基于工业以太网的动车组失稳检测技术研究*

延九磊, 申宇燕, 曾陆洋, 韩彦青

(中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081)

高速列车运行过程中，随着列车速度的提高，列车所处的动态环境变化非常迅速，轮轨间动力作用不断加剧，同时线路不平顺产生的激扰或者列车本身固有部件的故障，会导致列车横向稳定性异常，如未及时发现，可能会造成列车横向失稳，危及行车安全。

高速动车组转向架监测技术在安全监测中是近年来不断引起重视的一个领域，我国近年来提出的动车组安全监测标准，明确提出要进行高速转向架横向失稳的状态监测。众所周知，引起转向架横向失稳的第一要素是轮对踏面锥度，其他包括转臂定位节点的刚度，抗蛇行减振器的性能等。而这些要素都会随着运用里程的增加而磨耗加剧，性能下降。因而通过监测横向稳定性亦可实现转向架的状态维修。

我国早在十几年前就开始对客车转向架失稳检测技术进行研究，在这方面积累了丰富的经验。而针对高速动车组的转向架失稳检测技术的研究刚刚起步，需要根据高速动车组运行速度高、轨道平顺度、运用工况、转向架结构等特点，研究适用于高速动车组转向架的失稳检测技术。

1 列车工业以太网技术

近年来, 随着动车组网络控制系统、牵引系统、制动系统、安全监测系统控制实时性要求越来越高，健康管理和全方位、多维度故障诊断及维修要求的提升，以及各种新的服务不断出现，诸如视频传输、远程诊断、旅客信息服务等, 使得列车通信的信息传输量大大增加。既有的列车通信网络中现场总线主要包括TCN、Lonworks、WorldFIP、ARCENT以及CAN等。既有网络在传输业务多样化、带宽及传输速率、成本和兼容性等方面暴露出一些应用瓶颈[1]：

(1)通用性较差。既有列车通信中的现场总线由不同的公司设计并生产运用，所采用的的通信协议等不统一，开放性不足，不同公司的控制器之间不能实现高速的实时数据传输,导致"自动化孤岛"现象的出现，造成了一定的资源浪费。

(2)通信速率较低。在光纤传播中，Lonworks的最大传输速率为1.25 Mb/s，ARCNET最大为2.5 Mb/s，MVB为1.5 Mb/s，CAN最大为1 Mb/s，WTB为1 Mb/s，而目前以太网的数据传输速率已达到100 Mb/s，相对比以太网在通信速率上存在很大优势。

以太网具有传输速率高，通用性强，集成性强的优点，在列车网络中可以实现在不同组网之间的互用和兼容。随着各种新型大数据应用需求的提出，以及未来的高速列车网络对高带宽的要求，以太网技术展现了其网络性能上的巨大优势。它不仅能够完成列车通信网络中的高层应用功能，也能够连接底层车载控制设备，建立集列车控制功能与乘客信息服务功能为一体的新型宽带网络，实现列车多业务网络融合，是列车网络发展的趋势。

以太列车通信网络的网络拓扑是包含一个或多个列车骨干网络子网和一个或多个列车编组网络子网的分层结构，终端设备(End Device，ED)可以直接连在以太列车骨干网节点上。其分层结构如图1所示。

图1 以太列车通信网络拓扑图

上层是以太列车骨干网(Ethernet train backbone，ETB)，是列车级以太网，呈线性拓扑结构贯穿全列车，在列车上ETB网络可以分为车厢内部、车厢连接、列车编组内部3个区域，分别是在某节车厢、车厢之间、编组接口处的无源组件和有源网络设备等，例如列车级的以太网交换机和中继器[2]。

下层是以太列车编组网(EthemetConsistNetwork，ECN)，是车辆级以太网，列车编组网中ECN和终端设备互连。当一个ECN连接到列车骨干网时，必须通过一个列车骨干节点(Train Backbone Node，TBN)，或一组冗余的列车骨干节点，共性需求是一个TBN可以在ECN和列车骨干网之间转发用户数据包。

2 基于列车工业以太网的失稳检测系统设计方案

本系统采用工业以太网作为网络通信方式，采用两级网络架构方案，分别是列车级以太网和车厢级以太网。列车级以太网实现多车厢数据通信，每个车厢设置以太网代理节点，多个代理节点之间对等通信，不区分主从。车厢内部的以太网通信采用星型结构，每个车厢检测设备都具备以太网通信接口，并与本车的代理节点互联，经过交换和路由算法，与本车或与列车进行通信。技术方案包含的主要内容如下：

