CBTC車載設(shè)備在線故障診斷系統(tǒng)研究

賈 鵬

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限

公司國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京100081)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，城市軌道交通信號系統(tǒng)由原來的固定閉塞方式逐步過渡為移動閉塞方式，設(shè)備制式也由軌道電路發(fā)展成為基于通信的列車控制系統(tǒng)(Communication based Train Control System，CBTC)，系統(tǒng)集成度和自動化水平不斷提高。CBTC系統(tǒng)包括列車自動防護系統(tǒng)、列車自動運行系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)5個子系統(tǒng)[1-2]。其中列車自動防護系統(tǒng)和列車自動運行系統(tǒng)為車載設(shè)備，共同控制列車運行，保障列車運行安全。

由于城市軌道交通建設(shè)總量日益增長，列車運營間隔不斷縮短，減少故障發(fā)生和發(fā)生故障后的快速診斷變得日益重要[3]。目前各個運營單位沒有專業(yè)的故障診斷系統(tǒng)，需要依靠維保人員對故障后的設(shè)備進行診斷和維修。這種診斷模式存在一系列問題，一是故障診斷時間有限，往往無法全面排查；二是診斷手段落后，無法預(yù)知設(shè)備何時發(fā)生故障，以“事后診斷”為主；三是維保人員的經(jīng)驗和技術(shù)水平制約著故障診斷的質(zhì)量[4-5]。

集成電路和存儲設(shè)備等硬件技術(shù)的發(fā)展使信號設(shè)備軟硬件狀態(tài)的實時存儲成為現(xiàn)實，日志記錄的豐富使故障的在線預(yù)警和實時分析成為可能[6]。通過研究車載設(shè)備在線故障診斷系統(tǒng)，一方面通過建立完善的專業(yè)規(guī)則庫，使用故障診斷策略來對數(shù)據(jù)實時解析，對已發(fā)生的故障進行盡可能精確的定位，實現(xiàn)設(shè)備故障“在線診斷”；另一方面通過分析設(shè)備的狀態(tài)趨勢，對潛在故障進行預(yù)警和替換提示，使車載設(shè)備診斷理念從原先機械的“事后診斷”向“事前診斷”轉(zhuǎn)變[7-8]，為減少信號設(shè)備故障和故障后的快速診斷提供了一條切實可行之路。

1 CBTC車載設(shè)備在線故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)CBTC車載子系統(tǒng)在線故障診斷系統(tǒng)設(shè)備功能的不同，可將系統(tǒng)分為診斷數(shù)據(jù)收集設(shè)備、診斷數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和診斷數(shù)據(jù)分析設(shè)備3個部分。診斷數(shù)據(jù)收集和傳輸設(shè)備完成列車診斷數(shù)據(jù)的自動收集和傳輸。診斷數(shù)據(jù)分析設(shè)備完成診斷數(shù)據(jù)的存儲、提取、在線診斷、維修策略的生成以及人機交互等功能。故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Layout diagram of diagnosis system

系統(tǒng)各部分構(gòu)成如下。

（1）診斷數(shù)據(jù)收集設(shè)備。診斷數(shù)據(jù)收集設(shè)備通過既有信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄接口，對存儲的診斷數(shù)據(jù)進行自動收集。為避免對列車運行產(chǎn)生影響，該設(shè)備獨立于既有車載信號設(shè)備，只是單向的獲取列車運行數(shù)據(jù)，不對數(shù)據(jù)進行任何加工和修改。同時，診斷數(shù)據(jù)收集設(shè)備通過與車地?zé)o線通信傳輸部分的車載接口，完成診斷數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)工作。主要診斷數(shù)據(jù)包括車載關(guān)鍵報文、輸入輸出記錄、運行狀態(tài)記錄等。

（2）診斷數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。診斷數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備是一個封閉通信網(wǎng)絡(luò)，包括車載天線、軌旁傳輸單元、無線控制器等無線傳輸設(shè)備和軌旁交換機、路由器、網(wǎng)管等有線控制設(shè)備。通過網(wǎng)管設(shè)備可以方便地對網(wǎng)絡(luò)進行配置和監(jiān)控，實現(xiàn)診斷數(shù)據(jù)的無線傳輸。傳輸過程中保證診斷數(shù)據(jù)的完整性、正確性、惟一性，可對不同的車組、不同的日期進行識別。

