大秦线重载组合列车中部机车制动阀切除故障自动化分析方案研究*

冀　彬， 蒋文怡， 张训望

(1　太原铁路局　机务处， 山西太原 030013；　2　北京交通大学， 北京 100044；3　北京六捷科技有限公司， 北京 100044)



大秦线重载组合列车中部机车制动阀切除故障自动化分析方案研究*

冀彬1， 蒋文怡2， 张训望3

(1太原铁路局机务处， 山西太原 030013；2北京交通大学， 北京 100044；3北京六捷科技有限公司， 北京 100044)

概述大秦线重载组合列车中部机车制动阀切除故障现象及其可能造成的后果，制定故障分析路线和方法,利用各种监测和记录数据对故障进行深入分析，提出制动阀切除故障自动化分析系统方案，为下一步系统实现故障自动化分析提供参考。

制动阀切除； 自动化； 自动下载

近年来，随着大秦线年运量不断增长，编组方式为“1+1+可控列尾”的2万t重载组合列车开行密度日益增加，重载组合列车制动阀切除故障频繁发生，对运输效率的影响日益突出。制动阀切除故障主要表现为当主控司机在长大下坡区段执行减压制动等操作时，主控机车通过LOCOTROL向从控机车发送制动命令，但因OCU正在执行切换、网络质量恶化等因素导致从控未能收到减压制动命令，经过6 s左右，从控机车检测到列车管压力流量变化率大于6 Psid/s，从控机车切除向列车管充风的通路，造成制动阀切除故障发生。从控机车切除制动阀后，整列组合列车变成了单边制动，只有主控机车一个排风口工作，导致制动时间延长，制动距离增加，在化稍营—逐鹿、延庆—茶坞等长大下坡道区段主控再次减压制动时容易造成制动力不足、从控机车出轨等严重事故。

1　分析工作存在的问题

目前人工分析制动阀切除故障过程中，有几个问题严重影响了数据分析的及时性和和准确性，具体如下：

1.1车地设备时间不一致

由于重载组合列车的机车同步操控系统是一个复杂的控制系统，参与工作的模块涉及到不同厂家的不同生产标准。车—地设备间时间没有同步；同一台机车上不同生产厂家的设备间的时间没有同步；主从控机车上同一种设备间的时间没有同步。在分析制动阀切除故障数据时，时间点需要精确到毫秒级，设备间的时间同步与否很可能导致得出两种不同的分析结论。因此，在传统人工数据分析过程中，仅校对统一时间基准就耗费大量精力，给数据分析带来很大困扰。

1.2车载设备日志下载困难

重载组合列车各模块原始数据量较大、设备自身存储空间小，加之组合列车移动性较强，入库时间不固定，导致部分车载数据丢失，车载数据下载依靠传统手动方式，耗费大量人力。

1.3原始记录数据量巨大

各种记录日志数据都需要人工逐条核对，特别是在记录时间不同步的情况下，分析工作量巨大，且容易出错。同时，由于开行重载组合列车是一个系统工程，涉及到机车、车辆、机车同步操控、通信网络等各个专业，依靠人工分析时，需要参与分析的人员同时具备多个专业的相关知识。

2　制动阀切除故障自动化分析思路

通过对组合列车同步操纵系统指令传输的过程的梳理,提出科学合理的自动化分析思路以及解决方法和预防措施，制定了故障自动化分析的技术路线图，如图1所示。

重载组合列车制动阀切除故障的自动化分析的核心是对各类数据的智能诊断、自动分析，各类数据提取的完整与否，将制约整个自动分析报告的准确性。根据技术分析线路图，需对制动数据传输经过的所有设备的数据、G网监测数据和日志进行提取，系统所需数据种类如表1所示。

图1　分析故障的技术路线图

设备简称主要功能提取数据类型LKJ监控记录列车运行设备日志DP、CPM主从控数据转发设备日志CCU存储机车参数,记录机车故障事件设备日志OCU车载通信单元,与G网进行通信设备日志AN地面应用节点,主从控数据转发AN数据G网监测数据监测BTS、BSC、MSC、AN间数据PRI、Abis和A接口数据

3　制动阀切除故障自动分析系统方案

为应对上述难题，应建立统一的综合自动化分析系统，该系统对重载组合列车车载设备的运行情况进行完整记录、实时监测、自动下载、对AN和G网监测数据进行远程传输、智能诊断和自动分析。

