地铁列车安全运行的远程诊断技术

2015-06-29李启磊李臣明冯新颖王良良

城市轨道交通研究 2015年8期

李启磊李臣明冯新颖王良良

（1.南车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京；2.河海大学计算机与信息学院，211100，南京／／第一作者，工程师）

现有的地铁安全运营主要依赖车载故障诊断系统和OCC（运营控制中心）的帮助。车载故障诊断系统只能在车辆回库后才能下载数据进行诊断，无法实现实时诊断。OCC 主要依据司机对故障现象的描述进行诊断。由于OCC 人员无法掌握车辆各电气设备的工作状态，存在诊断不准确弊端，为解决上述问题，需要研究一种远程诊断技术，实现远程实时采集地铁车载数据，并在远程提供实时诊断意见，提高地铁安全运营可靠性。

TCN（列车通信网络标准（IEC61375）适用于列车的数据通信。TCN 列车总线一般分为两部分：用于连接各节可动态编组车辆的列车级通信网络绞线式列车总线（Twisted Train Bus，简为WTB）以及用于连接车厢内固定设备的车辆级通信网络多功能车辆总线（Multifunctional Vehicle Bus，简为 MVB）［2］。国内地铁列车大都采用了基于MVB 标准的网络控制系统。通过采集和分析处理列车运行过程中产生的各类信息，可以大大提高列车运行维护的时效性，从而有效保障列车运行安全。

1 研究目标

通过对地铁列车运行状态和设备记录数据的实时无线传输，向列车提供实时故障诊断信息，进而为故障处理提供远程技术支持，减少地铁列车正线运营过程中的故障处理时间和清客率。具体建设目标包括：

（1）正确解读已有地铁列车信息系统的信号及所需接口信息，并汇总为所需信号集模块；

（2）向地面传输在途地铁列车安全运行状态信息，为实现对在途地铁车辆的运行安全监视、预警提供数据支持；

（3）通过对列车在线检测设备记录数据的实时监测、智能判断，向地铁驾驶员途中故障处理提供远程技术支持；

（4）设计智能诊断方法与技术，充分利用车载设备的检测记录信息，对列车运行状态进行判断并进行故障报警。

2 系统方案

2.1 系统架构

远程诊断系统主要由车载接入子系统、车地通信子系统、地面综合应用子系统3部分构成各子系统对应项目需求的整体架构如图1所示。

图1 系统架构示意图

2.2 系统层次划分

根据系统总体架构及实施目标，可将系统划分为物理设备、通信网络、数据和应用服务4 个层次（如图2所示）。

设备层主要包含：车载接入子系统用于完成TCMS（列车控制管理系统）信息采集、监测和存储功能的电路板；地面综合应用子系统用于接收TCMS信息和发送故障诊断信息和指令的服务器；车地通信子系统中用于收发数据的无线射频模块、WIFI网关、路由器、防火墙。

通信网络层主要包含：车载总线MVB、RS232；车地通信子系统的3 种无线网络（CDMA（码分多址）、GPRS（运用分组无线服务技术）和 WIFI，地面系统的以太网。

图2 系统层次结构

数据层包含：TCMS监测信息和存储，数据库。

应用服务层包含：车载子系统中的人机交互服务，通过人机交互模块实现向司机展示故障告警、运行状态、操作方式和回传指令；地面综合应用子系统的实时远程监测服务、故障分析预警服务、专家库诊断决策等。

2.3 系统功能

本系统通过车载状态信息的抽取、采集和融合，采用以CDMA2 000为主，GSM／GPRS和WIFI为备用的车地通信方式，最后基于故障诊断专家系统，实现对地铁列车安全状态的预警。

2.3.1 车载信息接入功能

车载信息接入功能主要负责地铁列车状态参数、安全信息及综合监测信息的采集、处理、记录、传输与转储，将信息打包发送至地铁列车无线传输模块，经由车地通信系统传输到地面综合应用系统并为之提供数据支持。具体功能如下。

（1）TCMS信息解译：针对地铁列车现有各信息系统的通信机制规范，通过MVB 信号采集单元采集TCMS的MVB总线信号，基于试验和分析采集的 MVB 总线信号，最后完成 TCMS 信号的解译。

