秦培斌 李 青 楊 樂

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 山東 青島 266031； 2.中國電子科技集團公司第二十二研究所 山東 青島 266031)

隨著軌道車輛大規(guī)模投入運營，軌道車輛智能運維健康管理平臺建設越來越受到業(yè)主重視。制動系統(tǒng)作為車輛的關鍵核心系統(tǒng)，目前的運維方式仍基于子系統(tǒng)自身簡單的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷[1]，信息相對獨立，無法對車輛和子系統(tǒng)做全面分析、診斷。而且面對日益增加的數(shù)據(jù)量，亟需建立網(wǎng)絡運營綜合管控的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)制動系統(tǒng)運營、維護智能化。通過正線運行的實時數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控，并結合歷史大數(shù)據(jù)的積累，可以全面掌握系統(tǒng)在不同車輛、不同里程、不同工況下的狀態(tài)，可實現(xiàn)狀態(tài)辨識、安全評判，從而實現(xiàn)由故障修、計劃修與基于可靠性預測的狀態(tài)修的有機結合。建立基于大數(shù)據(jù)處理的軌道車輛制動系統(tǒng)智能運維健康管理平臺，能夠降低制動系統(tǒng)正線故障率、提升列車運行安全水平，助力制動系統(tǒng)實現(xiàn)智能運維。

1 軌道車輛制動系統(tǒng)運維現(xiàn)狀

目前，軌道車輛制動系統(tǒng)運維多采用基于單車數(shù)據(jù)記錄、故障時刻數(shù)據(jù)分析的人工周期檢修、巡檢和故障搶修等傳統(tǒng)方式。其數(shù)據(jù)記錄基于兩端司機室的車載維護終端設備，列車每節(jié)車廂中的制動控制裝置通過CAN/以太網(wǎng)總線將制動系統(tǒng)壓力、車輛速度、制動級位等數(shù)據(jù)發(fā)送至車輛兩端的車載維護終端，由維護終端對這些制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時記錄。運維人員通過現(xiàn)場連接上位機監(jiān)控軟件實時監(jiān)測列車制動系統(tǒng)狀態(tài)，或者通過讀取存儲介質中記錄的數(shù)據(jù)獲取制動系統(tǒng)故障時刻運行狀態(tài)，進而進行相關故障處理。由此可見，目前軌道車輛制動系統(tǒng)運維，仍然圍繞已發(fā)故障處理進行，其架構如圖1所示。

圖1 軌道車輛制動系統(tǒng)運維架構現(xiàn)狀

隨著車輛投入運營及系統(tǒng)運營時間的增加，運維壓力也與日俱增，傳統(tǒng)周期巡檢、故障搶修運維方式會造成運維過剩或運維不足，尺度難以掌握。以車地無線傳輸為基礎，建立基于大數(shù)據(jù)處理的制動系統(tǒng)智能運維平臺，能夠有效解決制動系統(tǒng)運維中的故障診斷、狀態(tài)檢測、健康評估等問題[2]，實現(xiàn)運維方式轉型升級。

2 制動系統(tǒng)智能運維平臺體系結構

制動系統(tǒng)智能運維平臺是 “智慧交通”的重要組成部分[3]，構建層級分明的智能運維平臺架構能夠確保不同項目制動系統(tǒng)運維的兼容性，降低運維成本。平臺設計充分考慮制動系統(tǒng)智能運維需求，構建了由數(shù)據(jù)接入層、地面數(shù)據(jù)中心層、智能運維應用層組成的制動系統(tǒng)智能運維平臺體系結構，如圖2所示。此設計不僅能夠滿足新線車輛制動系統(tǒng)智能運維需求，而且能夠兼容現(xiàn)有制動系統(tǒng)運維架構，為既有線路運營車輛智能運維的升級也提供了可行方案。

