基于数据挖掘的ATP设备故障分析方法

曹双强

(通号工程局集团有限公司，北京 100071)

列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，ATP）是列车运行控制系统的核心安全设备，包括车载主机、无线传输单元、应答器信息接收单元、轨道电路信息读取器（TCR）、测速测距单元、人机交互接口单元（DMI）、列车接口单元（TIU）、司法记录单元（JRU）等多个子系统。车载主机是车载ATP 的核心处理单元，实现车载ATP 的核心安全控制功能。车载主机综合列车数据、线路描述、行车许可、临时限速信息，生成动态速度监控曲线，并根据速度监控曲线自动监控列车运行状态，必要时向列车输出制动命令，确保行车安全。

1 车载ATP介绍

1.1 ATP控制设备系统构成

以C2 某型号车载设备为例，ATP 控制设备系统构成如图1 所示。将ATP 控制设备主体连接到以下设备上，基于地面获得的信息进行速度控制。

1）车体无熔丝断路器盘（No Fuse Braker，NFB）面板

图1 C2某型号车载设备构成示意图Fig.1 Schematic diagram of a type of CTCS-2 onboard equipment composition

提供ATP 设备电源的控制开关。

2）车体操纵器

将车体操纵器（牵引，制动，零位，向前，向后）的信号传递给ATP 控制设备主机。

3）车载人机接口（Driver Machine Interface，DMI）

将速度、显示信息通过图像、声音输出。并可以输入模式切换等司机指令。

4）LKJ-2000

在CTCS-0 区间走行时，作为控制设备的车辆监控设备。

5）车体配电盘

将ATP 的制动指令传递给车体制动控制设备的设备。

6）监视器（Monitor，MON）

在CRH2 型车上，对车辆运行和车辆搭载机器动作相关信息集中管理（CRH1 型车不安装）。

7） 刹 车 控 制 单 元(Brake Control Unit，BCU)

在CRH2 型车上传递来自ATP 的速度信号。基于司机的制动手柄操作及来自ATP 控制设备主体的制动指令进行制动控制（CRH1 型车不安装）。

8）速度传感器

将车轮的旋转转换为速度脉冲（速度信号），传给ATP 控制设备主体。

9）应答器信息传输模块（Balise Transmission Module，BTM）天线

将从Balise 地面应答器接收到的Balise 信号，传递给ATP 控制设备主体。

10）轨道电路读取器（Track Circuit Receiver Uint，TCR）天线、TCR 接线盒(TCB)

将轨道电路的信号传送给ATP 控制设备主体。

1.2 ATP内部构成

ATP 控制设备主体内部构成如图2 所示。ATP控制设备主体由以下设备构成。

1）VC1、VC2 单元

以故障—安全原理动作的安全计算机是由双系VC1、VC2 构成的。采用的是冗余结构，即使一个系出现故障，其整体也可以正常工作。通过和BTM间的RS-422 通信输入Balise 报文，通过和TCR的RS-422 通信输入轨道电路信息，通过速度分配盘输入的速度信号，生成速度核查模式，将制动指令输出给继电器逻辑单元（Relay Logic Unit，RLU）；通过和DMI 的RS-422 通信，输入按键操作及输出显示/声音/语音指令。

2）数据记录单元（Data Recording Unit，DRU）

DRU 通 过 和VC1、VC2、BTM、LKJ-2000的RS-422 通信，收集各个部分的信息，还有输入来自RLU 的继电器接点信息，将各种信息记录在PC 卡上。

3）RLU 单元

RLU 将来自VC1、VC2 的制动指令、过分相指令经继电器接点中转后输出给车体。如果VC 单系出现故障，将隔离故障系，从而使ATP 整体工作正常。

4）TCR 单元

解读TCR 天线收到的轨道电路信号，通过RS-422 向VC1、VC2 发 送。 利 用 电 波 向LKJ-2000 传送轨道电路信号。

5）BTM

图2 车载设备内部结构图Fig.2 Internal structure diagram of onboard equipment

解 读BTM（Balise Transmission Module)天线接收到的Balise 信号，将Balise 报文传送给VC1、VC2、DRU；将载波检测(Carrier Detect，CD）信号输出给 VC1、VC2。

6）速度分配盘

将速度传感器输出的速度信号分配给VC1、VC2、BCU、MON。

7）ATP 隔离开关

ATP 隔离开关将来自ATP 设备的制动指令（ATP 制动指令）、过分相相关信号进行隔离。

8）LKJR

LKJR 继电器对来自ATP 设备的制动指令（ATP 制动指令）和来自LKJ 的制动指令（LKJ制动指令）进行切换。另外，LKJR 继电器在RLU 上的名字是LKJOAR，LKJOBR。

9）风扇

风扇用来对ATP 控制设备内部进行强行制冷，通过DRU读取风扇故障信号可进行监控。

10）滤波器盘

DC 110 V 输入电源用的噪声过滤器。

11）风扇电源

DC 110 V 生成风扇用的供电电源。

2 数据挖掘分析车载设备故障

2.1 数据挖掘介绍

在车载运维过程中，存在许多监控工具，在每天产生纷繁复杂的告警数据中，存在大量的冗余告警信息，它们之间隐藏着一些具有强关联性的告警规则，也就是说某些设施的指标告警是由于别的指标告警引起的。不同类型的设备之间，设备的指标之间，都存在这样的关系，只有找到产生告警的根本原因，才能快速、有效地排除故障，确保业务系统安全稳定运行。告警关联分析通过融合并转化多条有联系的告警，将它们转换成一条或几条包含更多故障信息的告警，以此达到降低活动告警的种类和数目，减轻运维人员的工作压力，提高故障精确定位效率，使系统运行快速恢复正常。

2.2 数据挖掘故障分析

VC1、VC2 的OPE 基板LED 显示与故障查找列表，如表1 所示。

如表1 所示，利用LED 等来判断故障种类非常多并且不能定位到精确原件故障，必须通过运维人员进行判断，决定如何采取措施来解决问题。

表1 VC1、VC2的OPE基板的LED显示与故障查找Tab.1 LED display and trouble shooting of OPE baseplate of VC1 and VC2

数据关联有规律可循。如果多个变量的取值之间存在某种规律性，则称之为关联。关联分析的目的是找出数据中隐藏的关联网。关联规则挖掘发现大量数据中项集之间的相关联系。

在车载设备的众多报警和故障信息表中，如果利用数据挖掘关联分析方法，可以迅速简化告警信息，定位故障点，如表1 中19 种故障点背后可能存在关联关系，利用数据背后的关联关系，可以迅速定位故障，不用再通过人工查找和分析，提高效率，恢复故障更加快速。

3 结论

数据挖掘中关联分析的目的是找出数据中隐藏的关联网。关联规则挖掘发现大量数据中项集之间的相关联系。使用告警关联数据信息，使用数据挖掘方法，快速找到数据背后所包含的各种故障告警，缩短维护人员寻找故障的时间，使故障系统快速回复正常工作状态。