城轨列车安全监测系统方案设计

■ 刘 峰 申宇燕 卢万平 延九磊

城轨列车安全监测系统方案设计

■ 刘 峰 申宇燕 卢万平 延九磊

在分析我国当前城轨列车安全监测现状的基础上，通过系统性、安全性、经济性、融合性、扩展性、可靠性等设计原则，以及提升安全监测系统可靠性的有效手段，以实际设计案例阐述城轨列车安全监测系统应具备的基本监测功能和独立的智能监测单元。设计方案中，在城轨列车上建立包含制动、走行、防火、视频等监测功能的综合性平台，对城轨列车进行实时在线综合诊断，并通过车地无线通信将运行数据实时传输到地面，最终通过地面专家系统自动化地实现数据的下载、存储、分析、挖掘与诊断。

城轨列车；安全监测系统；可靠性；地面专家系统

近年来随着公共交通对高效、便捷、安全等需求日益增强，我国城市轨道交通建设得到了迅猛发展，城轨已成为人们日常选择的重要出行方式，其具有“大运量、高密度、间隔短”的行车特点，容易导致交通事故的发生，因此需对影响城轨运行安全的事项进行重点防范。

1 城轨列车简介

根据国际标准，城市轨道交通列车可分为A、B、C 3种型号，分别对应3 m、2．8 m、2．6 m的列车宽度，最大载客数量分别为310、240、210人。选用A型或B型列车的轨道交通线路称为地铁；采用5～8节编组列车，选用C型列车的轨道交通线路称为轻轨。

列车的车型和编组决定了车轴质量和站台长度，我国城市轨道交通车辆以A、B型为主，通常采用6节编组，编组依据线路不同可分为4动2拖、3动3拖等。城轨列车典型的4动2拖编组形式见图1，是Tc+Mp+M+M+Mp+Tc的编组形式（Tc为带司机室的拖车，Mp为带受电弓的动车，M为不带受电弓的动车）。

2 城轨列车安全监测现状

目前，我国城轨列车因保障运行安全的需要，配备了大量具备单一监测功能的独立安全监测设备，监测设备有制动、走行部、防火、视频等几种类型[1-4]。其中制动监测，国内应用较多的为克诺尔公司生产的EP2002型空气制动系统和NABTESCO公司生产的HRA型空气制动系统；走行部仅实现了对电机温度的监测，且部分线路采用温度贴片的方法进行人工检查，而比较关键的走行部轴箱和轴承却未引入实时监测；部分城轨车辆安装了防火监测系统，主要是在电气柜安装烟感探头，司机室和客室安装温感探头；大部分城轨车辆安装了视频采集系统，其图像采集范围主要包括左右后视、司机室和客室等；个别线路还对受电弓、轮对几何尺寸等内容进行了研究性的监测，并未得到广泛应用。现有城轨列车安全监测设备见图2。

图1 城轨列车典型的4动2拖编组形式

上述每种监测设备只针对城轨列车的一个方面进行监测，多种独立的监测设备各自具备界面显示、语音报警、数据存储等功能，导致行车过程中司机关注的内容太多、且操作复杂，分散了司机的注意力，给正常行车带来了不良影响。同时上述各种监测设备存在着标准、功能、安装、人机界面、维护管理等方面不统一，监测内容不全面，相互之间缺少信息交互，综合诊断以及联动困难等缺点，难以纳入规范化管理和信息处理网络。

同时，由于缺乏统一的城轨列车车载安全监测平台及与之相配套的地面数据分析中心，无法从大量的车辆运行信息中深入挖掘出有用的信息来指导维修和设备的管理。随着数据库技术和网络技术的发展，开展包括车载系统和地面系统的城轨列车安全监测统一平台的研究工作势在必行。

3 安全监测系统设计原则

通过考察运营的实际需求，城轨列车运行过程中关系到列车安全运行的主要集中在以下方面：核心空气制动系统工作状态如何，是否有异常制动、缓解作用不良等故障发生；城轨列车走行部的动态性能如何，轴温监测是否工作正常，是否有轴承超温、轮对踏面擦伤等故障；电器设备短路、易燃易爆物品及吸烟等人为造成的火灾；车门故障、司机误操作、旅客夹伤挤伤等造成的安全事故。

图2 现有城轨列车安全监测设备

基于上述问题，如何运用技术手段体系化地解决城轨列车运行安全问题，已经成为运用部门的关注重点。作为系统化的安全监测系统，城轨列车安全监测系统（简称系统）的设计应遵循以下原则。

3.1 系统性

系统应该按照机械系统、电器系统、信息系统、人机交互系统进行层次划分，各个层次之间统一考虑供电要求、系统时钟要求、空间信息的一致性要求、信息层面的统一存储与下载，遵循系统性的设计原则。

