城市轨道交通车辆远程专家诊断系统设计和应用

杨培盛，董先鹏，侯 飞，管 超，厉彦宏，刘 鹏，吕方林

（1. 济南轨道交通集团建设投资有限公司，山东济南 250014；2. 中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266112）

随着城市轨道交通建设的快速发展，运营网络规模不断扩大，事件的应对处理能力不足，运营网络自救能力不足等问题也逐渐暴露，传统的列车运行维护已越来越不适应城市轨道交通运营需求。为此，本文基于计算机、通信和现代控制技术，融合互联网技术和大数据技术，设计研制了城市轨道交通车辆远程专家诊断系统，并结合济南地铁2号线工程进行验证。

1 车辆远程专家诊断系统原理

车辆远程专家诊断系统通过分析车辆各子系统设备状态的基础数据，判断其状态，以实现车辆的远程诊断。其原理是利用列车控制与监视系统（TCMS）的多功能车辆总线（MVB）以及无线传输通道将车辆TCMS实时监控、空调监测、走行部监测、车门监测、乘客信息显示系统（PIDS）状态监测和弓网监测等子系统的数据传输至支持列车运营检修维护的地面软件系统平台。通过地面专家系统分析平台，实现车辆状态的远程实时监测、故障自动报警和子系统健康管理等功能。

2 车辆远程专家诊断系统设计

2.1 总体方案设计

车辆远程专家诊断系统由车载系统、无线通信系统以及地面系统组成，如图1所示。其中，车载系统主要用于车辆基本运行状态、故障数据和各子系统关键部件工作状态数据的采集、本地存储、实时数据融合、清洗和特征提取，实现所有数据以规范格式无线下传至地面专家系统。无线通信系统主要完成车载系统与地面系统间实时数据和离线数据的传输，其中实时性要求较高的数据采用基于长期演进（LTE）技术的车地无线通道传输，高带宽、大容量数据依托无线局域网（WLAN）通道进行传输。地面系统实现落地数据的接入、解析、存储、分发、运算和展示，用于对列车里程、能耗等运营信息的实时统计、故障预警与诊断和运维指导建议。

2.2 车载系统设计

2.2.1 总体架构设计

通过对各子系统业务场景和数据类型调研，车辆远程专家诊断系统需采集的数据主要可分为3类，分别为：

图1 车辆远程专家诊断系统方案

（1）列车整车状态信息，包括列车速度、供电状态、运行里程、时钟、列车载重、旁路开关状态等，通过MVB车辆总线进行采集，用于地面系统实时展示；

（2）子系统状态信息、故障信息、预警信息，包括但不限于走行部、车门、空调等车载子系统，支持传输控制协议（TCP），用于地面系统实时展示及故障预测与健康管理；

（3）离线文件，用于支撑地面系统文件管理，支持文件传输协议（FTP）。

根据上述需求，车载系统在城市轨道交通车辆MVB通信总线数据采集的基础上，扩展状态感知和设备泛在互联功能，通过在每列车搭建车载以太网综合信息网，完成对车门、走行部、空调、弓网监测等子系统健康管理信息收集，并通过无线传输通道将数据传输到地面系统进行深度数据挖掘。以城市轨道交通行业常见的6辆编组（4动2拖）车辆为例，进行车载系统总体网络拓扑结构设计，主要架构如图2所示。

车载系统主要由车载数据收集单元（DCM）、以太网交换机等设备组成，在车辆原有MVB总线的基础上，构建了基于MVB +以太网的车载综合信息收集网络。在单节车厢内，交换机与子系统控制器直连，全列车通过8台交换机（ES）以跳跃式环形连接组成列车骨干网，避免网络中的任意单点故障影响整条骨干网正常通信。DCM设备在TC1和TC2端各配置1台，同时接入TCMS网络和以太网，实现对列车控制网内数据的实时采集和车载各子系统内部数据的收集，并将上述数据传输至无线通信系统。