（2）车载信息采集：在不影响TCMS正常工作的前提下通过隔离的MVB 接口采集MVB 总线上所有信号，并把 MVB 总线格式的数据转换为RS 232格式的数据。

（3）车载信息总控：对车载信息采集、信息传输、人机交互功能的集中控制。能正确理解地铁列车驾驶员的需求驱动，并能实时将地面处理、判断的结果进行有效展示。

（4）车载信息传输与内外收发：通过多种无线射频芯片实现多网多待，完成地铁列车状态信息传输至地面综合应用系统。

（5）车载人机交互：通过触摸屏实现显示地面综合应用系统的故障诊断结果和各种地铁列车驾驶员的操作输入。

2.3.2 车地信息传输功能

车地信息传输功能负责将车载信息传输到地面综合应用系统，为状态检测、智能诊断与维护提供通信服务；同时负责把地面综合应用系统的故障诊断结果传输到车载接入系统指导地铁列车司机操作与维护。由于CDMA 无线公网具有网络覆盖好，抗多径干扰、抗衰弱性能好，尤其是越区软切换不易掉线的优点，因此，该系统快速移动中的通信方式主要采用 CDMA 网络，GSM／GPRS 作为备用网络，实现双网双待；同时，提供车载信息需海量数据交换和移动网络中断时采用WIFI无线局域网方式的功能选择，这是在地铁列车停站时车载盒与站台上的WIFI站点通信。

（1）网络配置：本系统的通信方式支持CDMA2 000、GSM／GPRS及WIFI3种网络。车载接入系统主控芯片具有连接这3种网络的接口，并配置和初始化这3种网络。地面综合应用系统是具有固定IP地址的以太网终端设备，以固定IP地址接收和发送数据。

（2）网络切换：车载接入系统传输数据时，按优先性和实时性选择 CDMA2 000、GSM／GPRS 与WIFI 3种网络中的一种，并在某一网络中断时能够选择其他2种网络中的一种传输数据。车载接入系统的内外收发功能区的硬件与软件支持此网络切换。

2.3.3 地面综合信息处理功能

地面综合信息处理功能主要实现设备运行状态显示、实时故障报警、故障专家诊断、远程维护支持以及故障统计分析等功能，具体功能如下。

（1）专家库：专家库建立依赖于实际需求、历史资料信息和专家经验知识。以地铁列车安全状态集及地铁列车故障类型为基础，整理、归并、表达判断规则，建立可供地铁列车安全监测以及故障正确发现和判断的原始专家库。它作为地面综合系统故障诊断的重要依据和基准。

（2）安全状态分析与故障诊断：对接收到的地铁列车安全状态信息的具体分析与筛选；采用故障诊断方法，进行地铁列车安全状态表达和故障判断。

（3）地面系统处理中心：地面综合应用系统的控制中心与运算中心。需要控制地面综合应用系统的信息获取、信息传输与收发、人机交互等功能的正常运行，并对接收到的车载信息进行正确运算处理。

（4）地面信息传输与收发：基于车地通信系统中采用的多网融合模式，地面综合应用系统的信息接收和传输只需具有固定IP 地址的以太网网络接口。

（5）地面人机交互：根据系统需求，正确、及时展示地面综合应用系统获取到的地铁列车安全状态，并对监测到的故障信息进行预报和预警。

2.4 系统接口

2.4.1 与地铁列车接口

本系统对外的接口主要是车载接入子系统与地铁列车上原有TCMS系统之间的接口，此接口主要采用隔离的MVB 接口，使车载接入子系统透明地连接于TCMS系统的MVB 总线上。TCMS系统既接收MVB总线上数据又发送数据到MVB 总线上，而车载接入子系统仅接收MVB总线上数据。

