城市轨道交通车辆状态实时监测与分析系统研发应用

谢 谦

(北京市地铁运营有限公司 地铁运营技术研发中心， 北京 102208)

随着我国城市化进程的不断加速和城市人口的日益增长，城市轨道交通由于其快捷、高效、绿色的特点已经成为解决城市交通拥堵问题首要的方式。截至2017年底，全国34个城市建成投运的城市轨道交通线路已经达到5 000 km。随着城市轨道交通客流量的不断增加，在网络化运营的新形势下，保障城市轨道交通车辆安全、可靠、稳定的运行成为了各运营公司的首要任务。城市轨道交通车辆部件繁多，各部件都在系统中发挥着重要的作用，但一些偶发故障很难故障再现，不能确认故障点，从而埋下安全隐患。对轨道交通车辆的运行状态进行实时监测与分析，对保障地铁车辆运行安全性有十分重要的意义。结合北京地铁7号线车辆在线监测及分析系统应用研究工作，提出车辆实时监测系统的方案,同时尝试通过状态监测改变传统的车辆维修方式。

1 研发目标

北京地铁7号线是北京中心城区的一条东西向地铁线路，主要布置于两广路地下，贯穿北京外城，并连接东部劲松等地以及垡头边缘集团。7号线车辆由北京地铁车辆装备有限公司生产，列车为8节编组B型列车(6动2拖)，最高运行速度80 km/h，最大载客能力2 766人。在车辆运营过程中，由于车辆故障地面不能同步预警，车辆日常信息存储于ERM(列车数据记录仪)，需使用移动笔记本及数据线连接车辆后进行数据拷贝。现场响应速度慢，处理时间长。出现快速自恢复故障时，乘务员也存在漏报，误报故障现象。此外，大量车辆运营数据未能有效收集和利用，无法为车辆状态修提供数据支撑。

通过本次研究实现正线运营车辆数据的无线上传，地面调控中心对在线车辆实时监测；实现段内车辆的存储记录无线打包下载；建立分析系统及数据库，辅助车辆数据的管理及统计；纳入公司智能信息化系统，实现车辆数据信息的移动端APP形式报送。数据全量存储、实时显示，对于故障数据自动推送至移动端APP，实现故障自动上报，检修中心收到故障信息指派专业人员现场维修，实现检修电子化流程。

2 系统功能

在线监测与分析系统主要功能是收集列车数据，通过无线方式发送到地面列车数据服务器，从而为列车运行提供远程专家技术支持和远程诊断。

在线监测与分析系统与地面接收站通信的示意图如图1所示：

图1 在线监测与分析系统与地面接收站通信图

地面系统平台功能紧密围绕列车运营与检修维护两方面进行，建成的系统能够支撑实现以下两大目标：

(1)运营管理变革

建立车辆设备状态的远程可视化管理平台，提升故障实时的处置水平以及提高服务水平；建立应急指挥技术平台，针对已经发生的故障能及时指导司机或相关人员进行排除，避免人为因素扩大故障影响；

(2)检修维护管理变革

建立智能检修机制，在进一步降低综合检修成本的前提下，显著提高车辆的检修效率、安全性和可靠性，远期能够辅助支撑将目前的日检模式改进为以状态修为主，形成基于全寿命周期管理的维修制度。

3 系统架构

北京地铁7号线在线监测与分析系统硬件分为车载部分和地面部分。

3.1 车载部分

车载4G/WLAN无线网关头尾车各配置一个，头尾车ERM与各自侧的车载4G/WLAN无线网关分别通过以太网线缆连接，车载4G/WLAN无线网关通过馈线与放置于各自车顶的车载天线相连接，实现正线4G状态数据实时上传以及非实时运行数据WLAN库内上传。

车载天线和车载路由器如图2。

图2 车载天线和路由器组成

3.2 地面部分

地面放置服务器，用于接收正线通过4G上传的实时状态信息以及库内通过WLAN上传的非实时运行数据。车辆段内布设的WLAN局域网为库内非实时运行数据下载提供数据传输通道。

4 地面系统功能规划

地面系统平台功能紧密围绕列车运营与检修维护两方面进行，建成的系统能够支撑实现以下两大目标。

4.1 运营管理变革

建立车辆设备状态的远程可视化管理平台，提升故障实时的处置水平以及提高服务水平；

建立应急指挥技术平台，针对已经发生的故障能及时指导司机或相关人员进行排除，避免人为因素扩大故障影响；

4.2 检修维护管理变革

建立智能检修机制，在进一步降低综合检修成本的前提下，显著提高车辆的检修效率、安全性和可靠性，远期能够辅助支撑将目前的日检模式改进为以状态修为主，形成基于全寿命周期管理的维修制度。

5 地面系统功能设计

5.1 车辆数据无线传输

实时状态数据正线上传：头尾车数据记录与发送仪(ERM)通过MVB接口连接到列车MVB总线。从MVB总线获取列车实时状态数据及故障数据，然后通过车载4G/WLAN无线网关中的4G模块实现正线数据实时上传；

