基于工業(yè)以太網(wǎng)的動車組失穩(wěn)檢測技術(shù)研究*

延九磊, 申宇燕, 曾陸洋, 韓彥青

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

高速列車運行過程中，隨著列車速度的提高，列車所處的動態(tài)環(huán)境變化非常迅速，輪軌間動力作用不斷加劇，同時線路不平順產(chǎn)生的激擾或者列車本身固有部件的故障，會導(dǎo)致列車橫向穩(wěn)定性異常，如未及時發(fā)現(xiàn)，可能會造成列車橫向失穩(wěn)，危及行車安全。

高速動車組轉(zhuǎn)向架監(jiān)測技術(shù)在安全監(jiān)測中是近年來不斷引起重視的一個領(lǐng)域，我國近年來提出的動車組安全監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，明確提出要進行高速轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)的狀態(tài)監(jiān)測。眾所周知，引起轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)的第一要素是輪對踏面錐度，其他包括轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點的剛度，抗蛇行減振器的性能等。而這些要素都會隨著運用里程的增加而磨耗加劇，性能下降。因而通過監(jiān)測橫向穩(wěn)定性亦可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的狀態(tài)維修。

我國早在十幾年前就開始對客車轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測技術(shù)進行研究，在這方面積累了豐富的經(jīng)驗。而針對高速動車組的轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測技術(shù)的研究剛剛起步，需要根據(jù)高速動車組運行速度高、軌道平順度、運用工況、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)等特點，研究適用于高速動車組轉(zhuǎn)向架的失穩(wěn)檢測技術(shù)。

1 列車工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

近年來, 隨著動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)控制實時性要求越來越高，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、遠程診斷、旅客信息服務(wù)等, 使得列車通信的信息傳輸量大大增加。既有的列車通信網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)場總線主要包括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。既有列車通信中的現(xiàn)場總線由不同的公司設(shè)計并生產(chǎn)運用，所采用的的通信協(xié)議等不統(tǒng)一，開放性不足，不同公司的控制器之間不能實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸,導(dǎo)致"自動化孤島"現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成了一定的資源浪費。

(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)傳輸速率已達到100 Mb/s，相對比以太網(wǎng)在通信速率上存在很大優(yōu)勢。

以太網(wǎng)具有傳輸速率高，通用性強，集成性強的優(yōu)點，在列車網(wǎng)絡(luò)中可以實現(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，以及未來的高速列車網(wǎng)絡(luò)對高帶寬的要求，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。它不僅能夠完成列車通信網(wǎng)絡(luò)中的高層應(yīng)用功能，也能夠連接底層車載控制設(shè)備，建立集列車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)，實現(xiàn)列車多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)融合，是列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。

以太列車通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫前粋€或多個列車骨干網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)和一個或多個列車編組網(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骨干網(wǎng)節(jié)點上。其分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 以太列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

上層是以太列車骨干網(wǎng)(Ethernet train backbone，ETB)，是列車級以太網(wǎng)，呈線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)貫穿全列車，在列車上ETB網(wǎng)絡(luò)可以分為車廂內(nèi)部、車廂連接、列車編組內(nèi)部3個區(qū)域，分別是在某節(jié)車廂、車廂之間、編組接口處的無源組件和有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，例如列車級的以太網(wǎng)交換機和中繼器[2]。

下層是以太列車編組網(wǎng)(EthemetConsistNetwork，ECN)，是車輛級以太網(wǎng)，列車編組網(wǎng)中ECN和終端設(shè)備互連。當(dāng)一個ECN連接到列車骨干網(wǎng)時，必須通過一個列車骨干節(jié)點(Train Backbone Node，TBN)，或一組冗余的列車骨干節(jié)點，共性需求是一個TBN可以在ECN和列車骨干網(wǎng)之間轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)包。

2 基于列車工業(yè)以太網(wǎng)的失穩(wěn)檢測系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)通信方式，采用兩級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，分別是列車級以太網(wǎng)和車廂級以太網(wǎng)。列車級以太網(wǎng)實現(xiàn)多車廂數(shù)據(jù)通信，每個車廂設(shè)置以太網(wǎng)代理節(jié)點，多個代理節(jié)點之間對等通信，不區(qū)分主從。車廂內(nèi)部的以太網(wǎng)通信采用星型結(jié)構(gòu)，每個車廂檢測設(shè)備都具備以太網(wǎng)通信接口，并與本車的代理節(jié)點互聯(lián)，經(jīng)過交換和路由算法，與本車或與列車進行通信。技術(shù)方案包含的主要內(nèi)容如下：

(1)研究安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的列車級網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，通過車廂以太網(wǎng)代理節(jié)點實現(xiàn)安全監(jiān)測節(jié)點的識別與握手，代理節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換與路由。以太網(wǎng)不同于其他現(xiàn)場總線，其多個代理節(jié)點之間必須經(jīng)過交換或路由才能通信，針對動車組多級數(shù)據(jù)交換與路由，必須在硬件和協(xié)議上進行強化，減少數(shù)據(jù)交換延時，并采取冗余通信機制，以確保單點失效后全網(wǎng)的其他節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)跨接，不受失效節(jié)點的影響。

