線、雷達傳感器、GSM-R天線等組成。

ATP車載設備對安全性要求高，需要定期進行人工檢查。且其型號多，故障構成復雜，運行記錄數據不能自動下載，主要靠人工分析數據，造成故障定位困難，處理效率低[1]。隨著我國高速鐵路投入運營的ATP車載設備型號和數量不斷增加，其檢修工作日趨繁重。

為此，研制高速鐵路ATP車載設備健康狀態監測及智能診斷系統（簡稱：ATP車載監測診斷系統），用于全面記錄和分析ATP車載設備的電氣特征及工作狀態，精確檢測車外ATP車載設備缺陷及安裝精度，提供ATP車載設備健康狀態監測和故障分析診斷功能，以利于提高ATP車載設備維護效率，減輕現場運營維護人員工作強度[2]。

1 系統構成與設備配置

1.1 系統構成

ATP車載設備監測診斷系統主要由軌旁檢測設備、車載診斷記錄單元（DRU，Diagnosis and Recording Unit）、地面維護中心設備構成，如圖1所示。

軌旁檢測設備安裝在動車所內咽喉區，包括安裝在軌道間的軌上探測設備和軌旁測量設備，可采集通過檢測區的動車組車外ATP車載設備的二維/三維圖像數據，并測量安裝在車底的應答器天線、多普勒雷達、TCR天線距軌面高度及安裝角度。

DRU在列車兩端的司機室各安裝一套，主要完成ATP車載設備各單元應用軟件的日志數據及關鍵部件電氣特征數據的采集，并通過列控設備動態監測系統（DMS，Dynamic Monitoring System for Train Control Equipment）提供的車-地無線傳輸通道[3]或公網4G，將這些數據傳輸至地面維護中心。

地面維護中心設備包括中心服務器、設備維護終端、系統管理終端。中心服務器存儲軌旁檢測設備采集的ATP車載設備圖像和安裝測量數據以及DRU采集日志數據及電氣特征數據；利用人工智能和機器視覺技術，檢測ATP車載設備的表面裂紋、凹坑、安裝螺栓松動脫落等缺陷；利用故障分析策略和算法，自動分析故障原因，定位故障模塊，提出處理建議，并生成故障報告。通過設備維護終端，電務檢修人員可根據車型、車號、端號、時間日期等篩選條件，查詢檢測結果，依據檢測數據指導ATP車載設備的檢修工作。系統管理終端為系統管理員提供系統管理操作界面。

1.2 軌旁檢測設備配置

1.2.1 軌上探測設備配置

軌上探測設備主要由高速成像裝置、補償光源、開機磁鋼、測速雷達、防護箱體等組成。其中，高速成像裝置采集通過列車底部、側部和頂部的圖像數據；補償光源用于保證高速成像裝置采集到清晰的圖像；開機磁鋼用于探測列車進入檢測區，以喚醒軌上探測設備；測速雷達用于測量列車速度。為避免高速成像裝置與補償光源受到雨水、塵土等造成的損害，影響其成像效果和使用壽命，采用防護箱體提供保護，箱體內設置有高速觸發裝置，可依據磁鋼信號，對其防護門進行開閉操作。

（1）高速成像裝置的布置

列車底部高速成像裝置：檢測區軌道內部安裝有3臺2D/3D一體化高速成像裝置，軌道外底部左右各放置1臺2D高速成像裝置，用于應答器天線和TCR天線的圖像采集，如圖2所示。

圖2 列車底部高速成像裝置布置示意

列車側部高速成像裝置：檢測區軌道左右兩旁各安裝1臺2D高速成像裝置，用于檢測列車速度傳感器的外觀。考慮到列車速度傳感器與動車組列車車號標識的相距較遠，軌道一側另外再設置1臺高速成像裝置，用于采集動車組列車車號標識圖像，如圖3所示。

圖3 列車側部高速成像裝置布置

列車頂部高速成像裝置：在檢測區軌道兩側外的立柱上各安裝1臺高速成像裝置，用于采集車頂GSM-R天線的外觀圖像，如圖4所示。

圖4 列車頂部高速成像裝置布置

（2）補償光源的設置

為保證車底、車身、車頂設備圖像畫面清晰，所有高速成像裝置均配備有近紅外自適應光源，用于對車體圖像進行補光。而用于采集車號標識的高速成像裝置則需配備大功率LED補充光源，以保證采集到的車號標識圖像足夠清晰。

1.2.2 軌邊測量設備配置

軌邊測量設備主要由數據測量單元、數據處理單元（主要包括GPU和CPU服務器）、電氣控制箱、多電腦切換器（KVM，Keyboard Video Mouse）、交換機、防雷設備和不間斷電源（UPS，Uninterruptible Power Supply）組成。

數據測量單元對高速成像裝置采集的圖像進行初步篩選和預處理[4]；數據處理單元完成ATP車載設備外觀缺陷的識別，以及安裝高度（或角度）的測量，并將識別和測量結果通過光纖傳輸到地面維護中心服務器；電氣控制箱用于控制防護箱體防護門的開閉，以及觸發高速成像裝置啟動工作；KVM用于切換數據測量單元的顯示與鍵鼠操作；交換機用于軌旁檢測設備與地面維護中心聯網。

2 系統功能

（1）車號識別與車型判別：準確識別動車組列車車號及車端，并根據識別出的車號自動判別動車組車型，以精準地抓拍不同車型ATP車載設備的清晰圖片，包括應答器天線、TCR天線、GSM-R天線、雷達、速傳電纜等。