（3）診斷數(shù)據(jù)分析設(shè)備。列車運行數(shù)據(jù)分析診斷裝置由維護終端和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。為方便維保人員進行診斷和操作，診斷數(shù)據(jù)分析設(shè)備安裝于車輛段信號設(shè)備房內(nèi)。維保人員使用維護終端完善診斷策略，接收列車運行狀態(tài)和維修計劃的提示；使用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行分類、存儲和提取；使用規(guī)則庫中的診斷策略來實現(xiàn)運行狀態(tài)異常的“在線診斷”和瀕臨故障設(shè)備的“事前診斷”。診斷結(jié)果可在維護終端上進行匯總和顯示。

2 CBTC車載設(shè)備在線故障診斷系統(tǒng)原理

2.1 “在線診斷”實現(xiàn)原理

診斷數(shù)據(jù)收集設(shè)備定時地將列車運行數(shù)據(jù)下載，經(jīng)過無線接口單元對數(shù)據(jù)進行發(fā)送。數(shù)據(jù)經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面數(shù)據(jù)自動接收裝置。地面數(shù)據(jù)接收裝置通過網(wǎng)絡(luò)交換機將接收的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)庫可對接收到的數(shù)據(jù)進行分類和存儲。維護人員可通過維護終端進行提取、修改或增加分析策略。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將分析策略轉(zhuǎn)化為規(guī)則庫，通過規(guī)則庫完成數(shù)據(jù)信息的提取和分析，并將分析結(jié)果顯示到操作終端上。診斷數(shù)據(jù)流示意圖如圖2所示。

圖2 診斷數(shù)據(jù)流示意圖Fig.2 Layout diagram of diagnostic data fl ow

診斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器后被復(fù)制成2份，一份被分類存入數(shù)據(jù)庫中的不同關(guān)系表中進行記錄；另一份使用規(guī)則庫中的異常狀態(tài)診斷策略進行運行狀態(tài)的異常識別。嚴(yán)格來講，異常狀態(tài)診斷策略是一個策略集，包含多個子策略。該策略集是在產(chǎn)品設(shè)計的時候，將產(chǎn)品性能、軟件錯誤代碼庫和日志項的相關(guān)性規(guī)則進行綜合后，內(nèi)置到數(shù)據(jù)服務(wù)器的規(guī)則庫中的。通過對車載設(shè)備每周期日志的異常識別，可對軟件狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、操作異常等進行在線的“在線診斷”，一旦發(fā)現(xiàn)異常即進行報警，提醒維護人員及時處理。

2.2 “事前診斷”實現(xiàn)原理

數(shù)據(jù)服務(wù)器中的規(guī)則庫內(nèi)，除了用于“在線診斷”的異常狀態(tài)診斷策略，還有一套設(shè)備性能趨勢分析策略，用于設(shè)備“事前診斷”的判別。大多數(shù)設(shè)備的故障率符合“浴盆曲線”，故障率浴盆曲線如圖3所示。

圖3 故障率浴盆曲線圖Fig.3 Failure rate bathtub curve

正式運營后，設(shè)備基本進入 “浴盆底部”的低故障率階段。隨著時間的推移，磨損和老化等因素的影響將日益明顯。設(shè)備失效前，設(shè)備會進入“浴盆邊緣”的高故障率階段。在這個階段，設(shè)備的一些關(guān)鍵性能開始因為元器件的老化而較為迅速地下降。因此，通過對設(shè)備關(guān)鍵性能指標(biāo)的趨勢分析，結(jié)合性能下降閾值，可識別出設(shè)備是否進入了損耗失效期，從而提前對其進行更換，以實現(xiàn)設(shè)備的“事前診斷”，降低因設(shè)備故障造成的運營影響。