2.2.2 软件设计

车载系统软件主要实现车辆MVB总线实时采集和通过以太网车载综合信息网对子系统数据进行收集，可细分为：

（1）通过MVB总线通信模块，实现对车辆总线数据采集和处理；

（2）通过车载综合信息网收集子系统传送的数据，采用TCP协议；

（3）将上述2部分数据按照文件类型分别使用TCP/FTP协议发送至地面系统。

车载系统软件按照设计功能拆分为MVB模块、以太网数据收集模块、车地数据发送模块3个部分。其中MVB模块负责DCM与车辆MVB总线的信息交互，实现初始化、MVB信息采集、异常信息的记录和自恢复，是应用软件最先运行的部分。以太网数据收集模块通过TCP协议与各子系统进行数据交互，主要作为TCP服务端监听子系统发送的信息并进行回应。当子系统发送消息后没有收到DCM的回应时，子系统应当按约定进行重发。车地通信模块负责与地面平台建立通信和数据发送，同时兼具丢包重传功能。车载系统软件设计流程如图3所示。

2.3 无线通信系统设计

根据车辆远程专家诊断系统业务传输需求，数据类型主要分为对带宽要求较低的高实时性数据和对带宽要求较高的非实时性数据。车辆远程专家诊断系统无线通信系统依托轨道交通行业内常见的基于LTE技术的车地通信系统和基于IEEE 802.11ac标准的WLAN无线通信系统进行承载。网络架构如图4所示。

图2 车载系统网络拓扑结构

图3 车载系统软件设计流程

LTE无线通道采用A、B双网完全冗余的方式覆盖，每列车在车头车尾各安装1台列车接入单元（TAU），所有数据通信在2个TAU同时进行。各LTE基站通过百兆以太网接入车站网络交换机，利用LTE传输网络提供的通道与控制中心、车辆段LTE核心网连接。由于两端TAU分属不同网络且工作在不同信道，在控制中心和车辆段各设置1套核心网实现异地冗余。车辆远程专家诊断系统DCM与头车TAU设备连接，地面系统接入车辆段核心交换机，实现车载高实时性数据回传。

图4 无线通信系统架构

WLAN无线通道主要由轨旁无线接入点（轨旁AP）与车载无线接入点（车载AP）构成，采用空间波方式进行覆盖，轨旁AP沿列车运行线路按照一定间距进行部署，以保证轨旁沿线的无线信号全面覆盖。车载AP在车辆的车头和车尾分别部署1台，车载AP设备和轨旁AP设备使用802.11ac协议进行桥接传输数据。车辆远程专家诊断系统数据经DCM、车载AP、轨旁AP后，通过正线通信传输网至车辆段以太网交换机。地面系统接入车辆段以太网交换机，实现车载大容量数据回传。

2.4 地面系统设计

2.4.1 硬件架构设计

地面系统通过在车辆段机房搭建地面运维平台服务器集群，数据接入灵活、可扩展，支持多样化数据解析类型，可实现实时信息的展示、子系统健康信息的原始数据分发和解析结果界面的整合。主要包括防火墙、交换机、数据存储服务器、应用服务器、子系统专用服务器和显示工作站等硬件设备。平台硬件架构如图5所示。

2.4.2 软件架构设计

地面系统软件架构由基础数据层、数据应用层、业务应用层3部分组成，如图6所示。

（1）基础数据层。基础数据层中搭建了基础数据平台，将车辆运营过程中产生的数据以及子系统健康管理数据进行统一的接入、存储管理。基础数据平台具备列车全系统数据接入解析的能力，接入的数据覆盖车辆运行安全相关、车辆运行质量相关、车辆运行状态相关、车辆维修维护决策相关数据。基础平台具备灵活的可扩展性，满足高并发、高实时的列车数据接入需求。

