全自動駕駛模式下城市軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)研制

謝喜佳　李福斌　明洪　李文全　鄭吳富

摘 要：本文基于計算機(jī)輔助、車載通信、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，搭建MVB+以太網(wǎng)的車輛數(shù)據(jù)收集平臺，結(jié)合地面終端系統(tǒng)的分析處理，研制全套全自動駕駛模式下城市軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)。通過專家診斷系統(tǒng)對車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集及分析，實現(xiàn)對列車運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控及車輛子系統(tǒng)的健康管理，為運(yùn)維人員處理車輛故障提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：軌道交通 全自動駕駛 專家診斷系統(tǒng) WTD

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通電客車全自動駕駛模式有效改善傳統(tǒng)模式下的車輛運(yùn)營安全、行車組織、降低人力成本等方面問題，是城市軌道交通的發(fā)展趨。全自動駕駛模式采用計算機(jī)輔助、車載通信、網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)形成全新的軌道交通控制系統(tǒng)，具備提高運(yùn)能、崗位復(fù)合、規(guī)避人員操作失誤等方面優(yōu)勢[1]。全自動駕駛模式車輛車輛無人值守，車輛運(yùn)行各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及故障應(yīng)急處置無法與有人值守狀態(tài)相比較，亟需專家診斷系統(tǒng)輔助監(jiān)控各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及車輛故障上報，以便車輛運(yùn)用部門及時做出故障判斷及處理措施[2]。本文研制全自動駕駛模式下城市軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)，在南寧軌道交通5號線電客車上進(jìn)行驗證。

1 車輛專家診斷系統(tǒng)原理

1.1 車輛專家診斷系統(tǒng)的功能

車載診斷系統(tǒng)由于受到其運(yùn)行速度的影響，只能對影響安全的重要故障做出判斷，并指導(dǎo)司機(jī)排除。而更復(fù)雜、多方面的故障應(yīng)尋求地面專家系統(tǒng)的支持[3]。南寧軌道交通5號線全自動駕駛車輛除包括制動（DCU）、車門（EDCU）、空調(diào)（HVAC）等傳統(tǒng)子系統(tǒng)外，還配備主動/被動障礙物檢測、走行部檢測、弓網(wǎng)檢測等智能運(yùn)維設(shè)備，為了達(dá)到對整車運(yùn)行情況的監(jiān)控、記錄和分析，車輛專家診斷系統(tǒng)通過通信控制系統(tǒng)（TCMS）采集各子系統(tǒng)的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，使用無線傳輸裝置（WTD）將車輛數(shù)據(jù)傳輸至車輛檢修基地終端服務(wù)器，通過地面系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息處理后發(fā)送至各級調(diào)度指揮中心，為車輛調(diào)度和故障處理提供數(shù)據(jù)決策支持。

1.2 車輛專家診斷系統(tǒng)的組成

專家診斷系統(tǒng)包括車載系統(tǒng)、車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)和地面系統(tǒng)三部分。車載系統(tǒng)通過以太網(wǎng)維護(hù)和信息網(wǎng)獲取車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)采用WTD作為車載數(shù)據(jù)收集、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，通過通信專業(yè)的WLAN通道實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)無線傳輸。地面系統(tǒng)包括安裝在車輛段內(nèi)的服務(wù)器和專家診斷系統(tǒng)軟件，其主要任務(wù)是依據(jù)列車的狀態(tài)參數(shù)對列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控或依據(jù)故障數(shù)據(jù)對對列車的運(yùn)行可靠性做出評價。

2 車輛專家診斷系統(tǒng)總體方案及設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于車輛數(shù)據(jù)分析與挖掘的專家診斷系統(tǒng)，總體上通過列車WTB總線和以太網(wǎng)收集牽引（DCU）、制動（BCU）、火警（FDS）、空調(diào)（HVAC）、車門（EDCU）等微機(jī)控制子系統(tǒng)以及弓網(wǎng)在線監(jiān)測、主動式/被動式障礙物檢測等智能運(yùn)維業(yè)務(wù)系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，傳輸至車載遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸裝置（WTD），WTD主機(jī)根據(jù)實時性要求按照一定周期（本項目采用500ms周期）向車載PIDS交換機(jī)發(fā)送狀態(tài)、故障數(shù)據(jù)，車載PIDS交換機(jī)將上述數(shù)據(jù)采用TCP或者UDP報文通過PIDS地面無線傳輸系統(tǒng)傳至車輛專家診斷系統(tǒng)。而對于列車事件記錄、弓網(wǎng)監(jiān)測視頻和圖片等離線大數(shù)據(jù)，受地面無線傳輸系統(tǒng)帶寬容量限制，則采用檢修庫內(nèi)的WLAN網(wǎng)進(jìn)行傳輸。地面大數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、解析、分發(fā)、運(yùn)算和展示，為行車指揮、維修維護(hù)、技術(shù)分析等提供高時效性的指導(dǎo)建議，總體設(shè)計方案見圖1。