2.3 診斷策略的優(yōu)化原理

診斷策略主要是通過系統(tǒng)需求、軟件需求和具體實現(xiàn)方式來判別日志項的相關(guān)性，再按照相關(guān)性進行邏輯綜合診斷，判斷目標(biāo)條目信息的日志輸出是否符合預(yù)期。例如，“周期穩(wěn)定性”的診斷，在周期方式執(zhí)行的軟件中，軟件周期的穩(wěn)定性與控制精準(zhǔn)度、時間校核、失效判斷等息息相關(guān)，決定著軟件的運行質(zhì)量。在“周期穩(wěn)定性”的診斷策略中，軟件運行的“實際周期”，是通過對“本輪時間戳”減去“上輪時間戳”來實現(xiàn)的，然后再計算“實際周期”與“標(biāo)準(zhǔn)周期”的“偏差百分比”，當(dāng)“偏差百分比”超過閾值時則會進行維護提示。

在診斷策略中會用到各種各樣的“診斷閾值”，如測速電機的最大測速誤差、列車最大制動力、各種偏差閾值等。這些閾值的初始值一般來自設(shè)備性能參數(shù)或經(jīng)驗值，在實驗室和現(xiàn)場使用過程中還可使用深度學(xué)習(xí)的方法對診斷結(jié)果的合理性進行簡單標(biāo)定，從而實現(xiàn)閾值的自修正。這樣，隨著數(shù)據(jù)的積累和軟件運行時間的增長，閾值將日趨合理化，可有效地減少誤報和漏報。

3 案例分析

3.1 “在線診斷”應(yīng)用案例

3.1.1 走行過程中的緊急停車故障診斷

當(dāng)移動授權(quán)終端、站臺緊急停車按鈕被按下、列車定位丟失等情況下，VOBC會施加緊急制動(Emergency Brake，EB)。EB施加時，一方面會在司機屏幕上進行顯示，一方面會通過繼電器的方式向車輛輸出緊急制動。除了走行過程中出現(xiàn)異?？赡苁┘拥腅B，正常停車過程中也可能施加EB，如為了在無人折返換端時防止溜車施加的EB。同樣是EB，有設(shè)備正常情況也有設(shè)備異常情況，從狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備維護的角度出發(fā)，故障診斷與維護系統(tǒng)專門為走行過程中的EB原因內(nèi)置在線分析策略。

具體分析策略如下：如果上周期列車實時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中滿足“保護速度”大于0 km/h、本周期數(shù)據(jù)中的“保護速度”為0 km/h、“實際速度”大于0 km/h，并且有EB輸出等條件時，提取“EB錯誤碼”。從維護人員的角度出發(fā)，故障診斷與維護系統(tǒng)對含義明確的 “EB錯誤碼”進行直接報警，如“連續(xù)丟失2個應(yīng)答器”“連續(xù)通信超時”“累積退行超限”等。對“EB錯誤碼”含義籠統(tǒng)地進行了細(xì)分的策略分析，如車載設(shè)備給出的“超速”EB進行了以下判斷：如果 EB由于“超速”且駕駛模式為非自動駕駛模式時，系統(tǒng)則報警為“人工駕駛超速”。分析策略可以方便維護人員界定是設(shè)備原因還是人工操作原因造成的列車緊急制動。

3.1.2 應(yīng)答器通信故障診斷

應(yīng)答器是CBTC方式下列車定位的地面設(shè)備，分無源應(yīng)答器和有源應(yīng)答器，除提供定位外，有源應(yīng)答器還可向列車發(fā)送點式報文。當(dāng)本地電子單元與聯(lián)鎖通信故障時，有源應(yīng)答器發(fā)送本地電子單元默認(rèn)報文。當(dāng)應(yīng)答器與本地電子單元通信故障時，有源應(yīng)答器發(fā)送應(yīng)答器默認(rèn)報文。當(dāng)應(yīng)答器本身故障時，列車將無法收到正確的應(yīng)答器報文。在點式運行等級下，應(yīng)答器的本地電子單元與聯(lián)鎖通信中斷或有源應(yīng)答器與本地電子單元的通信中斷均可導(dǎo)致列車EB，故障現(xiàn)象較為明顯。但是，在連續(xù)式運行等級下，車載對有源應(yīng)答器僅使用定位功能，對報文內(nèi)容不再關(guān)注，應(yīng)答器通信故障也不會導(dǎo)致列車EB。然而，CBTC系統(tǒng)正常情況下均采用連續(xù)式運營等級運營，作為后備的點式運營等級使用較少，為保證點式功能的正常，故障診斷與維護系統(tǒng)專門在連續(xù)式下內(nèi)置應(yīng)答器通信故障的在線分析策略。