2.4.2 与其他应用系统接口

本项目系统实际运行后需与地铁系统中的其他应用系统对接，实现数据共享。因此本系统通过路由器与其他应用系统实现信息互通。

2.5 子系统交互

3个子系统之间交互为：①车载接入子系统实时自报所有数据至地面综合应用子系统；②地面综合应用子系统将诊断信息、排除故障的操作传输至车载接入子系统。

3 技术难点

3.1 MVB信号采集

MVB 信号采集设备的功能要求在不影响TCMS正常工作的前提下采集 MVB 总线上所有信号。

经过分析得到：MVB 协议如同以太网一样，是一种基于总线的协议，每一个 MVB 设备都挂接到同一根总线上。与以太网不同的是，MVB 协议解决总线访问冲突的办法是主从控制。即：总线上有且只有一个 MVB 设备称为主设备，其它设备都为从设备。主设备控制总线的访问，从设备都是在得到主设备允许后才能访问总线。MVB 信号采集设备作为从设备挂接到MVB 总线上，与普通从设备不同的是，这个采集设备对于该总线的主设备是不可见的，这样是为了不影响总线的正常运行，而且它会将经过该总线的所有数据截获下来，而不管这些帧是否是发给自己的。由于MVB 协议的所有数据在链路层上都是通过广播发送的，因此这个 MVB信号采集设备可以监听到所有数据。

MVB信号采集模块完成 MVB 信号转换为RS232信号的功能。它采用片上系统（SOC）的方式，基于FPGA（现场可编门阵列）设置MVB 控制器和RS232控制器，通过 MVB 接口连接到 MVB总线上，以及通过RS232 接口连接到车载监控模块。MVB信息采集模块与MVB 总线连接是透明连接的方式。

MVB信号采集设备如同一个普通MVB 从设备一样工作。不过与普通MVB 从设备不同的是，它是一个完全被动的设备，不能干扰 MVB 总线的正常运行。不管这个采集设备是否存在该总线上，MVB 总线将以完全同样的方式运行。所以，该采集设备只是接收并保存所有通过 MVB 总线的数据，不发出任何数据。而且它不存在于 MVB 总线主设备的周期轮询表里，它不需要分配 MVB 设备地址，因此，它对于整条总线是透明的。

该远程诊断技术研制的采集设备以从设备的方式接入到MVB总线上，经过南京地铁3号线和无锡地铁2号线地铁列车的静态和动态调试后验证，该采集设备不影响TCMS系统和车辆的正常运行。

3.2 TCMS信息解析

其难点在于为何确定车载系统从MVB 总线上采集的信号每一位或每一个字节的含义。

通过深入分析MVB总线的协议和数据的传输方式，确定采集的MVB总线信号的格式，根据每个子系统与TCMS系统交互的接口文件的数据定义，以及TCMS系统中IO 设备中每个数据的定义，解析了车载系统从TCMS系统采集的所有数据。

通过采集和传输试验，车载系统采集TCMS系统的所有数据发送到地面系统后，地面系统显示的数据信息与TCMS系统在地铁列车上显示器上显示的内容一致。

3.3 车地通信方式

车地通信方式既要满足实时数据的传输又要实现大容量数据的传输。

车载信息传输至地面综合应用系统，根据容量可分为小容量的实时信息和大容量的记录信息2种，这2种类型的数据借助车地传输系统传送至地面数据处理中心。除此之外，传输的信息还包括车地（地对车）之间的远程控制数据，从而实现车地之间的远程交互。系统功能与传输策略包括以下几个方面：①实时信息采用基于TCP／IP 网络协议的点对点传输方式，通过无线公网CDMA2 000、GSM／GPRS与公用数据网，采用TCP协议实现车地之间的可靠连接。②大容量记录信息的传输首选具有4 MHz传输速率的CDMA2000无线公网，在双网双待无法链接或无法满足流量时采用基于WLAN（无线局域网）无线通信技术。地铁列车到站后，车载系统进入WIFI的无线网络覆盖范围，无线传输系统检测到WIFI网络信号后，将第一时间发送文件传输控制命令给车载信息系统，要求上传大容量记录信息文件，在网络信号稳定的情况下，利用WIFI网络自动下载到地面的通信服务器中。

通过采集和传输实验，车载系统采集TCMS系统的所有数据后把数据分成有变化的小容量数据和全体的大容量数据，分别采用不同的传输方式发送到地面系统。地面系统可以准确地接收这些数据。