3.1关键技术

要建立自动化分析系统，必须解决以下2个技术难题。

(1)车载设备时间同步

重载组合列车中的关键设备由不同生产厂家以不同执行标准、不同设计方法生产而成，缺乏统一规范的时间同步机制，大部分车载设备都依赖于设备自身的时钟，由于人为修改、初始化时间不准、运行累计误差等众多因素都可能导致各设备时间出现偏差。

虽然有部分车载设备建有以卫星授时为基础的时间同步系统，但是各个设备之间几乎没有统一的时间同步标准规范，卫星授时的方式很难在所有车载设备上实现。综合考虑，LKJ作为铁路系统中基本的列车运行监测记录手段，同时在日常的维护管理中，LKJ监控装置在机车每次的整备作业过程中会进行时间校准，因此，以LKJ监控为各车载设备的时间同步源较为可靠和方便。

车载设备统一授时的技术方案如图2所示。

重载组合列车车载设备授时系统包含TAX箱数据采集板和授时主机两部分。TAX箱数据采集板插入TAX箱插槽，在LKJ交互数据中，提取时间信息。数据采集板将获取的LKJ时间信息发送到授时主机。按照一定周期向其他需要的设备输出当前时间。各设备根据授时主机的输出自动调整自身时间。

授时的数据流如图3所示。

图2　机车设备统一授时方案

(2)列车数据自动下载

车-地数据传输系统是实现车—地信息实时传送和无缝连接的重要载体，承担着重载组合列车主、从控机车车载设备实时监测信息与车载日志等记录信息的传输，考虑到列车的移动性较强，可利用WLAN或公众移动通信网络等技术，采用无线方式自动下载车载日志。公众移动网络和WLAN 主要性能对比如表2所示。

图3　授时数据流示意图

性能指标公众移动网WLAN传输速率根据使用的是3G还是4G,传输速率从几兆到几十兆不等1,2,5,11Mb/s移动速率可达200km/h应用于室内或移动速率很低(步行速度)的室外覆盖范围根据运营时的网络情况决定由用户自己根据投资大小决定费用运营商负责建设和维护,用户只需按月支付流量费需要用户自己建设与维护,但没有使用费

综合考虑，随着公众移动通信网技术不断发展并结合我国重载铁路信息化建设的现有状况，本着满足实时监测信息与车载日志等数据传输的需求，本系统采用WLAN和公众移动通信网技术传输车载数据。

重载组合列车的车载设备实时监测信息与车载日志经车载数据处理模块处理后分为实时监测短帧数据和车载日志大容量数据，这两种类型的数据通过车—地无线传输系统传送至位于湖东机务段的综合处理中心。传输方式包括以下两个方面：(1)实时监测短帧数据采用基于TCP网络协议的P2P通信方式，车载无线通信模块通过公众移动网络进行实时监测短帧数据的传输，采用TCP这种面向连接的网络协议可以保证车—地传输数据的准确性；(2)车载日志大容量数据的传输采用WLAN无线通信技术，结合FTP协议实现车载日志7×24 h不间断自动下载和实时存储。重载组合列车回到湖东机务段或者经由沿途车站时，主从控车载设备进入无线网络覆盖范围，车载无线数据处理模块通过周期性检测消息检测到WLAN无线网络信号后，车载无线通信模块将第一时间与地面综合处理中心建立链接，随后综合处理中心发送文件传输控制命令给车载无线通信模块，控制其发送车载日志大容量数据文件到地面综合处理中心，从而完成车载数据的自动下载。

3.2故障自动化分析平台

3.2.1设计思路

故障自动化分析综合处理中心是集机车设备统一授时、车载设备日志自动下载、地面数据自动采集、各设备监测数据实时处理和存储、车地数据相互关联等功能多样的集合体，为湖东机务段的制动阀切除故障分析工作提供一种科学、合理、高效的自动化工具，综合处理中心实现主要有两个目标：第一为湖东机务段搭建一个高效、便捷、直观的综合信息化平台；第二为大秦线重载组合列车的安全高效运行、制动阀切除故障的智能诊断和自动化分析提供支持。该平台采用Internet和无线通信技术，采用C/S模式，服务端开发使用J2EE技术平台，模块化设计，客户端采用.NET开发环境，借助mySQL数据库进行各类数据的存储与自动分析，整个平台将分布在车载系统、GSM-R网络接口监测系统、地面应用节点等系统的资源整合在一起。具体平台构成如图4所示。

故障自动化分析平台基于大数据思想、数据挖掘、无线宽带等技术，对各类监测数据进行分类存储，将各种典型案例集成至综合分析平台案例库，按照故障分析技术思路进行自动诊断推理，对故障进行自动匹配和归类，最大限度提高数据分析效率和故障原因定位的准确性，有力地解决了人工分析工作量巨大且容易出错等突出问题。自动化分析过程如图5所示。