具體分析策略如下：如果當(dāng)前“運行等級”為連續(xù)式，本周期列車實時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中滿足“預(yù)期應(yīng)答器ID”發(fā)生變化、“預(yù)期應(yīng)答器ID”為有源應(yīng)答器、應(yīng)答器報文為紅燈報文等條件時，故障診斷與維護系統(tǒng)認(rèn)為該有源應(yīng)答器工作正常。否則，詳細(xì)分析報文內(nèi)容進行細(xì)節(jié)提示。如果是“本地電子單元默認(rèn)報文”，提示“本地電子單元與聯(lián)鎖通信故障”；如果是“應(yīng)答器默認(rèn)報文”，提示“本地電子單元與應(yīng)答器通信故障”。通過該應(yīng)答器通信的故障提示，可以有效保證點式后備方式的可用性。

3.2 “事前診斷”應(yīng)用案例

（1）無線通信單元故障診斷。CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng)，車地之間采用無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。軌旁無線覆蓋是由一個一個的“小區(qū)”構(gòu)成，在列車移動過程中，當(dāng)前方“小區(qū)”的信號強度超過當(dāng)前“小區(qū)”信號強度一定閾值后，車載設(shè)備將切換“小區(qū)”，使用前方“小區(qū)”進行通信。對于2個相鄰的固定“小區(qū)”，正常情況下，列車沿同一方向運行時的“小區(qū)”是在固定位置進行切換。但是，隨著軌旁無線通信單元的元器件老化，地面信號強度會減弱，隨之“小區(qū)”切換的位置也會因為信號強度的減弱而發(fā)生偏移。因此，臨近系統(tǒng)開通時，故障診斷與維護系統(tǒng)會對列車走行過程中的“小區(qū)”切換位置進行標(biāo)記，并在設(shè)備運行過程中，持續(xù)對各個切換位置進行比對，當(dāng)發(fā)現(xiàn)“小區(qū)”切換位置超過閾值時，即對維護人員進行提示，方便維護人員對無線通信單元進行“事前診斷”處理。

（2）應(yīng)答器及接收天線故障診斷。應(yīng)答器的發(fā)碼有一定的輻射范圍，同理，應(yīng)答器天線的接收也有一定的輻射范圍。當(dāng)應(yīng)答器或者應(yīng)答器天線老化時，該收發(fā)范圍會變小。只有在信號超過一定強度時，應(yīng)答器接收天線才能收到完整且正確的應(yīng)答器報文，否則會產(chǎn)生誤碼。在正常運營場景中，列車過某個固定應(yīng)答器的速度是基本固定的，因而應(yīng)答器天線收到的報文條目和誤碼率也是基本固定的。通過報文條目和誤碼率進行趨勢分析，當(dāng)固定速度下的報文條目減少且超過閾值，或誤碼率上升且超過閾值，則可認(rèn)為該應(yīng)答器進入了“浴盆曲線”的“損耗失效期”。而同一列車同一應(yīng)答器天線對所有應(yīng)答器接收的報文條目和誤碼率均發(fā)生異常時，則可認(rèn)為是該應(yīng)答器天線需要進行“事前診斷”處理。

4 結(jié)束語

隨著我國城市軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，列控設(shè)備自動化程度不斷提高，對設(shè)備故障的精確診斷和快速診斷提出更高要求。通過對研究故障診斷系統(tǒng)采用專業(yè)的故障診斷策略，一方面提高設(shè)備故障后的診斷精度，方便維護人員快速定位故障；另一方面對性能下降的設(shè)備進行“事前診斷”并提前更換，盡可能地降低設(shè)備故障對運營的影響，對于提高設(shè)備診斷效率、保障列車運輸安全具有重要意義。隨著設(shè)備運行時間的增長和診斷記錄的積累，故障診斷系統(tǒng)中采用的深度學(xué)習(xí)算法可將診斷策略不斷優(yōu)化，為城市軌道交通運輸提供更可靠的技術(shù)保障。