(2)研究安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的車廂級網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，以車廂代理節(jié)點為頂層節(jié)點，車廂內(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)測設(shè)備在車廂內(nèi)部形成子網(wǎng)，車廂內(nèi)部通信不受全列車影響，其子網(wǎng)內(nèi)的IP也可按規(guī)則進行有序分配，不同車廂之間的IP地址分配方案，不影響全列車通信。

(3)車廂級主機內(nèi)部采用基于以太網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，安全監(jiān)測系統(tǒng)最重要的功能就是數(shù)據(jù)的采集與診斷，引入實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，基于TCP/IP協(xié)議，并利用標(biāo)準(zhǔn)SQL語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索，將對本車內(nèi)部數(shù)據(jù)的多特征對比，全列數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，歷史數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ?，能夠更加?zhǔn)確的分析故障或報警的發(fā)展趨勢，為列車運行安全的可預(yù)測性提供基礎(chǔ)支持庫。

2.1 體系結(jié)構(gòu)

失穩(wěn)檢測裝置用來檢測高速動車組轉(zhuǎn)向架狀態(tài)，具有轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)及時報警、記錄、下載及跟蹤功能，同時可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與整車網(wǎng)絡(luò)的互連。失穩(wěn)檢測裝置主要由失穩(wěn)檢測主機與失穩(wěn)檢測裝置傳感器組成，其中失穩(wěn)檢測主機放置于車廂內(nèi)；失穩(wěn)檢測加速度傳感器位于車體下側(cè)的轉(zhuǎn)向架上，兩者通過線纜連接，其總體連接框圖如下：

圖2 失穩(wěn)檢測裝置全列安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 失穩(wěn)檢測裝置

該裝置[3]由失穩(wěn)檢測傳感器模塊、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)檢測傳感器模塊

中車長春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組失穩(wěn)檢測裝置在列車一、二端轉(zhuǎn)向架上分別安裝了一個橫向加速度傳感器，實時采集列車橫向振動信號，兩個傳感器呈對角線分布，如圖4所示。

圖3 失穩(wěn)檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 傳感器安裝位置

失穩(wěn)檢測傳感器模塊，作為整個失穩(wěn)裝置的最前端，用來實時采集列車的橫向振動信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，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經(jīng)前置濾波及信號處理，送入A/D采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提供給綜合診斷模塊進行濾波處理及進行失穩(wěn)診斷等操作。

(3)綜合診斷模塊

將采集數(shù)字信號進行去野值、低通濾波等預(yù)處理后，對處理后的信號進行時域分析、頻域分析、特征抽取，以及各種模式識別的工作，對列車的橫向穩(wěn)定性進行綜合評估，為裝置提供列車失穩(wěn)預(yù)警、報警判斷依據(jù)，同時對裝置各功能模塊進行實時自檢，并對故障模塊給出報警指示。

(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，并與列車網(wǎng)絡(luò)連接。其主要功能為將綜合診斷結(jié)果通過列車網(wǎng)絡(luò)傳輸至列車控制端，并通過列車網(wǎng)絡(luò)獲取列車基本信息、運行信息及安全信息，用于裝置的數(shù)據(jù)記錄與分析。

3 應(yīng)用案例分析

中車長春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組上裝有上述失穩(wěn)檢測裝置，此列標(biāo)動于2016年5月15日開始在鄭徐(鄭州—徐州)客運專線開展運用考核。2016年7月1日至15日，與中車四方車輛有限公司生產(chǎn)的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組在鄭徐客運專線從速度200 km/h逐級提速至速度420 km/h，并完成高速重聯(lián)和交會試驗。2016年7月16日以后轉(zhuǎn)入哈大高速鐵路繼續(xù)進行模擬載客與實際載客運用考核。

在中國標(biāo)準(zhǔn)動車組實際載客運用考核期間，6車、8車的轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測裝置陸續(xù)多次報出橫向失穩(wěn)預(yù)警。以8車2016年9月8日的數(shù)據(jù)為例，在18:24與22:46兩個時間點出現(xiàn)橫向失穩(wěn)預(yù)警，在8:42與13:28時間點也同樣存在振動強度較大的情況。9月17日對6車轉(zhuǎn)向架動力學(xué)參數(shù)進行了調(diào)整。調(diào)整后兩車運行平穩(wěn)。

圖5 橫向運行數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)束語

工業(yè)以太網(wǎng)在列車通信網(wǎng)絡(luò)的運用符合未來的發(fā)展趨勢，結(jié)合以太網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計了動車組失穩(wěn)監(jiān)測系統(tǒng)，可對動車組轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能做出基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的評估，便于動車組檢修部門有針對性的了解轉(zhuǎn)向架性能，并提出科學(xué)的改進意見，促進中國動車組制造與運用技術(shù)的發(fā)展。