非实时运行数据库内上传：列车回库后，列车数据记录与发送仪(ERM)通过车载4G/WLAN无线网关中的WLAN模块，经车辆段内的无线局域网(WLAN)无线数据传输通道，将记录的运行数据及故障数据上传至地面数据服务器，运行数据支持远程下载，下载完成后通过专用的维护软件(PTU)便可进行数据分析。

TCMS 系统车辆数据无线上传拓扑方案如图3。

图3 TCMS系统车辆数据无线上传拓扑方案

5.2 车辆实时状态监测分析系统数据管理

在线监测分析系统平台接收、解析、存储城市轨道交通车辆的状态信息数据，在此基础上进行数据应用与分析。平台主要分为4个层级，包括数据接入层，数据解析层、数据存储层与数据应用层见图4。

数据接入层的功能主要由地面数据网关实现，包括负载均衡模块与netty网关模块两部分。通过本地软件/硬件负载均衡技术扩展现有网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。

数据解析层通过Spark Streaming分布式计算引擎来进行二进制数据的解析以及数据的运算转换，能够快速灵活从设备原始数据包中解析处理两类数据。

数据存储层采用Cassandra来作为时序数据的底层存储，高性能写入性能能够满足线性扩展，写入相比查询更加强大。

图4 地面在线监测与分析系统数据管理示意图

5.3 深度数据挖掘形成专家系统

系统基于大量历史数据的深度挖掘，达到列车故障的预测，已经相关故障处置准确的智能指导，检修相关工单、物料及人员的自动安排，实现专家系统未保存故障的自动学习，不断自动完善专家系统。根据系统建议达到优化完善整个地铁网络运维管理规程策略的目的。

5.4 车辆实时状态监测软件 功能示例

(1)车辆运行状态实时监控(见图5)

可了解车辆的当前所在站及下一站、车辆数据发送的最后时间、牵引制动状态及级位、自动控制模式、紧急制动环路、当前里程、总里程、牵引能耗、总能耗、再生能耗、空压机的工作时间，且可以直观的看到列车的速度、总风压、网压、网流。右侧故障区为车辆当前未消除的故障与预警信息。

图5 车辆运行状态的实时监控界面

(2)车辆故障信息实时告警(见图6)

下方的实时状态监控区：可以点选车辆基本信息、牵引系统、制动系统、网络系统、辅助系统、车门系统、空调系统、火灾界面、旁路界面、软件版本，可以通过数值及颜色等查看各系统实时状态。右上方还可以查看车辆履历、车辆状态回放、车辆视频监控

图6 车辆运行状态的实时监控查看界面

(3)车辆运行状态信息统计分析(图7)

可通过选择时间及列车号查看故障信息。包括每条故障的列车号、故障发生时间、故障内容、故障编码、持续时间、故障派发状态。点击故障统计，可以通过选择系统车辆系统查看各系统发生故障的次数及故障信息的描述；点击故障分布，可以通过选择时间或日期的分布图，查看各级别故障的次数。

图7 车辆运行状态信息统计界面

6 移动端APP功能设计

本次移动端APP研发基于在线监测系统地面数据处理服务器接收到车辆数据之后，实时对车辆原始数据包进行解析处理，将数据处理结果，包括车辆实时状态、列车故障预警信息、检修工单任务等，通过以太网推送给移动终端APP软件，有利于运营维护工作的及时响应。图8、图9为移动终端的界面显示。

图8 车辆运行状态信息统计界面

图9 车辆运行状态信息统计界面

点击列车，可看到在线车辆、离线车辆、轻微故障、一般故障、严重故障的概况信息。

点击在线及车号，可以进入车辆概况查询界面，在本界面可以看到车辆运行及驾驶模式，运行里程、能耗、空压机工作时间、最新数据发送时间等信息。并可以看到本车当前故障及异常的数量，本车当前的速度、总风压力、网压、网流的数值。

点击查看更多，即可进入详细状态。可以查看车辆的基本信息、牵引系统、制动系统、网络系统、辅助系统、车门系统、空调系统、火灾界面、旁路界面、软件版本的状态信息。

初始界面，点击下方的消息，可以看到消息、故障单。消息及故障单为PC端派发过来的通知信息及故障信息。

7 结束语

车辆在线监测与分析系统能够将列车运行状态数据及故障数据可靠地传输到地面，实现对列车运行状态的远程监控，解决了以往列车车载运行信息无法远程获取缺陷。随着5G技术的成熟和应用，车辆在线监测水平也将大幅提升，特别是5G的超高网速和低时延特性，将使车辆运营的实时数据传输水平和完整性得到改善，该研究也将为后续5G技术应用奠定基础，提供经验；为地铁车辆的运行安全提供保障，为维修提供帮助。