全自动驾驶模式下城市轨道交通车辆专家诊断系统研制

谢喜佳　李福斌　明洪　李文全　郑吴富

摘 要：本文基于计算机辅助、车载通信、网络控制技术，搭建MVB+以太网的车辆数据收集平台，结合地面终端系统的分析处理，研制全套全自动驾驶模式下城市轨道交通车辆专家诊断系统。通过专家诊断系统对车辆状态数据的实时采集及分析，实现对列车运行状态的实时监控及车辆子系统的健康管理，为运维人员处理车辆故障提供指导。

关键词：轨道交通 全自动驾驶 专家诊断系统 WTD

随着城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通电客车全自动驾驶模式有效改善传统模式下的车辆运营安全、行车组织、降低人力成本等方面问题，是城市轨道交通的发展趋。全自动驾驶模式采用计算机辅助、车载通信、网络控制等技术形成全新的轨道交通控制系统，具备提高运能、岗位复合、规避人员操作失误等方面优势[1]。全自动驾驶模式车辆车辆无人值守，车辆运行各子系统的运行状态及故障应急处置无法与有人值守状态相比较，亟需专家诊断系统辅助监控各子系统的运行状态及车辆故障上报，以便车辆运用部门及时做出故障判断及处理措施[2]。本文研制全自动驾驶模式下城市轨道交通车辆专家诊断系统，在南宁轨道交通5号线电客车上进行验证。

1 车辆专家诊断系统原理

1.1 车辆专家诊断系统的功能

车载诊断系统由于受到其运行速度的影响，只能对影响安全的重要故障做出判断，并指导司机排除。而更复杂、多方面的故障应寻求地面专家系统的支持[3]。南宁轨道交通5号线全自动驾驶车辆除包括制动（DCU）、车门（EDCU）、空调（HVAC）等传统子系统外，还配备主动/被动障碍物检测、走行部检测、弓网检测等智能运维设备，为了达到对整车运行情况的监控、记录和分析，车辆专家诊断系统通过通信控制系统（TCMS）采集各子系统的实时状态数据，使用无线传输装置（WTD）将车辆数据传输至车辆检修基地终端服务器，通过地面系统对数据信息处理后发送至各级调度指挥中心，为车辆调度和故障处理提供数据决策支持。

1.2 车辆专家诊断系统的组成

专家诊断系统包括车载系统、车地无线传输系统和地面系统三部分。车载系统通过以太网维护和信息网获取车辆状态数据、故障数据、过程数据、环境数据等。车地无线传输系统采用WTD作为车载数据收集、存储和转发装置，通过通信专业的WLAN通道实现车地数据无线传输。地面系统包括安装在车辆段内的服务器和专家诊断系统软件，其主要任务是依据列车的状态参数对列车运行状态进行实时监控或依据故障数据对对列车的运行可靠性做出评价。

2 车辆专家诊断系统总体方案及设计

2.1 系统总体方案设计

基于车辆数据分析与挖掘的专家诊断系统，总体上通过列车WTB总线和以太网收集牵引（DCU）、制动（BCU）、火警（FDS）、空调（HVAC）、車门（EDCU）等微机控制子系统以及弓网在线监测、主动式/被动式障碍物检测等智能运维业务系统的状态数据和故障数据，传输至车载远程数据传输装置（WTD），WTD主机根据实时性要求按照一定周期（本项目采用500ms周期）向车载PIDS交换机发送状态、故障数据，车载PIDS交换机将上述数据采用TCP或者UDP报文通过PIDS地面无线传输系统传至车辆专家诊断系统。而对于列车事件记录、弓网监测视频和图片等离线大数据，受地面无线传输系统带宽容量限制，则采用检修库内的WLAN网进行传输。地面大数据中心对数据进行存储、解析、分发、运算和展示，为行车指挥、维修维护、技术分析等提供高时效性的指导建议，总体设计方案见图1。