(1)研究安全监测数据的列车级网络传输方案，通过车厢以太网代理节点实现安全监测节点的识别与握手，代理节点间的数据交换与路由。以太网不同于其他现场总线，其多个代理节点之间必须经过交换或路由才能通信，针对动车组多级数据交换与路由，必须在硬件和协议上进行强化，减少数据交换延时，并采取冗余通信机制，以确保单点失效后全网的其他节点能够实现数据跨接，不受失效节点的影响。

(2)研究安全监测数据的车厢级网络传输方案，以车厢代理节点为顶层节点，车厢内部研制专用的以太网数据交换设备，并将安全监测设备在车厢内部形成子网，车厢内部通信不受全列车影响，其子网内的IP也可按规则进行有序分配，不同车厢之间的IP地址分配方案，不影响全列车通信。

(3)车厢级主机内部采用基于以太网的实时数据库系统，安全监测系统最重要的功能就是数据的采集与诊断，引入实时数据库系统，基于TCP/IP协议，并利用标准SQL语句实现数据的检索，将对本车内部数据的多特征对比，全列数据横向对比，历史数据纵向对比，能够更加准确的分析故障或报警的发展趋势，为列车运行安全的可预测性提供基础支持库。

2.1 体系结构

失稳检测装置用来检测高速动车组转向架状态，具有转向架横向失稳及时报警、记录、下载及跟踪功能，同时可通过以太网实现与整车网络的互连。失稳检测装置主要由失稳检测主机与失稳检测装置传感器组成，其中失稳检测主机放置于车厢内；失稳检测加速度传感器位于车体下侧的转向架上，两者通过线缆连接，其总体连接框图如下：

图2 失稳检测装置全列安装结构示意图

2.2 失稳检测装置

该装置[3]由失稳检测传感器模块、数据采集与处理模块、综合诊断模块、网络传输模块组成，如图3所示。

(1)失稳检测传感器模块

中车长春轨道客车股份有限公司生产的中国标准动车组失稳检测装置在列车一、二端转向架上分别安装了一个横向加速度传感器，实时采集列车横向振动信号，两个传感器呈对角线分布，如图4所示。

图3 失稳检测装置结构图

图4 传感器安装位置

失稳检测传感器模块，作为整个失稳装置的最前端，用来实时采集列车的横向振动信号，并将其转换为电信号，上传至数据采集与处理模块。

(2)数据采集与处理模块

用于将传感器输出的模拟信号经前置滤波及信号处理，送入A/D采集转换为数字信号，提供给综合诊断模块进行滤波处理及进行失稳诊断等操作。

(3)综合诊断模块

将采集数字信号进行去野值、低通滤波等预处理后，对处理后的信号进行时域分析、频域分析、特征抽取，以及各种模式识别的工作，对列车的横向稳定性进行综合评估，为装置提供列车失稳预警、报警判断依据，同时对装置各功能模块进行实时自检，并对故障模块给出报警指示。

(4)网络传输模块

由以太网交互模块及I/O模块组成，并与列车网络连接。其主要功能为将综合诊断结果通过列车网络传输至列车控制端，并通过列车网络获取列车基本信息、运行信息及安全信息，用于装置的数据记录与分析。

3 应用案例分析

中车长春轨道客车股份有限公司生产的中国标准动车组上装有上述失稳检测装置，此列标动于2016年5月15日开始在郑徐(郑州—徐州)客运专线开展运用考核。2016年7月1日至15日，与中车四方车辆有限公司生产的中国标准动车组在郑徐客运专线从速度200 km/h逐级提速至速度420 km/h，并完成高速重联和交会试验。2016年7月16日以后转入哈大高速铁路继续进行模拟载客与实际载客运用考核。

在中国标准动车组实际载客运用考核期间，6车、8车的转向架失稳检测装置陆续多次报出横向失稳预警。以8车2016年9月8日的数据为例，在18:24与22:46两个时间点出现横向失稳预警，在8:42与13:28时间点也同样存在振动强度较大的情况。9月17日对6车转向架动力学参数进行了调整。调整后两车运行平稳。

图5 横向运行数据曲线

4 结束语

工业以太网在列车通信网络的运用符合未来的发展趋势，结合以太网通信技术设计了动车组失稳监测系统，可对动车组转向架动力学性能做出基于数据统计的评估，便于动车组检修部门有针对性的了解转向架性能，并提出科学的改进意见，促进中国动车组制造与运用技术的发展。