基于车载数据的车辆状态分析软件功能与应用

李海英

(重庆凯瑞车辆传动制造有限公司，401122，重庆//工程师)

在城市轨道交通网络化运营阶段，保证运营安全是地铁运营方的重点工作内容之一。目前，车辆运行状态的分析主要基于车载数据的实时监测以及历史数据的状态分析，而业界普遍关注的是如何能够快速、准确地检索与定位车辆的运行状态，以实现车辆状态评估和故障预警。车辆运行状态的实时监测和数据记录功能为车辆状态评估和故障预警提供数据支持。在车辆全寿命周期中，状态数据监测的设计思路与车辆的设计和制造环节相反:后者是通过对车辆各部件的设计以达到车辆所需的运行性能，而前者则是通过对车辆运行性能的监控以研判列车各部件的性能和状态。基于车载数据来分析列车关键参数或运行状态，其现有的处理方法一方面是通过车辆信息设备进行数据信息的采集、处理与播报，另一方面是通过线下完成数据后处理。该方法主要针对车辆各专业领域的模块设备或部分功能，很少涉及设备或模块间运用状态的分析，因此有必要开发能够实现多功能信息查询、故障定位乃至状态分析与安全评估的基于车载数据的车辆状态分析软件。

1 软件架构与功能

通过用VC 语言与Matlab 软件混合编程，开发了基于车载数据的车辆状态分析软件。该分析软件架构如图1所示。结合某地铁车辆车载数据的构成，软件需实现以下几大功能:

1)数据文件的读取与解码:车载数据文件一般以二进制形式保存(如.FIL 文件)，在进行数据文件读取与解码时需要按照相应的通信协议进行解码处理。

2)参数识别与可视化处理:解码后的数据需要根据对应的物理变量进行参数识别，同时通过调用嵌入的Matlab 函数实现曲线显示与图形绘制。

3)参数分析与报表生成:基于列车运用参数变化规律，完成状态分析，通过绑定Excel 数据格式实现报表输出。

图1 基于车载数据的车辆状态分析软件架构

1.1 数据结构分析

现以某地铁列车的车载数据为例进行分析。图2 为某地铁列车车载数据部分协议的定义。图3 为应用UltraEdit 软件打开的某地铁列车车载数据FIL文件。对照数据协议可以看出，该数据结构的特点如下:

1)该车载数据通过UDP(用户数据包协议)广播方式进行数据传输，每200 ms 发送一次数据，组播 IP 地址统一为 239.0.0.144-239.0.0.145，组播端口为5 050(即每秒记录5 个数据包);

2)数据包的起始数据为0x11，可作为数据解码的识别信息，即作为一个完整记录的开始点;

3)数据记录连续存储，每个记录包含340 个字节数据。

图2 某地铁列车车载数据部分协议的定义

图3 应用UltraEdit 软件打开的部分车载数据文件

1.2 软件功能模块

1.2.1 状态快速定位

可将根据数据解码器生成的结构化数据分为3类:时间参数、列车局部参数和列车整体参数。其中:列车局部参数为对应编组内全部车辆中具有不同值的某一状态数据，如轴速等，需通过车辆编号与状态信息配合来指定某一参数;列车整体参数为描述整个编组列车的某一状态的数据，可以表征该编组列车全部车辆的某一状态，如牵引制动级位(该状态信息为司控机发出的牵引/制动信号，因此每节车具有相同的数据)。另一方面，在进行状态快速定位处理时，选定的参数经接口变量处理后调用Matlab 动态链接库实现曲线绘制。输入参数列表如表1所示。

表1 输入参数列表

表 1 中:参数 x1、x2 和 y 是绘图数据;index、num 和datalength 为附加数据，为绘图提供附加信息;width、bgcolor 和 timetpye 为 3 个标量参数，用来设置绘图的显示效果。该绘图方式借鉴了矢量量化技术的优点，可实现缩小放大调节功能。在绘图函数中建立索引字典，以index 索引列表伴随数据输入函数，将数据一一对应到相应位置。尽管其软件处理代码复杂，但可有效改善数据传输量的大小。对于海量数据处理，这是一种高效的优化。

1.2.2 故障统计

故障统计模块的功能首先是基于数据解码进行结构化数据处理，然后综合传感器的采集信息及列车网络信息，通过故障分离算法统计故障。在故障统计模块UI(用户界面)设计中，通过设置2 个选项卡，将故障划分为VVVF(变压变频)设备故障和制动设备故障。故障统计模块界面如图4所示。

2 软件测试与应用

2.1 软件测试

软件测试主要包括功能测试及可移植性测试，具体测试项目包括文件读取模块测试、报表生成模块测试、图形绘制模块测试、软件可移植性测试等。图形绘制模块测试中，通过软件绘图功能得到的以C1 型车VVVF 电网电压变化为例的测试结果如图5所示。

图4 故障统计模块界面

图5 绘图功能测试结果(以C1 型车电网网压变化为例)

2.2 应用分析

图6 为某地铁列车车载数据分析结果。图6 中局部参数选取一拖一动车辆的电制动指令值(高位有效)和制动缸压力值，整体参数选取牵引制动级位和列车防滑参考速度。由图6 可见，基于丰富的列车状态信息的参数可视化实现，不仅可以分析列车运行状态，掌握列车运营状态，还可进行服役参数与算法分析研究等。

以相同的例子进行故障信息快速定位分析。导出并生成的图7所示的故障状态信息列表。

图6 实例所示列车状态信息分析

图7 故障状态信息列表

3 结语

通过VC 语言与Matlab 软件混合编程，开发了基于车载数据的车辆状态分析软件。该软件有利于进一步掌握列车运用规律与服役状态，满足了及时、准确、有效地对车辆运行数据进行监控管理与分析的需求;可实现运行时段内任意时刻的车辆运行状态信息查询，实现了车辆故障信息的快速查找和定位等。

［1］王忠凯，史天运，张惟皎，等.动车组管理信息系统的云计算支撑平台研究［M］// 第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与新能源汽车创新发展论坛优秀论文集(上册 智能交通).北京:科学技术文献出版社，2011:100.

［2］汪寒昊，谢加胜，邢跃.软件开发方法——结构化方法与面向对象方法比较［J］.科技信息，2011(13):77.

［3］燕延，马增强，杨明.基于LabVIEW 的数据采集与处理软件编程技巧［J］.微计算机信息，2005(5):153.