图5 地面系统硬件平台架构

图6 地面系统软件平台架构

（2）数据应用层。数据应用层作为车辆数据的核心数据管理层，将车辆业务的核心共享数据以及车辆知识进行整合梳理，包含了列车、车型、协议、故障等信息，集中进行数据的清洗和标准化，以集成服务的形式把统一的、完整的、准确的、具有权威性的主数据进行统一管理，为管理员提供各个实体的添加、编辑、修改、删除功能。通过数据接口为上层业务应用或其他应用系统提供主数据查询服务。

（3）业务应用层。业务应用层中包含了列车数据实时信息展示、运营信息统计和子系统健康管理3类应用，提供了车辆状态实时监控、故障预警实时提醒、历史变量分析、累计运营数据统计、离线文件管理和子系统健康管理等功能，实现了基于线路的列车数据集成展示，满足现场车辆运维业务的应用需求。

3 车辆远程专家诊断系统应用

3.1 系统配置

济南地铁2号线车辆远程专家诊断系统整体架构按照“1+N”模式，即由平台核心诊断服务器+各子系统专用服务器联合构成，平台核心服务器作为数据接收的统一者、分发者和集成者，各子系统负责各自系统的数据解析。数据经防火墙过滤后，由平台核心诊断服务器统一进行数据处理并分发到子系统服务器（空调服务器、车门服务器、走行部服务器等），最后负责解析结果的界面集成。主要设备配置清单如表1所示。

3.2 系统功能验证

远程专家诊断系统通过车载系统对列车数据进行采集提取、整合发送、接收解析后，在地面搭建综合监控分析平台，通过浏览器便可实现车辆状态实时监测、故障自动报警等功能。下面以济南地铁2号线车辆远程诊断系统为例，对系统进行验证说明。

济南地铁2号线车辆远程诊断系统由实时监控、全网总览、线路总览、车辆状态、故障预警、分析应用和健康管理等7个功能模块组成，主要的典型功能如下。

3.2.1 实时信息展示

实时信息展示包括线路级和车辆级2个层次，其中线路级用于显示本线路所有列车实时运行状态信息，包括列车号、状态、运行模式等信息，如图7所示。车辆级能够实时显示在线车辆状态以及车辆产生的故障报警信息，如图8所示。

表1 济南地铁2号线车辆远程专家诊断系统配置清单

3.2.2 运营信息统计

系统支持根据不同线路、车型等，多维度地统计列车一段时间内的运行里程、能耗、故障等信息，不同角度了解列车的整体状况。有针对性地对高发故障进行深入的数据挖掘，找到故障根本原因，降低故障发生频率，运营里程信息统计如图9所示。可以通过挖掘重大故障相关变量的变化趋势，提前进行预警，降低故障造成的损失，变量分析如图10所示。

3.2.3 子系统健康管理

济南地铁2号线子系统健康管理由车门健康管理、空调健康管理、走行部健康管理和轨旁检测设备组成，实现车门、空调和走行部的状态监测、故障预警、健康趋势分析以及受电弓尺寸测量、轮对尺寸测量和车体360度缺陷检测。空调健康管理如图11所示。

4 结论

图7 线路级实时信息展示

图8 车辆级实时信息展示

本文设计研制的车辆远程专家诊断系统由车载系统、无线通信系统和地面系统3部分组成，通过加装车载数据收集单元设备收集车辆总线和子系统健康管理类数据，创造性地搭建基于MVB+以太网的车载系统信息收集网络，克服车辆MVB总线通信带宽小，无法满足子系统内部诊断数据传输的缺陷。依托LTE和WLAN无线传输既有通道将信息落地，不需额外增加投入。实现在地面系统完成车辆实时信息显示、运营数据统计以及子系统健康管理等功能，并结合济南地铁2号线工程进行了验证。工程实践表明通过扩展状态感知和设备泛在互联功能对车辆运行数据及车门、走行部、空调、弓网监测等子系统健康管理信息进行收集整合，能够有效提高车辆智能化水平，进一步提高运营单位故障处置效率，降低运维成本，为地铁车辆智慧化运营探索了一个新思路和新方法。

图9 运营里程信息统计

图10 变量分析

图11 空调健康管理