圖2 軌道車輛制動系統(tǒng)智能運維平臺體系結構

平臺中數(shù)據(jù)接入層即車地無線傳輸接入系統(tǒng)，其建立的目的是為制動系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)源，將制動系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)收集、打包、加密處理后，通過VPN將數(shù)據(jù)可靠地傳回地面數(shù)據(jù)中心。地面數(shù)據(jù)中心承擔著多源數(shù)據(jù)接入預處理、存儲、解析、算法分析等工作，為制動系統(tǒng)智能運維應用層提供數(shù)據(jù)庫支持。智能應用層提供系統(tǒng)的人機交互界面，實現(xiàn)制動系統(tǒng)實時狀態(tài)監(jiān)測、歷史狀態(tài)查詢、故障預測等健康管理功能。

3 制動系統(tǒng)車地無線傳輸接入設計

制動系統(tǒng)車地無線傳輸接入系統(tǒng)主要由三部分構成：數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)的收發(fā)、VPN專線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送、地面運維中心數(shù)據(jù)接收。無線采集終端通過CAN或TRDP通道采集全列制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)加密處理后通過4G通道將列車制動數(shù)據(jù)和維護終端狀態(tài)傳遞給VPN專線網(wǎng)絡，最后到達地面數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了車地之間數(shù)據(jù)的緩存與傳輸。其中無線采集終端是車地無線傳輸?shù)暮诵?，它由電源轉換模塊、CAN/TRDP數(shù)據(jù)收集模塊、無線通信模塊構成(見圖3)。

圖3 制動系統(tǒng)車地無線傳輸接入系統(tǒng)

3.1 電源轉換模塊

電源轉換模塊將車輛供給無線采集終端的電壓轉換成其內部運行所需的電壓值。為滿足無線采集終端對不同車型供電電壓的適應性，其電源轉換模塊采用寬電壓范圍設計，可適應額定電壓為24 V～110 V的各種車型。為確保設備可靠，設計時充分考慮運行過程中電壓暫降、短時中斷和電壓變化情況。經(jīng)試驗驗證，當輸入電壓出現(xiàn)不超過 10 ms 的電壓饋送中斷、電壓波動在0.6 Un～1.4 Un且不超過0.1 s時不會引起設備異常、電壓波動在1.25 Un～1.4 Un且不超過1 s時不會引起設備故障。

3.2 CAN/TRDP數(shù)據(jù)處理模塊

無線采集終端起到貫穿全列收集制動系統(tǒng)信息的功能，它安裝在頭車和尾車，通過CAN/TRDP數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)制動系統(tǒng)信息采集匯總。

無線采集終端的CAN總線接口按照高速CAN2.0B規(guī)范設計。支持100 Kbps～1 Mbps波特率， 11位標準幀ID和29位擴展幀ID。通過軟件可配置設備內部終端電阻的使能，使設備可以方便地布置在列車總線的各個節(jié)點分支。通過PC端配置軟件可以設置ID過濾，在無線采集終端的應用層軟件中實現(xiàn)ID過濾功能。無線采集終端的CAN總線接口在250 Kbps波特率下，可實現(xiàn)700 us一幀報文的接收頻率(總線負載75%)和 1 ms一幀的報文發(fā)送。

無線采集終端同時提供2個符合IEC 61375-2-3通信標準的TRDP接口。封裝于無線采集終端應用層中的TRDP協(xié)議，通過支持的安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(SDT)實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸。TRDP協(xié)議棧作為網(wǎng)絡中間件運行于無線采集終端的實時操作系統(tǒng)中，支持IEC 61375-3-4規(guī)范的網(wǎng)絡拓撲結構。它可與編組交換機(CS)與ETB節(jié)點(ETBN)互連，接收ECN網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，或發(fā)送數(shù)據(jù)到相應網(wǎng)絡節(jié)點。支持過程數(shù)據(jù)PD(封裝于UDP)和消息數(shù)據(jù)MD(封裝于TCP)等模式。無線采集終端通過ComID信息識別不同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)節(jié)點，ComID中標識了相應節(jié)點的數(shù)據(jù)結構、輪詢周期、QoS等關鍵通信配置信息，這些信息通過“xml”文件管理。用戶可通過PC端軟件對網(wǎng)絡節(jié)點進行過濾。