系统应由车载系统和地面系统组成。车载系统包括列车传感网络、列车级故障诊断以及车地数据传输模块；地面系统作为地面数据中心，负责故障诊断、隐患挖掘和安全应急等。

3.2 安全性

安全性设计是指城轨列车安全监测系统本身在各个层面的各种状况都不能影响列车的正常运行。作为保障列车安全运行的安全监测设备，系统的安全性设计应通过各种设计的冗余架构故障导向安全来实现，设计过程充分考虑满足以下2点：（1）系统本身的故障不影响列车的正常运行；（2）系统本身的故障应具备诊断、在线监测与安全冗余的功能。

3.3 经济性

通过利用智能传感技术、通信技术和信息融合技术，对城轨列车的制动、防火、走行部和视频信息等进行动态监测与监控，数据集中，信息共享，综合分析，提前预警，为城轨列车的在途运行提供安全监控，减少行车事故的发生；为城轨列车地面检修提供安全防范支持，合理指导检修计划和检修作业的安排，降低维修成本。

城轨列车车载监控装置及网络系统的研发和应用，能改善城轨列车运输生产的安全性，降低维修成本，具有明显的经济效益和社会效益。

3.4 融合性

应在设计之初就把系统融合设计作为设计的原则之一来指导后续工作，如走行部的振动性能与轴温监测的热学性能是有事件发生的时间顺序关系的；而通过视频监测与火灾监测相融合，将火灾报警界面与视频监测界面联动，可实现危险情况的直接预警，为城轨司机提供第一时间的报警与确认信息。

通过融合机械系统的走行部工作状态，热学系统的轴温状态及火灾状态，光学系统的图像视频等，将上述多学科系统在相同的时空坐标基准上，通过统一的平台管理来实现不同子系统的协同与融合。

3.5 扩展性

系统应能实现功能扩展和扩容升级，通过采用开放的架构，支持将来智能业务的扩展，实现诸如事件报警、人数统计、人脸识别等应用。各监测子系统应采用模块化结构，以便提供系统的后期维护和扩容升级的条件，轻松应对今后因应用环境和管理要求变化带来的新需求。

3.6 可靠性

可靠性工程[5]是以产品的可靠性为主要研究对象的一门新兴学科，涵盖了基础科学、技术科学和管理科学许多领域。近年来，世界各发达国家已把可靠性工程和全面质量管理紧密结合起来，大幅提高了产品在生命周期内的可靠性水平，并带来了巨大的经济效益。

系统的可靠性工程是为了达到产品可靠性要求而进行的有关设计、管理、试验和制造等一系列工作的总和，它与产品整个生命周期内的全部可靠性活动有关。可靠性设计分析是可靠性工程的基础；可靠性管理是开展可靠性设计的技术管理保证和组织结构保证；设计制造出的产品最终需要可靠性试验（包括实际运用考核）来验证。

4 提升系统可靠性的手段

4.1 制造生产实行RAMS管理

在国标GB/T 21562《轨道交通 可靠性、可用性、可维护性和安全性规范及示例》中，对轨道交通行业的产品不同生命周期阶段的可靠性、可用性、可维护性、安全性（RAMS）管理给出了明确的要求。城轨列车安全监测系统的RAMS管理[6]应借鉴该标准来实施，具体需做到以下几点：

（1）建立健全系统RAMS指标体系。只有建立了统一的RAMS指标定义、建模要求、指标分配要求等，尤其是明确对故障的定义后，建立统一的RAMS指标体系，才能满足行业内的采购、交流需求。

（2）把RAMS管理作为一项系统工程。从组织结构上看，RAMS工作涉及设计部门、制造商、协作工厂和运营单位等；从企业内外部来看，涉及到设计、生产、原材料供应、仪表测试，乃至人事、行政等各部门；从技术上看，涉及到很多不同的技术领域和范畴；从时间顺序来看，包括论证、设计、制造、试验、运输、储存、安装、使用和维修等各阶段；从产品形成来看，包括原材料、元器件、零部件到设备、系统的各环节；从内容上看，包括设备、标准、技术、教育和管理等各方面。在系统生命周期内，RAMS活动是一个整体，需全面规划，统筹安排，相互协调，各尽其职，要求制造商与用户、企业不同技术部门、主机厂与协作厂等协同努力。

（3）强调人为因素。RAMS的各项活动必须得到各级领导的重视，还需要企业全体人员协调配合。要加强RAMS培训，使得每个项目都有足够的人力资源支撑RAMS工作的开展。

