武漢地鐵列車遠程運維系統關鍵技術及主要應用功能

向清河 高 翔 朱東飛 李海新 楊 燁

(1.武漢地鐵集團有限公司，430070，武漢；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，412001，株洲∥第一作者，正高級工程師)

近年來，隨著我國城市軌道交通(以下簡為“城軌”)的蓬勃發展，用戶對其RAMS(可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維修性(Maintainability)和安全性(Safety))的要求也越來越高。

目前，在列車運行時，列車牽引、制動及空調等系統的實時工作狀態信息大多可被采集，并傳至司機室中的HMI(人機界面)，供司機實時了解車輛的狀況。但地面調度員和車輛維護人員無法實時全面地查看列車在途狀態。當列車出現故障時，多采取事后處理方式，待故障列車回庫后通過人工方式獲取相關記錄數據，再進一步對故障分析定位。為了使司機、維護人員和管理人員能全面、及時、準確地掌握車輛和車載設備的運行狀態，進而快速響應故障及應急處置，提高車輛利用率[1]，提升檢修水平和檢修質量，可將移動互聯網、物聯網及大數據等相關高新技術與遠程運維需求深度融合，建立地鐵列車遠程運維系統。本文以武漢地鐵列車遠程運維系統(以下簡為“武漢運維系統”)為例，對其關鍵技術及應用情況進行分析。

1 武漢運維系統的架構

武漢運維系統以全感知設備的傳感技術、信息無縫的傳輸及共享為基礎，以信息智能處理為手段，實現了物聯網、車地無線網絡及列車控制網絡的多網融合，具有信息采集、信息傳輸、信息加工及信息顯示等能力。

武漢運維系統由車載設備、車地無線通信及地面數據中心三大部分構成，如圖1所示。

注：LTE——長期演進；WLAN——無線局域網。

1.1 車載設備

為了提高武漢運維系統智能分析的準確性，需要盡量獲得豐富、全面的列車健康信息數據，包括各類設備的實時狀態數據、告警信息及故障信息等。

武漢運維系統在列車上新增1個高度集成的智能化物聯網網關——車載設備，不僅可從MVB(多功能車輛總線)、列車信息網等渠道采集海量的數據，還可實現對各類數據的清洗、臨時存儲及快速計算等。在將列車可感知的數據進行統一收集匯總后，智能化物聯網網關通過車地無線通信通道，將數據實時發送到地面數據中心。

1.2 車地無線通信

車地無線通信為列車健康管理系統、視頻監控系統、乘客信息系統等的車地間數據傳輸提供服務。目前，車地無線通信的主流技術制式有WLAN、LTE等。

武漢運維系統的車載設備，具有多通道車地無線通信接口，既可支持公網的4G網絡通道，也可支持LTE及WLAN制式的專用通信通道，可根據不同應用場景自由選擇并切換制式。

1.3 地面數據中心

地面數據中心由通信服務器、大數據平臺和應用系統組成。

通信服務器采用雙機冗余設計，具備高并發、高頻率、高可用性的數據接收能力，可以接收包括實時數據報文、數據文件和視頻流媒體數據。其性能可以支持同時接收 1 000列列車的100 ms級數據的能力。

大數據平臺基于Hadoop大數據技術，具備分布式的數據解析、處理和存儲能力，負責對車輛數據進行解密、解析和計算、存儲工作，為應用系統提供數據推送、數據分析等后臺綜合處理能力。

應用系統基于B/S(瀏覽器/服務器)架構，以WEB(網頁)及APP(應用程序)的形式為用戶提供遠程實時監視、日常維護管理、故障診斷報警、數據查看、算法分析等維護管理功能。

2 關鍵技術

2.1 海量數據采集技術

數據來源不同，所采用的采集方式也不同。武漢運維系統的數據采集流程如圖2所示。

注：VCMe——車輛控制模塊；EDRM——事件記錄模塊。

武漢地鐵21號線列車TCMS(列車控制和管理系統)由VCMe、EDRM、HMI模塊等組成，用于監視車載牽引系統、制動系統和列車內各主要設備的狀態，實現對車輛的管理、監視和診斷功能。TCMS可分為列車控制級及車輛控制級，均采用MVB進行數據傳輸。

武漢運維系統升級了現有VCMe。車載設備采用新增接口與VCMe通信，實時獲取由VCMe通過MVB接口采集的TCMS網絡上車載子系統(如牽引變流系統、網絡控制系統、輔助變流系統、空氣制動系統、門控系統及空調系統等)的實時數據。

車載設備通過以太網接口，接入到列車信息維護以太網絡，通過網絡獲取列車EDRM的故障記錄、事件記錄、制動故障記錄等大容量文件信息。

此外，武漢地鐵運營單位特別要求增設傳感器，用以監測軸溫的實時變化。武漢運維系統的每對輪對軸箱都新增了傳感器，其采集到的信息通過RS485協議和走行部主機傳輸。車載設備通過以太網接口，接入到列車信息維護以太網絡，獲取走行部主機的實時運行數據。

2.2 車地數據無線傳輸

車載設備的數據需通過車地無線通道傳輸到地面數據中心。由于列車處于高速移動狀態，其運行環境復雜、干擾源多，為避免車地無線信道不穩定對數據傳輸產生影響，武漢運維系統使用目前已在武漢地鐵PIS(乘客信息系統)業務中廣泛使用的WirelessFiber車地無線通信系統。該無線通信系統架構如圖3所示。