3.2.2系统功能

故障自动化分析综合处理中心为整个系统的核心,其主要完成车载无线通信模块发送的设备日志、AN数据和G网监测数据等进行统一存储,处理中心基于重载组合列车制动阀切除故障触发的方式对故障数据进行综合整合、智能诊断和自动化分析,然后给系统操作维护终端发送自动分析的分析报告和排查建议。

(1)车载子系统

车载通信系统是整个故障自动化分析综合处理中心较为关键的子系统，为整个系统提供实时监测数据和车载日志的数据支持，其功能如下：

①制动阀切除故障数据的实时采集

车载子系统通过车载通信模块全面、高速地记录机车司机在制动过程中CCU、OCU、LKJ、DP交互的信息和实时产生的设备日志，在系统架构设计上，通过采用各种软件滤波算法，及时去除数据实时采集过程中的信号的突发干扰与失真，有效确保各设备采集数据的真实性。

图4　制动阀切除故障自动化分析系统总体结构图

图5　制动阀切除故障自动化分析流程图

②制动阀切除故障数据的记录存储

为了最大限度地减少数据存储模块容量的消耗、提高数据处理的效率，车载数据的存储方式采取事件触发机制，各设备产生的实时交互数据和设备日志依照数据预处理模块的文件格式进行统一存储，以供故障自动化分析平台进行综合智能分析。

③车—地信息自动交互

车载子系统采集的各类交互信息和设备日志通过无线通信模块实现车载信息与地面中心的远程自动交互，车载无线通信模块响应地面中心的远程控制指令和地面中心的数据传输请求。

(2)地面子系统

地面子系统是整个故障自动化分析综合处理中心最为关键的子系统，为整个系统提供实时数据的实时存储、故障智能判断、原因自动分析的支持，其结构如图6所示，具体功能如下：

①列车综合数据存储

地面子系统通过无线通信网络获取车载子系统各类数据，通过铁路通信专用网络接收AN系统和G网监测系统数据信息，通过数据预处理模块存储为格式统一、内容丰富、显示直观的数据。

②智能故障判断

采用智能故障判断系统处理车载以及AN系统和G网监测系统数据，根据故障诊断模块、故障特征库、数据特征库和专家智能推理对制动阀切除故障原因进行精确定位，采用故障树和模糊故障树分析法对制动阀切除故障的原因进行全面诊断分析，借助自动化处理中心形成故障分析报告,并根据湖东机务段业务处理流程，向各行车调度指挥中心、机务管理部门和技术支持中心及时输出处理意见。

③远程技术支持

对重载组合列车制动阀切除故障处理提供远程技术支持，车-地协同处理制动阀切除故障，缩短故障处理时间。并远程指导机务段司乘人员进行中部机车制动阀切除的情况下的应急处理。

④信息系统管理及综合分析

待故障列车到湖东机务段或车站后，利用WLAN将车载子系统记录的交互信息和设备日志进行自动下载，地面子系统为每列故障机车建立故障库，对列车运行状态进行综合统计分析，为列车维修提供科学合理的支持。

图6　地面子系统系统结构图

4　结束语

制动阀切除故障自动化分析平台是一套基于无线网络的信息化系统，该系统集成了车载设备实时监测、车载数据自动下载、制动阀切除故障智能诊断等多项功能。系统在设计过程中，基于大数据思想，充分采用了微电子技术、现代网络技术、无线通信技术以及故障诊断技术，为机务和电务系统联合分析制动阀切除故障提供了一种全新的、信息化的维护模式及管理手段。

目前机车设备统一授时、车载设备日志自动下载功能已经实现，现场试验达到了预期效果；地面设备还处于调试阶段，后续系统联调过程难免遇到一些其他问题，还需不断进行研究和完善。

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JIBin1,JIANGWenyi2,ZHANGXunwang3

(1Locomotive Department, Taiyuan Railway Bureau, Taiyuan 050000 Shanxi, China;2Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;3Beijing Liujie Technology Co., Ltd., Beijing 100044, China)

This paper introduces the phenomenon and the possible consequences of the brake resection fault of central locomotive in Daqin Line heavy haul combination train, formulates the fault analysis route and methods, and puts forward the scheme of brake resection fault automated analysis system by using a variety of monitoring and recording data, which can provide a reference for brake fault automatic analysis in future.

brake resection; automation; automatic download

1008-7842 (2016) 02-0059-05

男，教授级高级工程师(

2015-11-02)

U279.3+5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.14

*中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014J001-D)