（4）重视RAMS评估。RAMS评估以信息为依据，应加强信息管理，确保信息获得的及时性、真实性、完整性和连续性。另外，还要重视RAMS的动态过程，并进行全过程跟踪。

4.2 数据管理采用地面数据分析系统

数据管理贯穿了城轨列车的设计、生产、运用、维修，直至报废等生命周期各个阶段，具体包含以下内容：

（1）建设城轨列车的地面数据分析系统以及地铁总公司的大数据中心与云计算体系；

（2）建设城轨列车的健康管理系统、虚拟维修系统，以及手持作业终端。

（3）多个应用系统采用统一的编码体系，建立统一的时空基准，多个系统之间的数据流无缝链接。

以健康管理系统为例，输入基础库中的物料编码，可直接从履历库中索引到该物料的生产厂家、生产批次、装配信息，从安全系统中索引到该物料的历史故障、维修记录等，并基于全路对该部件的大数据统计结果，对其维护周期和使用生命进行预测，有效防范安全风险的发生。基于大数据的统计结果还可反馈给部件的生产企业，帮助其在生产设计环节进行改进，进而使城轨列车整个链条的可靠性形成一个良性循环。

4.3 运用维护采用计划预防修体制

计划预防修体制要求装备及其零部件在即将磨损到限或损坏之前，要及时更换、修理，将维修工作做在故障发生之前，因此对于城轨列车设备的可靠性管理及预测显得尤为重要。

设备从投入运行到生命终止，其故障率通常符合浴盆曲线的规律，即在投入运行的初期，设备故障率会经历一个从高至底逐步下降的过程，而后进入一个平台期，此期间设备运行相对平稳，各项功能稳定可靠地发挥作用，当设备接近其生命终止时，其故障率会逐步升高，此时对该设备的运用维护成本将大幅增加，设备的安全性也随之降低。掌握设备的生命曲线，在合适的时机进行预防性维修和更换，将有助于提高经济效益和安全性。

5 系统设计案例

城轨列车安全监测系统的系统性、安全性、经济性、融合性、扩展性以及可靠性等设计原则，决定了一个完整的系统应具备基本的监测功能和独立的智能监测单元。以下对一个实际的城轨列车安全监测系统设计方案进行阐述。该系统由司机室监控屏、司机室监测主机、客室监测主机、监测传感器和天线组成，通过车厢网、列车网、车地通信网形成多角度、全方位的综合性网络监控系统，同时与之配套的地面专家系统可完成对城轨车辆安全监测设备运行全过程数据的下载、转储和分析等。

5.1 智能监测单元

系统应具备以下基本的智能监测单元（见图3）。

（1）制动监测：重点诊断异常制动、异常缓解、停放制动异常施加等故障，以降低制动系统事故发生。

（2）走行部监测：重点检测走行部轴承和踏面的早期故障，以降低走行部故障发生。

（3）视频监测：采集和记录路况图像，乘务员可通过显示屏观察车后视以及车内相关区域实时视频图像。

（4）防火监测：对司机室、客室和电气柜火灾烟雾及高温进行监测，便于火灾早期发现及处理。

（5）扩展监测：能根据线路及车型不同的需要可动态增加额外监测项点。

系统通过结构化、模块化的设计，以中央处理平台为核心，将城轨列车各个独立的监测模块的功能和信息集成到相互关联、统一协调的系统之中，便于实现集中、高效、便利的维护和管理。系统对数据组织结构和传输形式进行统一规范，建立对运行数据统一收集、组织、存储、传输、分析、查询的综合监测诊断系统，为实现各监测项点信息的整合提供技术保障。各智能监测单元在实际城轨列车的部署见图4。

图3 系统的智能监测单元

5.2 层级架构

系统的层级架构见图5。

（1）数据采集层：本层通过车载系统实现，包括列车安全监测和线路安全监测，其中列车安全监测数据采集主要用于采集城轨列车的走行系统、动力系统、制动系统、辅助系统以及安防与乘客异动等数据信息。

（2）数据传输层：本层通过车载系统的车地传输模块来实现，由生产网和办公网组成，分别用于传输不同权限的数据。

（3）数据层：本层为核心模块，是建立车载系统和地面系统的桥梁。其中实时数据库用于存储列车监测数据、列车故障数据和客流检测数据等信息；故障特征数据库用于存储列车发生故障时刻的故障特征数据，安全保障应急预案的临时数据等；基础数据库用于存储一些基础的数据、系统数据以及维修计划等。