注：OCC——運營控制中心；GSU——基于全球定位系統的同步單元。

WirelessFiber車地無線通信系統由OCC子系統、地面子系統及車載子系統組成，可實現車載PIS、視頻監控系統等的業務實時雙向大帶寬傳輸。WirelessFiber車地無線通信系統具有以下特點和創新：

1)最大帶寬為750 Mbit/s，雙向平均帶寬大于350 Mbit/s，并可根據業務需求靈活調配上下行帶寬。

2)采用專有空中接口、TDMA(時分多址)、OFDM(正交頻分復用)等技術增強抗干擾能力，基站間距最高可達1 km，支持列車運行速度為300 km/h時的通信需求，基站切換時延<50 ms。

3)具備多級業務QoS(服務質量)分級控制功能，支持VLAN(虛擬局域網)劃分和優先級定義，能滿足不同業務的帶寬需求。

在借用現有WirelessFiber車地無線通信系統基礎上，武漢運維系統還采用了如下改進措施來提高車地數據傳輸的可靠性：

1)原始數據采用壓縮編碼，以節省傳輸帶寬。根據測算，車載設備采集實時數據和記錄文件的帶寬需求約為2 Mbit/s。數據壓縮后的實測帶寬為500 kbit/s。

2)為了確保關鍵信息不丟失，對于實時告警信息，武漢運維系統采用UDP(用戶數據報協議)，以及改進擁塞、應答確認控制等可靠性傳輸保證手段，即使發生數據包丟失或在網絡擁塞的情況下也可實現數據的可靠傳輸。而對于實時狀態信息，則采用普通的UDP傳輸。

2.3 實時數據處理

武漢運維系統需采集列車運行過程中的高頻數據。在線網化、智能化的運營中，高并發以及高頻率的數據接收是整個運維系統的運轉基礎[2]。武漢運維系統采取NIO(同步非阻塞的輸入、輸出模型)技術的Netty網關框架，可支持1 000列列車以上、100 ms級的數據接收處理能力，并支持橫向擴展，能滿足整座城市地鐵線網的列車數據接收需求。

此外，武漢運維系統采用基于Hadoop的大數據平臺作為基礎軟件架構。通過Kafka組件將數據接入大數據平臺，以spark流計算對數據進行分布式處理、解析計算，并進行分布式HBase數據庫存儲，可實現毫秒級處理和存儲數據，并支持自動調度、無縫擴容等能力，符合不間斷運行維護的要求。

3 主要應用功能

武漢運維系統現已成功在武漢地鐵21號線應用。根據武漢地鐵運營有限公司的需求，現階段武漢運維系統的主要應用功能為：城軌列車的實時狀態顯示、故障遠程診斷、日常維護管理。

3.1 實時狀態顯示

實時狀態顯示功能覆蓋了列車的主要專業系統(如牽引系統、輔助電源系統、網絡控制系統、空氣制動系統、門控系統、空調系統、乘客信息系統、廣播系統等)，可對在線列車的運行狀態進行遠程實時監視。OCC車輛調度人員可實時掌握運營線上每列列車的運行狀態。

根據監測范圍不同，實時狀態顯示可分為線路數據實時顯示(見圖4)及單臺車數據實時顯示(見圖5)。

圖4 線路數據實時顯示界面

圖5 單臺車數據實時顯示界面

線路數據實時顯示功能實時顯示單線路列車總體情況，包括當前線路地圖展示、各列車基于地圖的位置分布、列車運行狀態、列車健康狀態及列車基本信息等。

單臺車數據實時顯示功能可實時顯示單臺車所有狀態，包括當前列車位置(含速度、網壓、當前站、終點站、上下行等信息)、當日運行里程統計及總里程統計、速度、網壓等關鍵實時數據的波形曲線、各子系統當前健康狀態、整車實時健康狀態、當前時刻列車故障報警、當前時刻的故障預警。單臺車數據實時顯示功能可顯示牽引、制動、輔助、車門、乘客報警、煙火、通信、空調、旁路、軸溫等車載系統的狀態。單臺車數據實時顯示功能還能在地面同步復制車載司機屏，實現車載監視數據與地面監視數據的同步，有助于地面人員實時掌握列車運行工況及司機的操作情況。

3.2 故障遠程診斷

武漢運維系統采用實時數據作為數據源，計算列車的實時狀態，判斷列車當前狀態是否正常。

當列車出現異常停車、故障等狀態時，武漢運維系統會實時報警。后臺專家系統地面數據中心通過遠程診斷，從智能輔助角度給出故障類型、故障根源，并及時提供推薦處置方案。用戶可在故障列表(見圖6)中點擊指定故障的“故障診斷”來獲取。

圖6 故障列表界面

3.3 日常維護管理功能

日常維護管理功能服務于日常檢查維護人員，可提供列車文件數據下載、列車車載軟件管理及相關統計報表等，能為列車的日常檢查工作提供數據基礎，可減少人員上車操作檢查的時間和次數，有效節省人力資源，提升檢修效率。

4 結語

本文以列車遠程可視化運維為核心，闡述了武漢地鐵列車遠程運維系統的系統結構。根據現場實際情況及用戶的業務需求，研究了海量數據采集、車地數據傳輸、實時數據處理的具體流程和關鍵技術。通過在武漢地鐵21號線的實際應用情況，詳細闡述了武漢運維系統的遠程實時顯示、故障遠程診斷及日常維護管理功能。