2.2 车载微机子系统设计

牵引（DCU）、辅逆（SIV）、空调（HVAC）、车门（EDCU）、制动（BCU）等车载微机子系统在轨道交通项目上应用均较为成熟，其微机控制器通过接收子系统配置的继电器、接触器、传感器反馈信号，部分反馈信号经过逻辑运算形成子系统的状态数据、故障数据和环境数据，具有故障自诊断和状态记录功能。微机子系统的实时状态信息和故障信息通过MVB网络传输至列车中央控制单元（CCU），再通过TCP/IP协议传输至WTD主机。而列车事件记录模块（EDRM）监视列车MVB网络上所有的所有通信记录，形成带有列车运行环境参数的文件，文件大小为百兆级别，需通过FTP协议传输至WTD主机。对于HMI同屏功能的实现，考虑到高实时性和高数据量的需求，采用TRDP（Train Real-time Data Protocol）协议通过以太网维护网传输至WTD主机。

2.3 车辆智能运维系统设计

车辆智能运维系统包含主动式/被动式障碍物检测、弓网在线检测和走行部检测三个子系统，通过集成各类先进传感器，利用热成像、光成像、加速度、声学等多维度传感器等实现对弓网、走行部等列车关键部件的实时监控，不同项目可以根据不同的用户需求进行扩展。系统控制主机可通过UDP协议和FTP协议通过列车以太网维护网将大量实时数据和离线数据传输至车辆以太网交换机，再经过WTD主机和地面PIDS交换机将数据发送至地面系统，车辆专家诊断系统对数据进行解析和展示，方便行车指挥人员对故障做出及时响应，也便于向维护人员提供维修维护的指导。

动式/被动式障碍物检测子系统采用毫米波雷达、摄像机、补偿光源、行程开关等设备组成，利用图像和行程开关识别隧道内容是否有异物侵线，保障电客车运行安全。

弓网在线检测子系统采用高清摄像机、三角测距模块、红外相机、紫外相机、补光灯、车底振动补偿模块等设备，利用机器视觉原理来实现受电弓碳滑板和羊角的状态监测、弓网温度检测、燃弧检测，同时还实现了接触网的拉出值、高度值、导高值的实时监测。

走行部安全检测子系统同时监测振动、冲击和温度3个物理量，在线实时监测车辆走行部（轴承、踏面）与轨道状态，重大故障及时向行车指挥中心告警，保障行车安全，另外对状态数据进行统计分析，形成专家维护指导建议。其中复合传感器和三坐标振动传感器每个轴箱各安装1个，其通过振动敏感元件获取振动加速度样本，另外通过温度传感器采集轴箱温度作为辅助参数。

3 车辆专家诊断系统应用

车辆专家诊断系统面向技术人员、调度人员、检修人员等不同角色人员时，其功能和定位有所区别。面向技术人员主要提供数据管理和分析功能，通过对数据的分析挖掘，实现对列车故障规律的总结和故障隐患的预测。面向调度人员主要提供列车实时状态和故障监测，为故障的应急处理提供建议。面向检修人员主要提供车辆故障工单的自动推送，对故障的详细描述和处置建议。南宁轨道交通5号线专家诊断系统应用由运行监控、车辆子系统、整车分析、运营分析、故障管理等功能模块组成，主要的典型功能如下：

3.1 运行监控功能

运行监控功能含线路监控、状态预览、车辆监控、HMI同屏等四个功能模块，主要用于正线运营列车的状态监护，发生故障后，调度指挥人员可实时查看故障列车的状态，及时上报故障情况，并对运营组织进行调整，主要具有以下功能：1）实现用于监视列车运行线路图、查看列车当前位置、运行方向、上线列车数、离线列车数、当前故障分级弹窗报警和声光报警等信息；2）实现显示任一列车的当前位置、速度、载客、能耗、载客量、当前网压、当前网流、牵引制动状态、门状态、火警状态、灭火器状态等信息；3）实现电客车状态及故障数据HMI同屏显示；4）实现用于显示所有列车当前各系统故障数量。