（2）螺栓松動脫落檢測：自動檢測應答器天線、TCR天線、GSM-R天線等關鍵部件的安裝螺栓是否松動或脫落。

（3）外觀缺陷檢測：自動檢測ATP車載設備關鍵部件的外觀破損，包括GSM-R天線、TCR天線、應答器天線及雷達表面的裂紋、凹坑，速傳線纜破損、引線處防水膩子脫落等。

（4）高度（角度）測量與報警：自動測量ATP車載設備中位于車底的關鍵部件的安裝高度和角度，包括應答器天線、多普勒雷達、TCR天線距軌面高度和角度的測量，超出設定范圍自動報警。

（5）日志及底層數據采集：讀取ATP車載設備各單元應用軟件的日志數據，并可讀取DMI、JRU、TCR、BTM等單元的記錄數據，以及MVB總線、GSM-R空口等底層數據。

（6）電氣特征監測：對ATP車載設備各單元的電氣特征進行監測[5]，包括速度傳感器、雷達、110 V供電電源、繼電器、空開等。

（7）車載數據下載：當出現故障時，自動將DRU采集的數據傳輸至中心服務器，或通過維護命令遠程下載。

（8）故障診斷：根據故障特征庫自動分析故障原因，定位故障模塊，并提供處理建議，生成所需報表。

（9）數據管理：自動保存圖像及測量數據，支持多種方式搜索和查看歷史數據，并可自動生成一車一檔的檢測報表。

（10）系統設備管理：ATP設備運維人員可通過客戶端遠程查看設備運行狀態，或遠程重啟設備。

（11）儀器自動校準：定期對用于測量天線高度和安裝角度的測量儀器進行校準測試，確保測量數據準確可靠。

（12）測量參數配置：系統管理員通過管理終端，修改調整ATP車載設備的天線安裝高度與角度的數值范圍，防止出現誤報警的現象。

3 工作原理及數據處理流程

3.1 軌旁檢測設備工作原理

軌旁檢測設備的工作原理如圖5所示。

圖5 軌旁檢測設備工作原理示意

（1）設備開啟，執行初始化，防護箱體的防護門和補償光源關閉，高速成像模塊進入待機狀態。

（2）當列車通過檢測區時，開機磁鋼自動觸發，此時防護箱體內置的高速觸發裝置會打開其防護門，同步觸發開啟補償光源；高速成像裝置開始采集通過列車的車頂、車身和車底圖像，測速雷達測量列車車速。高速成像模塊內置的線陣相機與3D相機將同時被觸發，確保采集的三維點云數據和二維圖像數據嚴格對齊；二維圖像主要用于故障識別，而三維點云數據包含深度信息，可用于高度測量，或輔助提升外觀異常檢測的準確率[6]。

（3）高速成像模塊采集的圖像數據通過千兆網口傳輸至數據測量單元，數據測量單元對圖像數據進行初步篩選，選取包含檢測對象的圖像數據進行預處理，并將處理后的圖像數據傳輸至數據處理單元（包括GPU和CPU服務器）。

（4）數據處理單元利用深度學習和機器視覺等技術，自動檢測ATP車載設備的外觀缺陷[7]，并通過光纖將故障檢測結果上傳至地面維護中心服務器，運維人員可實時查看通過檢測區的動車組列車的車號、車速及故障檢測結果。

（5）列車駛離檢測區后，電氣控制箱發出控制信號，關閉防護箱體門，軌上探測設備及軌邊測量設備進入待機狀態。

3.2 外觀異常報警處理流程

目前，外觀異常報警主要包括ATP車載設備的外觀缺陷和安裝異常，具體處理流程如圖6所示。

圖6 外觀異常報警處理流程

（1）將采集到的動車組車號信息與數據庫中的動車組車型配置信息進行匹配，確定當前動車組列車的ATP車載設備的外觀和安裝特點。

（2）根據上述特點，篩選出應答器天線、雷達、TCR天線、GSM-R天線和速度傳感器等車載設備的準確圖像數據。

（3）分別對這些設備的圖像數據進行異常檢測，檢測范圍包括裂痕、凹坑等外觀破損，螺栓松動脫落，以及安裝高度和角度異常等情況。

（4）若檢測結果正常，則將圖像及檢測結果等數據存儲到數據庫中，以便設備維護終端進行查看。

（5）若檢測發現異常，則將故障類型及其位置在對應的圖像數據上進行標記，然后再進行存儲；維護人員通過設備維護終端，能夠瀏覽查詢詳細的異常報警信息，以及時進行相應處理。

3.3 故障診斷數據處理流程

DRU通過無線傳輸通道，將ATP車載設備的應用日志及主要部件電氣特征數據傳輸至地面維護中心服務器。中心服務器基于故障分析策略和算法，對應用日志、電氣特性數據進行處理，自動分析故障原因，定位故障模塊，并提供處理建議，自動生成故障報告[8]。

系統前端應用采用C/S應用模式，故障診斷數據處理流程如圖7所示。設備維護終端（系統管理終端）上的客戶端應用向中心服務器發起訪問請求，接收中心服務器返回的分析結果，或由服務器主動推送故障信息到客戶端，中心服務器上的服務端應用完成具體的數據分析和診斷處理[9]。

圖7 故障診斷數據處理流程

4 結束語

高速鐵路ATP車載設備健康狀態監測及智能診斷系統通過DRU，實現了高速鐵路ATP車載設備的電氣特征及工作狀態數據自動下載；通過安裝在動車所內咽喉區的軌旁檢測設備，精確地檢測各種車型動車組車外ATP車載設備的缺陷及安裝精度；基于故障分析策略和算法，可提供ATP車載設備健康狀態監測和故障分析診斷功能，建立起一車一檔數據庫和大數據分析平臺。

該系統的應用將有效提高電務車載設備檢修質量與檢修效率，減輕現場運營維護人員工作強度，促進電務運維工作的自動化和智能化水平。