延九磊, 申宇燕, 曾陸洋, 韓彥青

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081)

高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，隨著列車(chē)速度的提高，列車(chē)所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境變化非常迅速，輪軌間動(dòng)力作用不斷加劇，同時(shí)線路不平順產(chǎn)生的激擾或者列車(chē)本身固有部件的故障，會(huì)導(dǎo)致列車(chē)橫向穩(wěn)定性異常，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)造成列車(chē)橫向失穩(wěn)，危及行車(chē)安全。

高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)技術(shù)在安全監(jiān)測(cè)中是近年來(lái)不斷引起重視的一個(gè)領(lǐng)域，我國(guó)近年來(lái)提出的動(dòng)車(chē)組安全監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，明確提出要進(jìn)行高速轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。眾所周知，引起轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)的第一要素是輪對(duì)踏面錐度，其他包括轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)的剛度，抗蛇行減振器的性能等。而這些要素都會(huì)隨著運(yùn)用里程的增加而磨耗加劇，性能下降。因而通過(guò)監(jiān)測(cè)橫向穩(wěn)定性亦可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的狀態(tài)維修。

我國(guó)早在十幾年前就開(kāi)始對(duì)客車(chē)轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，在這方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。而針對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測(cè)技術(shù)的研究剛剛起步，需要根據(jù)高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度高、軌道平順度、運(yùn)用工況、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，研究適用于高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)檢測(cè)技術(shù)。

1 列車(chē)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

近年來(lái), 隨著動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，健康管理和全方位、多維度故障診斷及維修要求的提升，以及各種新的服務(wù)不斷出現(xiàn)，諸如視頻傳輸、遠(yuǎn)程診斷、旅客信息服務(wù)等, 使得列車(chē)通信的信息傳輸量大大增加。既有的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)場(chǎng)總線主要包括TCN、Lonworks、WorldFIP、ARCENT以及CAN等。既有網(wǎng)絡(luò)在傳輸業(yè)務(wù)多樣化、帶寬及傳輸速率、成本和兼容性等方面暴露出一些應(yīng)用瓶頸[1]：

(1)通用性較差。既有列車(chē)通信中的現(xiàn)場(chǎng)總線由不同的公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)運(yùn)用，所采用的的通信協(xié)議等不統(tǒng)一，開(kāi)放性不足，不同公司的控制器之間不能實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,導(dǎo)致"自動(dòng)化孤島"現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成了一定的資源浪費(fèi)。

(2)通信速率較低。在光纖傳播中，Lonworks的最大傳輸速率為1.25 Mb/s，ARCNET最大為2.5 Mb/s，MVB為1.5 Mb/s，CAN最大為1 Mb/s，WTB為1 Mb/s，而目前以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率已達(dá)到100 Mb/s，相對(duì)比以太網(wǎng)在通信速率上存在很大優(yōu)勢(shì)。

以太網(wǎng)具有傳輸速率高，通用性強(qiáng)，集成性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)在不同組網(wǎng)之間的互用和兼容。隨著各種新型大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求的提出，以及未來(lái)的高速列車(chē)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高帶寬的要求，以太網(wǎng)技術(shù)展現(xiàn)了其網(wǎng)絡(luò)性能上的巨大優(yōu)勢(shì)。它不僅能夠完成列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中的高層應(yīng)用功能，也能夠連接底層車(chē)載控制設(shè)備，建立集列車(chē)控制功能與乘客信息服務(wù)功能為一體的新型寬帶網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)融合，是列車(chē)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。

以太列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫前粋€(gè)或多個(gè)列車(chē)骨干網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)和一個(gè)或多個(gè)列車(chē)編組網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)，終端設(shè)備(End Device，ED)可以直接連在以太列車(chē)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上。其分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 以太列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

上層是以太列車(chē)骨干網(wǎng)(Ethernet train backbone，ETB)，是列車(chē)級(jí)以太網(wǎng)，呈線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)貫穿全列車(chē)，在列車(chē)上ETB網(wǎng)絡(luò)可以分為車(chē)廂內(nèi)部、車(chē)廂連接、列車(chē)編組內(nèi)部3個(gè)區(qū)域，分別是在某節(jié)車(chē)廂、車(chē)廂之間、編組接口處的無(wú)源組件和有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，例如列車(chē)級(jí)的以太網(wǎng)交換機(jī)和中繼器[2]。