3.2 车辆子系统

子系统功能含空调（HVAC）、牵引（DCU）、辅助（SIV）、制动（BCU）、车门（EDCU）、烟火报警（FDS）、PIS、弓网、走行部等9个子系统，实现用于子系统的故障提示、子系统的实时参数显示、子系统的主要部件的运行状态显示等，主要用于技术人员对系统状态和故障数据进行统计分析，从而向维修人员提供指导性建议。

3.2.1 空调子系统

空调子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各个车厢的实时车内温度、车外温度、机组1能耗、机组2能耗及空调运行状态数据及统计故障信息。

3.2.2 牵引子系统

牵引子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各节车的给定牵引/电制动力、本车实际电制动力、本车牵引力、本车电制动能力、电机温度、逆变电流、中间电压、中间电流、牵引运行状态数据及电压电流参数及统计故障信息。

3.2.3 辅助子系统

辅助子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各节车的蓄电池温度、电流/电压等数据及辅助运行状态数据及统计故障信息。

3.2.4 制动子系统

制动子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各节车的电制动能力、实际电制动力、制动风缸压力、轴速及制动运行状态数据及統计故障信息。

3.2.5 车门子系统

车门子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各节车的车门关好、车门锁闭、车门隔离、车门紧急解锁及车门运行状态数据及统计故障信息。

3.2.6 烟火报警子系统

烟火报警子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各节车的感温线缆、探测器等设备运行状态数据及统计故障信息。

3.2.7 PIS子系统

PIS子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各节车的PACU、PECU、CCTV、NVR运行状态数据及统计故障信息。

3.2.8 弓网子系统

弓网子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询燃弧告警、温度告警、受电弓羊角异常告警、拉出值超限、导高值超限告警及受电弓运行状态数据及统计故障信息。

3.2.9 走行部子系统

走行部子系统可根据用户所选择的线路、列车、车厢号、时间段，查询各节车的轴端温度、轴端踏面及走行部运行状态数据及统计故障信息。

3.3 整车分析功能

整车分析主要基于故障统计功能，对整个线路列车及列车各个关键子系统的可靠性指标（MTBF和MDBF）进行评价，便于技术人员对整线路及整车的运行趋势做出评估，此外可作为电客车维修维护规程调整的参考依据。

3.4 运营分析功能

运营分析模块含能耗分析、故障统计、里程统计等3个模块。能耗分析实现整线路及单列车的月度能耗及年度能耗的统计分析，便于技术人员分析列车运行能耗的变化情况，及时制定节能降耗措施；故障统计实现对各车各子系统的故障统计报表展示，并进行同比和环比分析，便于技术人员及时了解列车关键部件的运行趋势，及时发现共性隐患并提出具体检查措施；里程统计实现含线路总里程、当月总里程、每列车当月里程等信息汇总及能耗趋势图。

3.5 故障管理功能

故障管理功能主要用于对列车当前故障和历史故障列表的实时记录、展示和查询。故障列表中列明故障点、故障等级、故障时间、正线故障或是库内故障，并且对故障原因及处置给出通用性的建议，便于检修人员对故障做出迅速定位并修复。

4 结语

本文以南宁轨道交通5号线一期工程电客车为研究对象，研制了一套车辆专家诊断系统，如图2所示，实现了通过该系统实时监控电客车运行状态及车辆故障上报，并对故障趋势进行统计分析，极大的提高了故障处理效率，实时掌握电客车各系统的监控状态，为正线运营应急处置决策提供实时数据支持。

参考文献：

[1]杨培盛，董先鹏，侯飞，管超，厉彦宏，刘鹏，吕方林.城市轨道交通车辆远程专家诊断系统设计和应用[J].现代城市轨道交通，2021（04）：25-32.

[2]王海峰.机车数据采集和专家诊断系统的方案设计[J].科技创新与应用，2017（05）：93-94.

[3]张家栋，田宏萍.关于列车安全状态监测和诊断系统的研究[J].内燃机车，2000.