3.3 無線通信模塊

采集終端內含無線通訊模塊，模塊和主CPU通過串行總線通訊，CPU將發(fā)送數(shù)據(jù)信息、時間戳信息、GPS位置信息、接收方IP信息等通過串行總線發(fā)送給無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)包調制后通過天線發(fā)送出去。無線射頻信號會通過無線采集終端附近的運營商基站接收，信號基站將射頻信號接收、解調、轉換成標準網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，根據(jù)接收方IP地址信息通過運營商專用高速光纜發(fā)送到目的地。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包通過多級交換機從基站一路傳輸?shù)接脩艟W(wǎng)絡專線接入端。

由于列車運行過程中，無線采集終端與基站之間存在信號斷續(xù)問題，為確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，無線采集終端在通信方式上采用TCP/UDP雙連接、雙協(xié)議機制。

(1)心跳保活數(shù)據(jù)連接

此連接采用UDP數(shù)據(jù)協(xié)議，由無線采集設備端周期發(fā)起，周期60 s。其主要作用是遠程設備狀態(tài)監(jiān)控、確保移動網(wǎng)絡鏈路層端口有效。

(2)采集數(shù)據(jù)上傳連接

此連接采用TCP數(shù)據(jù)協(xié)議，由設備端發(fā)起與公網(wǎng)服務器的長連接。當遇到斷網(wǎng)等情況，采集終端將數(shù)據(jù)先緩存到SD卡，待網(wǎng)絡信號恢復后，重新連接續(xù)傳，當?shù)孛鏀?shù)據(jù)中心確認接收正確，設備端標記該數(shù)據(jù)無效后，再開始傳輸新數(shù)據(jù)。

4 制動系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心

4.1 數(shù)據(jù)接入

匯集到制動系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)首先進行批量數(shù)據(jù)接入預處理。制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心批量數(shù)據(jù)接入采用消息隊列、異步通信方式，車輛端無須等待處理結果即可將制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)中心，由地面數(shù)據(jù)中心通過消息隊列保證數(shù)據(jù)順序接收。由于無線傳輸通路中存在信號干擾等因素，地面數(shù)據(jù)中心接收到車輛數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)清洗與補缺以確保數(shù)據(jù)完整性。

由于列車總線上的數(shù)據(jù)報文存在多種輪詢周期，在制動系統(tǒng)智能運維應用中，對于每一個故障點的預測及判斷都需要若干報文的采樣簇，如果數(shù)采設備接收到的采樣簇中報文之間的輪詢周期參差不齊，則無法直接注入算法。為了解決周期不齊的問題，地面數(shù)據(jù)中心進行接入預處理時通過插值方式對低采樣周期數(shù)據(jù)進行補充。

傳感器采集的車輛速度、制動缸壓力等數(shù)據(jù)，除了需要進行毛刺去除與平滑處理外，由于不同量程傳感器數(shù)據(jù)數(shù)量級變化范圍較大，在數(shù)據(jù)接入處理末期，常使用Z-均值變換、歸一化、數(shù)據(jù)降維等方法執(zhí)行數(shù)據(jù)變換與歸約，這樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行感知機等模型算法訓練時效果會大幅提升。

4.2 數(shù)據(jù)存儲及查詢

經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)通過關系型數(shù)據(jù)庫存儲到支持高并發(fā)和大數(shù)據(jù)存儲的地面分布式數(shù)據(jù)庫集群中，以滿足制動系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)存儲要求。關系型數(shù)據(jù)庫，支持數(shù)據(jù)庫的CRUD操作、交換式數(shù)據(jù)查詢，用戶使用WEB客戶端或移動客戶端，可快速查詢制動系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)存儲的高可靠性，云管理平臺部署在2個虛擬機上組成 HA 集群，若發(fā)生故障HA集群中的另一個系統(tǒng)迅速接替本地系統(tǒng)，從而保證業(yè)務的連續(xù)性，實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)中心容災策略。

5 制動系統(tǒng)智能運維應用實現(xiàn)