2.2 車載微機(jī)子系統(tǒng)設(shè)計

牽引（DCU）、輔逆（SIV）、空調(diào)（HVAC）、車門（EDCU）、制動（BCU）等車載微機(jī)子系統(tǒng)在軌道交通項目上應(yīng)用均較為成熟，其微機(jī)控制器通過接收子系統(tǒng)配置的繼電器、接觸器、傳感器反饋信號，部分反饋信號經(jīng)過邏輯運(yùn)算形成子系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，具有故障自診斷和狀態(tài)記錄功能。微機(jī)子系統(tǒng)的實時狀態(tài)信息和故障信息通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸至列車中央控制單元（CCU），再通過TCP/IP協(xié)議傳輸至WTD主機(jī)。而列車事件記錄模塊（EDRM）監(jiān)視列車MVB網(wǎng)絡(luò)上所有的所有通信記錄，形成帶有列車運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的文件，文件大小為百兆級別，需通過FTP協(xié)議傳輸至WTD主機(jī)。對于HMI同屏功能的實現(xiàn)，考慮到高實時性和高數(shù)據(jù)量的需求，采用TRDP（Train Real-time Data Protocol）協(xié)議通過以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)傳輸至WTD主機(jī)。

2.3 車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計

車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)包含主動式/被動式障礙物檢測、弓網(wǎng)在線檢測和走行部檢測三個子系統(tǒng)，通過集成各類先進(jìn)傳感器，利用熱成像、光成像、加速度、聲學(xué)等多維度傳感器等實現(xiàn)對弓網(wǎng)、走行部等列車關(guān)鍵部件的實時監(jiān)控，不同項目可以根據(jù)不同的用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)控制主機(jī)可通過UDP協(xié)議和FTP協(xié)議通過列車以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)將大量實時數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)傳輸至車輛以太網(wǎng)交換機(jī)，再經(jīng)過WTD主機(jī)和地面PIDS交換機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面系統(tǒng)，車輛專家診斷系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和展示，方便行車指揮人員對故障做出及時響應(yīng)，也便于向維護(hù)人員提供維修維護(hù)的指導(dǎo)。

動式/被動式障礙物檢測子系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)、攝像機(jī)、補(bǔ)償光源、行程開關(guān)等設(shè)備組成，利用圖像和行程開關(guān)識別隧道內(nèi)容是否有異物侵線，保障電客車運(yùn)行安全。

弓網(wǎng)在線檢測子系統(tǒng)采用高清攝像機(jī)、三角測距模塊、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)、補(bǔ)光燈、車底振動補(bǔ)償模塊等設(shè)備，利用機(jī)器視覺原理來實現(xiàn)受電弓碳滑板和羊角的狀態(tài)監(jiān)測、弓網(wǎng)溫度檢測、燃弧檢測，同時還實現(xiàn)了接觸網(wǎng)的拉出值、高度值、導(dǎo)高值的實時監(jiān)測。

走行部安全檢測子系統(tǒng)同時監(jiān)測振動、沖擊和溫度3個物理量，在線實時監(jiān)測車輛走行部（軸承、踏面）與軌道狀態(tài)，重大故障及時向行車指揮中心告警，保障行車安全，另外對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，形成專家維護(hù)指導(dǎo)建議。其中復(fù)合傳感器和三坐標(biāo)振動傳感器每個軸箱各安裝1個，其通過振動敏感元件獲取振動加速度樣本，另外通過溫度傳感器采集軸箱溫度作為輔助參數(shù)。

3 車輛專家診斷系統(tǒng)應(yīng)用

車輛專家診斷系統(tǒng)面向技術(shù)人員、調(diào)度人員、檢修人員等不同角色人員時，其功能和定位有所區(qū)別。面向技術(shù)人員主要提供數(shù)據(jù)管理和分析功能，通過對數(shù)據(jù)的分析挖掘，實現(xiàn)對列車故障規(guī)律的總結(jié)和故障隱患的預(yù)測。面向調(diào)度人員主要提供列車實時狀態(tài)和故障監(jiān)測，為故障的應(yīng)急處理提供建議。面向檢修人員主要提供車輛故障工單的自動推送，對故障的詳細(xì)描述和處置建議。南寧軌道交通5號線專家診斷系統(tǒng)應(yīng)用由運(yùn)行監(jiān)控、車輛子系統(tǒng)、整車分析、運(yùn)營分析、故障管理等功能模塊組成，主要的典型功能如下：

