重载机车车辆状态远程监控方案研究*

2020-11-11潘勇卓黄志平王隆龙

铁道机车车辆 2020年5期

王兢，吴頔，潘勇卓，黄志平，王隆龙

(北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

重载机车多采用货车前后不固定灵活编组的方式进行实际运用。由于外部原因(供电，设备隔离)或者设备自身故障原因，导致车辆状态进入异常，为满足对运行重载机车动态跟踪监控、提供远程技术支持和故障应急指导并即时组织维修的实际运用需求，需要对机车车辆的安全状态与故障情况进行实时动态跟踪监控。研制适用于重载机车车辆的远程数据传输监控系统，解决重载机车无定制车辆检修监控系统的问题。分析重载机车管理检修运用需求，车载主机将机车运行途中的重要信息进行记录，并实时发送到地面监控系统，形成地面与车辆联动，保证地面车辆专业人员第一时间掌握车辆状态并节约检修和维护时间，盯控突发重点问题。

1 机车状态远程监控方案配置

基于网络控制的机车列车级网络采用WTB列车级总线，车辆内部采用MVB车辆级总线[1]。各子系统通过车辆级数据总线传输参数数据和故障数据。车辆整车以太网采用星型拓扑，传输速率为100 Mbit/s。每节车辆设有以太网交换机，其中无线传输装置连接到本节车交换机实现以太网数据交换。数据采集装置安装于机车端车电气柜内，即每列车配置2台主机分别与以太网交换机连接，并接入MVB网络。无线装置安装于机车端车电气柜内，即每列配置2台主机分别与以太网交换机连接。重载机车数据记录仪和无线传输装置采用小型模块化设计，既能满足机车设备安装空间小的要求，又能将设备自身防尘性能提高从而延长维修周期。数据记录仪软件功能成熟安全可靠。无线传输装置可适应多变需求单独进行软件升级维护。系统工作原理框图如图1。

图1 机车状态远程监控原理框图

车辆TCN控制网络与车辆以太网维护网络相互隔离，数据多路传输的网络拓扑结构既能保证控制网络数据的可靠性和稳定性又能满足大量维护数据及诊断数据的传输汇总进而传输到地面专家系统。不同的系统间数据和同一系统间不同设备都可以通过以太网进行诊断和监控数据的传输，通过TRDP协议和交换机本身的管理策略即保证维护以太网的可靠传输又可限制异常数据交换对行车功能的影响。

数据记录仪ERM采用低功耗ARM平台通过接入车辆级总线实时采集并周期性存储MVB数据。ERM硬件采用双核处理器在结构设计上通过与机壳特殊接触处理保证良好散热，可实现最小周期16 ms稳定数据采集及存储。ERM硬件在保证可靠稳定驱动加载MVB网卡的前提下整机一体化设计无飞线连接驱动外设。鉴于重载机车工作温度高，烟尘较多，电磁环境复杂等环境因素ERM硬件设计满足高可靠性和高抗干扰等级。ERM在软件支持上可快速加载QNX实时操作系统、驱动MVB网卡并同时支持TRDP以太网传输协议。

无线传输装置采用以太网技术、GSM无线传输技术、WLAN无线局域网技术，通过BDSGPS功能模块获取列车位置信息，GPS定位精度为10米级。通过4G/GPRS发送实时数据，符合TCP/IP协议标准。若车站或车辆段具备WLAN无线覆盖，通过WLAN实现自动连接地面AP并下载存储的数据。WTD硬件采用壁挂式，通过后法兰固定孔安装，铝制密闭金属外壳，防尘、防腐、抗振动。

数据记录仪ERM通过接入车辆级总线实时采集并周期性存储MVB数据。ERM通过诊断程序实时自诊断整车车辆故障并存储。根据地面展示的需要，不同类型数据所需要刷新频率不同。车辆可灵活配置ERM发送不同类型数据的周期以匹配需求。ERM通过整车以太网交换机与无线传输装置进行以太网通信，二者通过TRDP实时以太网传输协议将数据同步。无线传输装置接收到更新的数据后，通过4G模块将车辆状态数据和故障数据实时下发到地面服务器。

重载机车需要实时传输的信息总结分为动态位置跟踪信息、基本状态信息和故障信息。

动态位置跟踪信息主要包括运行机车的准确位置，如经纬度或线路公里标；基本状态信息主要有：速度、车重、挂载数量、牵引状态、制动状态、轴温温度等安全相关信息，以及空调、IO状态信息等；故障信息主要是在车载网络上传输的、可获取的故障事件以及其相关环境参数，用于故障发生后支持车载故障的诊断、分析、排除及机车检修。

地面服务器通过不同车型定义的接收数据线程进行数据分类接收。地面定制解析程序根据唯一确定的车型解析数据，数据按照不同的列号、车号、数据类型等条件进行数据库录入。数据在分布式数据库中存储供前端网站页面展示调取。监控网站按照车辆拓扑及编组信息实时显示车辆状态信息和故障信息。其中地图定位页面显示列车车号、定位列车位置及运行情况。此外车辆的运营状态可在监控网站进行历史数据查询。

在地面系统的基础上，对当前预警项点进行梳理，找出可以指导检修的项点，例如可根据轴温预警次数安排排查轴承故障作业等，并可进行细化。同时面向不同应用场景对故障代码进行分类分级、组合(如检修关注的故障代码，调度关注的故障代码等等)。

针对部件物理特性，明确所需的数据传输频率(如轴温十秒级，网压毫秒级)，为部件状态评估奠定基础。后续可整理数据可视化需求,梳理目前地面专家系统分析车组状态常用的方法，由监控系统给出更直观便利的展示页面。

2 机车状态远程监控页面

2.1 机车故障实时监控(见图2)

图2 机车故障监控页面

地面系统通过机车故障数据特定位置编码识别数据类型。地面解析系统解析故障数据，并将数据分类至数据库相应故障表。前端页面读取故障数据并按照解析规则解析显示。故障展示内容包括基本故障元素如：故障代码、故障名称、故障系统、故障等级、故障时间。

地面系统通过声音报警和闪烁报警提示车辆监控人员发生严重故障。车辆相关人员可以根据部分参数信息和调度与司机的反馈信息提前做出初步诊断，根据故障发生的系统进行检修作业时间和场地安排，提高检修维护效率。

2.2 机车故障历史导出(见图3)

图3 机车历史故障导出页面

机车故障历史故障查询功能可供维护及监控人员查询统计并导出历史故障。在输入栏选择相应的车号和时间范围并加入某些限制条件后可查询到检索的故障。故障可按照系统分类，也可按照优先级筛选。历史故障统计可指导可靠性工程师进行设备和系统的可靠性分析。按照时间统计一段时间内某个系统故障发生的次数。系统发生故障同一时刻部分环境参数的统计也可帮助工程师掌握故障时刻运用环境。

2.3 机车参数实时监控(见图4)

图4 机车参数实时监控页面

机车参数通过数据特定位置编码识别数据类型。地面解析系统解析参数数据，并将数据分类至数据库相应参数表。前端页面读取参数数据并按照解析规则解析显示。参数展示内容包括车辆基本状态：速度、轴温、制动缸压力、车质量、主断状态、受电弓状态、手柄级位等等。地面机车维护人员可在关键节点进行参数数据监控。故障发生后维护人员可参考参数数据进行远程分析车辆状态。