5.1 狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

智能運維平臺建立了制動系統(tǒng)各個關鍵部件狀態(tài)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。能夠提供制動缸壓力、速度、制動級位、空簧壓力、防滑閥等的監(jiān)測運行曲線，它以時間軸為單位實現(xiàn)對基礎制動裝置、EBCU、防滑裝置、制動控制閥類的遠程實時監(jiān)測及狀態(tài)分析。還可提供基于歷史數(shù)據(jù)的分類或組合數(shù)據(jù)查詢分析，使歷史數(shù)據(jù)中海量的設備運行狀態(tài)信息以不同的信號形式表現(xiàn)出來。制動系統(tǒng)智能運維平臺通過特征提取算法提取事件特征、頻次特征等信息，針對不同工況，通過多變量決策樹基于信息熵增益對狀態(tài)點進行分類分析。

5.2 故障診斷及預測

智能運維首要任務是判斷系統(tǒng)或其內部關鍵部件是否處于故障狀態(tài)[4]，或相當程度地偏離了正常狀態(tài)，給出故障診斷及預測。制動系統(tǒng)智能運維平臺故障診斷及預測通過基于物理模型的診斷預測、基于知識的診斷預測和基于數(shù)據(jù)驅動的診斷預測三級模型建立(見圖4)。

圖4 制動系統(tǒng)智能運維平臺故障診斷及預測模型

基于物理模型的故障診斷預測方法利用已知的制動系統(tǒng)理論建立數(shù)學模型，通過對大量實車運行數(shù)據(jù)及故障維護數(shù)據(jù)的分析來確立模型參數(shù)。它能夠深入制動系統(tǒng)本質特性，實現(xiàn)較精確的故障診斷預測，例如運維平臺中針對基礎制動裝置進行基于應力的診斷預測、針對制動控制系統(tǒng)、高頻電磁閥等進行基于疲勞損傷發(fā)展規(guī)律的診斷預測。

基于知識的診斷預測是根據(jù)已知的知識建立基于制動系統(tǒng)知識庫方法的診斷預測模型，包括專家系統(tǒng)和模糊邏輯。專家系統(tǒng)將制動系統(tǒng)領域內

專家對典型制動故障的診斷和預測方法用規(guī)則形式表達出來，其關鍵是專家經(jīng)驗的獲得和專家經(jīng)驗的模型化。此外，智能運維平臺還使用模糊邏輯的非線性映射對制動系統(tǒng)故障進行匹配性診斷和預測。

對于制動系統(tǒng)而言，基于專家系統(tǒng)和模糊邏輯所建立的模型有限，因此基于數(shù)據(jù)驅動的診斷預測成為智能運維平臺掌握系統(tǒng)性能下降的主要手段。它通過部件或系統(tǒng)設計、仿真、運維階段測試、歷史數(shù)據(jù)等，從大量表征制動系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)中進行事件特征、頻次特征等信息提取，實現(xiàn)故障診斷預測。例如，通過制動系運用過程中的突變狀態(tài)點檢測，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)突變狀態(tài)，再結合統(tǒng)計學模型可實現(xiàn)故障診斷預測。

5.3 健康評估與維修決策

健康評估與維修決策模塊根據(jù)故障診斷預測結果，對制動系統(tǒng)及其關鍵部件的健康狀態(tài)進行量化，給出其預期壽命及維修建議。制動系統(tǒng)智能運維平臺通過決策樹提供了一種嵌入維修決策建議的機制，決策樹內部節(jié)點自頂向下的遞歸比較，在決策樹的枝葉節(jié)點得到維修建議，并可將維修建議推送給相關人員。

6 結束語

基于無線傳輸?shù)能壍儡囕v制動系統(tǒng)智能運維平臺，為車輛制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)落地、大數(shù)據(jù)分析提供了平臺支撐。在此基礎上，地面數(shù)據(jù)中心能夠全面、真實、可靠地掌握車輛制動系統(tǒng)故障信息和相關基礎數(shù)據(jù)，進而實時、有效地對制動系統(tǒng)做出診斷與評估。這不僅對制動系統(tǒng)優(yōu)化、提升具有重要作用，同時應用部門也可根據(jù)運維平臺的決策與建議合理安排檢修，有針對性地實現(xiàn)備件儲備，促進軌道車輛制動系統(tǒng)制造與運用技術的發(fā)展。