3.1 運(yùn)行監(jiān)控功能

運(yùn)行監(jiān)控功能含線路監(jiān)控、狀態(tài)預(yù)覽、車輛監(jiān)控、HMI同屏等四個功能模塊，主要用于正線運(yùn)營列車的狀態(tài)監(jiān)護(hù)，發(fā)生故障后，調(diào)度指揮人員可實時查看故障列車的狀態(tài)，及時上報故障情況，并對運(yùn)營組織進(jìn)行調(diào)整，主要具有以下功能：1）實現(xiàn)用于監(jiān)視列車運(yùn)行線路圖、查看列車當(dāng)前位置、運(yùn)行方向、上線列車數(shù)、離線列車數(shù)、當(dāng)前故障分級彈窗報警和聲光報警等信息；2）實現(xiàn)顯示任一列車的當(dāng)前位置、速度、載客、能耗、載客量、當(dāng)前網(wǎng)壓、當(dāng)前網(wǎng)流、牽引制動狀態(tài)、門狀態(tài)、火警狀態(tài)、滅火器狀態(tài)等信息；3）實現(xiàn)電客車狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)HMI同屏顯示；4）實現(xiàn)用于顯示所有列車當(dāng)前各系統(tǒng)故障數(shù)量。

3.2 車輛子系統(tǒng)

子系統(tǒng)功能含空調(diào)（HVAC）、牽引（DCU）、輔助（SIV）、制動（BCU）、車門（EDCU）、煙火報警（FDS）、PIS、弓網(wǎng)、走行部等9個子系統(tǒng)，實現(xiàn)用于子系統(tǒng)的故障提示、子系統(tǒng)的實時參數(shù)顯示、子系統(tǒng)的主要部件的運(yùn)行狀態(tài)顯示等，主要用于技術(shù)人員對系統(tǒng)狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而向維修人員提供指導(dǎo)性建議。

3.2.1 空調(diào)子系統(tǒng)

空調(diào)子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各個車廂的實時車內(nèi)溫度、車外溫度、機(jī)組1能耗、機(jī)組2能耗及空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.2 牽引子系統(tǒng)

牽引子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的給定牽引/電制動力、本車實際電制動力、本車牽引力、本車電制動能力、電機(jī)溫度、逆變電流、中間電壓、中間電流、牽引運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及電壓電流參數(shù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.3 輔助子系統(tǒng)

輔助子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的蓄電池溫度、電流/電壓等數(shù)據(jù)及輔助運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.4 制動子系統(tǒng)

制動子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的電制動能力、實際電制動力、制動風(fēng)缸壓力、軸速及制動運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.5 車門子系統(tǒng)

車門子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的車門關(guān)好、車門鎖閉、車門隔離、車門緊急解鎖及車門運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.6 煙火報警子系統(tǒng)

煙火報警子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的感溫線纜、探測器等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.7 PIS子系統(tǒng)

PIS子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的PACU、PECU、CCTV、NVR運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.8 弓網(wǎng)子系統(tǒng)

弓網(wǎng)子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢?nèi)蓟「婢囟雀婢⑹茈姽蚪钱惓８婢⒗鲋党蕖?dǎo)高值超限告警及受電弓運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.2.9 走行部子系統(tǒng)

走行部子系統(tǒng)可根據(jù)用戶所選擇的線路、列車、車廂號、時間段，查詢各節(jié)車的軸端溫度、軸端踏面及走行部運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計故障信息。

3.3 整車分析功能

整車分析主要基于故障統(tǒng)計功能，對整個線路列車及列車各個關(guān)鍵子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)（MTBF和MDBF）進(jìn)行評價，便于技術(shù)人員對整線路及整車的運(yùn)行趨勢做出評估，此外可作為電客車維修維護(hù)規(guī)程調(diào)整的參考依據(jù)。

3.4 運(yùn)營分析功能

運(yùn)營分析模塊含能耗分析、故障統(tǒng)計、里程統(tǒng)計等3個模塊。能耗分析實現(xiàn)整線路及單列車的月度能耗及年度能耗的統(tǒng)計分析，便于技術(shù)人員分析列車運(yùn)行能耗的變化情況，及時制定節(jié)能降耗措施；故障統(tǒng)計實現(xiàn)對各車各子系統(tǒng)的故障統(tǒng)計報表展示，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，便于技術(shù)人員及時了解列車關(guān)鍵部件的運(yùn)行趨勢，及時發(fā)現(xiàn)共性隱患并提出具體檢查措施；里程統(tǒng)計實現(xiàn)含線路總里程、當(dāng)月總里程、每列車當(dāng)月里程等信息匯總及能耗趨勢圖。

3.5 故障管理功能

故障管理功能主要用于對列車當(dāng)前故障和歷史故障列表的實時記錄、展示和查詢。故障列表中列明故障點、故障等級、故障時間、正線故障或是庫內(nèi)故障，并且對故障原因及處置給出通用性的建議，便于檢修人員對故障做出迅速定位并修復(fù)。

4 結(jié)語

本文以南寧軌道交通5號線一期工程電客車為研究對象，研制了一套車輛專家診斷系統(tǒng)，如圖2所示，實現(xiàn)了通過該系統(tǒng)實時監(jiān)控電客車運(yùn)行狀態(tài)及車輛故障上報，并對故障趨勢進(jìn)行統(tǒng)計分析，極大的提高了故障處理效率，實時掌握電客車各系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)，為正線運(yùn)營應(yīng)急處置決策提供實時數(shù)據(jù)支持。

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