下層是以太列車(chē)編組網(wǎng)(EthemetConsistNetwork，ECN)，是車(chē)輛級(jí)以太網(wǎng)，列車(chē)編組網(wǎng)中ECN和終端設(shè)備互連。當(dāng)一個(gè)ECN連接到列車(chē)骨干網(wǎng)時(shí)，必須通過(guò)一個(gè)列車(chē)骨干節(jié)點(diǎn)(Train Backbone Node，TBN)，或一組冗余的列車(chē)骨干節(jié)點(diǎn)，共性需求是一個(gè)TBN可以在ECN和列車(chē)骨干網(wǎng)之間轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)包。

2 基于列車(chē)工業(yè)以太網(wǎng)的失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)通信方式，采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，分別是列車(chē)級(jí)以太網(wǎng)和車(chē)廂級(jí)以太網(wǎng)。列車(chē)級(jí)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多車(chē)廂數(shù)據(jù)通信，每個(gè)車(chē)廂設(shè)置以太網(wǎng)代理節(jié)點(diǎn)，多個(gè)代理節(jié)點(diǎn)之間對(duì)等通信，不區(qū)分主從。車(chē)廂內(nèi)部的以太網(wǎng)通信采用星型結(jié)構(gòu)，每個(gè)車(chē)廂檢測(cè)設(shè)備都具備以太網(wǎng)通信接口，并與本車(chē)的代理節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，經(jīng)過(guò)交換和路由算法，與本車(chē)或與列車(chē)進(jìn)行通信。技術(shù)方案包含的主要內(nèi)容如下：

(1)研究安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，通過(guò)車(chē)廂以太網(wǎng)代理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別與握手，代理節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換與路由。以太網(wǎng)不同于其他現(xiàn)場(chǎng)總線，其多個(gè)代理節(jié)點(diǎn)之間必須經(jīng)過(guò)交換或路由才能通信，針對(duì)動(dòng)車(chē)組多級(jí)數(shù)據(jù)交換與路由，必須在硬件和協(xié)議上進(jìn)行強(qiáng)化，減少數(shù)據(jù)交換延時(shí)，并采取冗余通信機(jī)制，以確保單點(diǎn)失效后全網(wǎng)的其他節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)跨接，不受失效節(jié)點(diǎn)的影響。

(2)研究安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的車(chē)廂級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，以車(chē)廂代理節(jié)點(diǎn)為頂層節(jié)點(diǎn)，車(chē)廂內(nèi)部研制專用的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換設(shè)備，并將安全監(jiān)測(cè)設(shè)備在車(chē)廂內(nèi)部形成子網(wǎng)，車(chē)廂內(nèi)部通信不受全列車(chē)影響，其子網(wǎng)內(nèi)的IP也可按規(guī)則進(jìn)行有序分配，不同車(chē)廂之間的IP地址分配方案，不影響全列車(chē)通信。

(3)車(chē)廂級(jí)主機(jī)內(nèi)部采用基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最重要的功能就是數(shù)據(jù)的采集與診斷，引入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，基于TCP/IP協(xié)議，并利用標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索，將對(duì)本車(chē)內(nèi)部數(shù)據(jù)的多特征對(duì)比，全列數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，歷史數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ龋軌蚋訙?zhǔn)確的分析故障或報(bào)警的發(fā)展趨勢(shì)，為列車(chē)運(yùn)行安全的可預(yù)測(cè)性提供基礎(chǔ)支持庫(kù)。

2.1 體系結(jié)構(gòu)

失穩(wěn)檢測(cè)裝置用來(lái)檢測(cè)高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架狀態(tài)，具有轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)及時(shí)報(bào)警、記錄、下載及跟蹤功能，同時(shí)可通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與整車(chē)網(wǎng)絡(luò)的互連。失穩(wěn)檢測(cè)裝置主要由失穩(wěn)檢測(cè)主機(jī)與失穩(wěn)檢測(cè)裝置傳感器組成，其中失穩(wěn)檢測(cè)主機(jī)放置于車(chē)廂內(nèi)；失穩(wěn)檢測(cè)加速度傳感器位于車(chē)體下側(cè)的轉(zhuǎn)向架上，兩者通過(guò)線纜連接，其總體連接框圖如下：