（4）业务应用层：本层为地面数据中心的主要功能，包括列车关键设备在途故障检测，列车在途隐患挖掘与评估预警，路网运行安全应急等。

（5）展示层：本层为地面数据中心的表达层面，可通过地面专家系统进行展示。

5.3 信息传输机制

系统信息传输机制如下：在列车两端司机室设置信息显示终端，每个车厢设置监测主机，在各个监测项点设置传感器。监测主机实时监测列车制动、走行部和防火的运行状态，并对列车路况、左右后视、司机室进行实时视频监控，将监测内容及报警信息进行分类存储，并通过信息显示终端实时显示。在始发站和终点站地面布置WLAN无线覆盖，地面服务器实现对到站车辆运行数据的自动下载及转储。在运用段设置数据分析服务器，通过地面分析软件对过程数据和故障信息进行分析和处理，生成故障报表及数据分析图表等。信息传输机制架构见图6。

图4 智能监测单元部署示意图

图5 系统层级架构

系统对列车运行过程中出现的异常情况进行实时有效的监控，对异常情况发生的具体部件进行精确定位，对运行过程中超出正常控制指标的数值进行诊断和报警，并将诊断结果第一时间内传送至司机室信息显示终端，确保城轨列车运转的安全高效。通过地面数据库与专家系统（简称地面专家系统）对运行数据进行分析，为城轨车辆检测人员提供检修依据。

图6 信息传输机制架构

5.4 地面专家系统

地面专家系统是城轨列车安全监测系统的组成之一。车载实时监测系统将记录的诊断事件报告和大量过程数据通过WLAN下载到地面专家系统后，地面专家系统对下载的数据进行存储、查询回放、故障确认、事件分析和统计分析，可对列车运行过程中所发生的各种事件进行详细了解，以数据为佐证，为城轨车辆故障报警事件的定量分析提供有力依据。

地面专家系统将根据历史数据、故障案例等先验知识，将单车数据进行自身历史数据纵向对比、多车之间同工况横向比较、多子系统关联综合判断以及概率统计与方法，进行智能推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决那些需要人类专家处理的复杂问题。

地面专家系统可完成系统运行全过程数据的下载、转储和分析，并进行多系统关联数据挖掘分析，从多角度、多维度全方位展示关键部件的运行数据与曲线，对车辆运行状态及报警进行科学有效的定量分析[7]。地面专家系统功能架构见图7。

图7 地面专家系统功能架构

地面专家系统可完成以下功能：

（1）运行数据展示：提供过程数据展示的用户接口，并按照时间轴纵向对比，监测子系统横向对比，车厢间叠加等多角度、多维度对数据进行展示。

（2）报警及状态评估：对制动、转向架、防火及视频等系统实现基于运行全过程数据融合分析，对车辆报警事件进行科学有效的定量分析。通过建立专家系统经验知识库，对每次下载的数据经过对比分析，在海量现场应用案例中，提取规律性的应用规则，形成在决策和检修环节的闭环链路，自动生成故障检修通知单并提供检修意见。

（3）派工维修处理：针对不同程度的报警信息，通过智能决策系统，对其定义、定位、解析、关联描述及触发规则进行专家分析，对分析结果最终落实到具体的派工及维修指导意见上，目标明确，层次清晰。可由系统根据规则库自动生成派工单或由管理人员生成手动派工单。

（4）月度统计分析：对系统中数据、报警、下载情况、维护情况整合汇总，自动化生成评估报表。

6 结束语

城轨列车安全监测系统的设计应遵循系统性、安全、经济性、融合性、扩展性、可靠性等设计原则。基于上述设计原则，通过实际设计案例阐述系统应具备的基本监测功能和独立的智能监测单元。系统在城轨列车上建立安全监控的综合性统一平台，对既有的运用安全监控系统进行融合，并为将来扩展新的监控系统预留空间；利用综合平台的优势，对城轨列车进行安全状态的综合诊断；通过车地无线通信实现远程监控查询、信息共享等；同时基于数据库技术和网络技术建立综合信息管理分析平台，可自动化地实现数据的下载、存储、处理和分析，对城轨车辆的调试和检修具有指导性的作用。

研制具有监测功能全面、高度模块化、扩展性强等特点的城轨列车综合安全监测车载系统，以及可自动化实现数据下载、存储、处理和分析挖掘的地面系统，在运行中实时监测城轨车辆的当前状态，确保城轨车辆的行驶安全，能提高城轨运输生产的安全性，显著提高城轨车辆维修的可靠性和经济性。随着工业4．0大数据时代的到来，未来如何开展从大量运行数据中挖掘出有用的车辆运行信息来指导维修和设备的管理维护，对城轨列车安全监测的发展有着至关重要的意义。

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刘 峰：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，研究员，北京，100081

申宇燕：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，副研究员，北京，100081

卢万平：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，工程师，北京，100081

延九磊：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，副研究员，北京，100081

责任编辑 卢敏

U298

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1672-061X（2015）04-0063-07