圖2 失穩(wěn)檢測(cè)裝置全列安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 失穩(wěn)檢測(cè)裝置

該裝置[3]由失穩(wěn)檢測(cè)傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、綜合診斷模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊組成，如圖3所示。

(1)失穩(wěn)檢測(cè)傳感器模塊

中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司生產(chǎn)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組失穩(wěn)檢測(cè)裝置在列車(chē)一、二端轉(zhuǎn)向架上分別安裝了一個(gè)橫向加速度傳感器，實(shí)時(shí)采集列車(chē)橫向振動(dòng)信號(hào)，兩個(gè)傳感器呈對(duì)角線分布，如圖4所示。

圖3 失穩(wěn)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 傳感器安裝位置

失穩(wěn)檢測(cè)傳感器模塊，作為整個(gè)失穩(wěn)裝置的最前端，用來(lái)實(shí)時(shí)采集列車(chē)的橫向振動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，上傳至數(shù)據(jù)采集與處理模塊。

(2)數(shù)據(jù)采集與處理模塊

用于將傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)前置濾波及信號(hào)處理，送入A/D采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，提供給綜合診斷模塊進(jìn)行濾波處理及進(jìn)行失穩(wěn)診斷等操作。

(3)綜合診斷模塊

將采集數(shù)字信號(hào)進(jìn)行去野值、低通濾波等預(yù)處理后，對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、特征抽取，以及各種模式識(shí)別的工作，對(duì)列車(chē)的橫向穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)估，為裝置提供列車(chē)失穩(wěn)預(yù)警、報(bào)警判斷依據(jù)，同時(shí)對(duì)裝置各功能模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)自檢，并對(duì)故障模塊給出報(bào)警指示。

(4)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

由以太網(wǎng)交互模塊及I/O模塊組成，并與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)連接。其主要功能為將綜合診斷結(jié)果通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)傳輸至列車(chē)控制端，并通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)獲取列車(chē)基本信息、運(yùn)行信息及安全信息，用于裝置的數(shù)據(jù)記錄與分析。

3 應(yīng)用案例分析

中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司生產(chǎn)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組上裝有上述失穩(wěn)檢測(cè)裝置，此列標(biāo)動(dòng)于2016年5月15日開(kāi)始在鄭徐(鄭州—徐州)客運(yùn)專線開(kāi)展運(yùn)用考核。2016年7月1日至15日，與中車(chē)四方車(chē)輛有限公司生產(chǎn)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組在鄭徐客運(yùn)專線從速度200 km/h逐級(jí)提速至速度420 km/h，并完成高速重聯(lián)和交會(huì)試驗(yàn)。2016年7月16日以后轉(zhuǎn)入哈大高速鐵路繼續(xù)進(jìn)行模擬載客與實(shí)際載客運(yùn)用考核。

在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組實(shí)際載客運(yùn)用考核期間，6車(chē)、8車(chē)的轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測(cè)裝置陸續(xù)多次報(bào)出橫向失穩(wěn)預(yù)警。以8車(chē)2016年9月8日的數(shù)據(jù)為例，在18:24與22:46兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)橫向失穩(wěn)預(yù)警，在8:42與13:28時(shí)間點(diǎn)也同樣存在振動(dòng)強(qiáng)度較大的情況。9月17日對(duì)6車(chē)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整后兩車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖5 橫向運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)以太網(wǎng)在列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用符合未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合以太網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)了動(dòng)車(chē)組失穩(wěn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能做出基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的評(píng)估，便于動(dòng)車(chē)組檢修部門(mén)有針對(duì)性的了解轉(zhuǎn)向架性能，并提出科學(xué)的改進(jìn)意見(jiàn)，促進(jìn)中國(guó)動(dòng)車(chē)組制造與運(yùn)用技術(shù)的發(fā)展。