非侵入式車載ATC設(shè)備在線檢測運維系統(tǒng)方案設(shè)計

張小虎，李 博，鐘敏富

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330； 2.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; 3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081)

0 引言

目前，城市軌道交通中車載ATC設(shè)備的故障時有發(fā)生，可靠的故障診斷是降低系統(tǒng)故障率和故障影響的有效方式。既有的信號系統(tǒng)運維手段主要包含定期維修和故障維修，定期維修是以列車投入運營的時長為單位對列車信號系統(tǒng)進行檢修，排查故障隱患；故障維修是在列車信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障時對其進行維修，尋找故障原因[1]。通過在線監(jiān)測，并對故障進行預(yù)警的預(yù)防性維修是信號系統(tǒng)維護的發(fā)展方向。

既有的故障維修的主要方式是對車載ATC設(shè)備的行車日志進行分析，從中查找故障原因。但由于行車日志記錄信息的局限性，其中缺少設(shè)備實際輸入輸出和傳感器電氣工作狀態(tài)等信息，導(dǎo)致故障維修時部分故障無法準(zhǔn)確定位、責(zé)任無法劃分的情況[2]。為此，需要對車載ATC設(shè)備的實際輸入輸出和傳感器電氣工作狀態(tài)等信息進行采集，從而補全行車日志的監(jiān)測盲區(qū)，為故障診斷提供依據(jù)[3]。采集后的監(jiān)測信息與既有的行車日志整合并按照時間序列的形式進行存儲，經(jīng)過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)回傳至軌旁地面服務(wù)器，由地面服務(wù)器行車日志下載與數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進行解析、清洗、篩選和分析等操作，并對異常信息和故障進行預(yù)警。

1 研究背景

1.1 方案采集接口信號簡介

列車自動控制系統(tǒng)簡稱ATC系統(tǒng)，其中車載ATC設(shè)備是其關(guān)鍵的組成部分[4]。本方案采集的接口信號如下。

1.1.1 車輛至車載ATC輸入接口

1)司機鑰匙開關(guān)：位于司機駕駛控制臺上，司機鑰匙打到合時，繼電器接點導(dǎo)通；

2)車門關(guān)閉：當(dāng)列車所有門鎖閉時，車載ATC設(shè)備通過采集相應(yīng)繼電器信息獲取車門鎖閉信息，只有在所有車門鎖閉時，列車才能啟動；

1.1.2 車載ATC至車輛輸出接口

1)緊急制動請求：當(dāng)車載ATC設(shè)備檢測到需要緊急制動的情況時會輸出緊急制動命令控制列車緊急制動；

2)左/右門使能：門使能是控制車門開啟的前提，門使能繼電器接點導(dǎo)通時，按壓開車門按鈕或ATO給出開門指令后，相應(yīng)車門方可開啟；

3)開/關(guān)門命令：DC110V電壓輸出，在上升沿時有效，在ATO模式下且門使能有效時，控制車門開啟或關(guān)閉；

4)牽引制動命令：車載ATC設(shè)備控制車輛運行方向、牽引和制動力的大小；

5)按鈕輸出：司機駕駛臺上的有ATO啟動按鈕、車門旁路、模式升級、模式降級、自動折返及緊急制動按鈕，當(dāng)按鈕被按下時，繼電器接點導(dǎo)通。

1.1.3 傳感器等設(shè)備供電

1)速度傳感器：車頭、車尾在不同車軸安裝獨立的速度傳感器，單個速度傳感器一般有多路供電電源；

2)測速雷達：車頭、車尾分別安裝雷達傳感器，單個雷達傳感器有1路供電電源[5]；

車載ATC設(shè)備中子系統(tǒng)眾多，且系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，這就要求檢測設(shè)備具備較高的安全性和可靠性，在不引入新的風(fēng)險源且不影響既有系統(tǒng)功能的前提下進行檢測；同時ATC設(shè)備的復(fù)雜性也為故障診斷帶來了挑戰(zhàn)。

1.2 車載ATC設(shè)備典型故障概述

1)列車輸入輸出接口故障：

列車沖標(biāo)是一種常見故障，沖標(biāo)會導(dǎo)致站臺車門與站臺屏蔽門無法聯(lián)動開啟，影響行車效率；其故障原因從運維責(zé)任上主要劃分為信號故障和車輛故障兩種。從故障原因角度分析，信號系統(tǒng)中ATO牽引制動電流的實際輸出與理論輸出不一致會導(dǎo)致列車沖標(biāo)，車輛電制動與氣制動配合不合理也會導(dǎo)致列車沖標(biāo)。

因缺少車輛與信號設(shè)備之間的接口監(jiān)測，既有的信號維護中此類故障一般無法定位具體故障原因，故障責(zé)任也無法劃分[6]。因此，如果對ATO實際牽引制動輸出電流進行監(jiān)測，并與ATO數(shù)據(jù)報文中理論的輸出電流進行比較，就可以定位故障來源，從而劃分具體故障責(zé)任。同理對車門信息、開關(guān)按鈕等繼電器干接點電信號進行監(jiān)測，進而提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

2)傳感器等設(shè)備供電故障：

列車速度傳感器與測速雷達傳感器在正常工作時都有一定的正常工作電流范圍，當(dāng)設(shè)備故障或通道故障時，設(shè)備供電電流往往呈現(xiàn)異常，與正常供電電流之間存在較大偏差。因此可以對傳感器等設(shè)備的供電電流進行采集，通過計算與正常供電電路范圍的差值進行故障診斷。

2 車載信號設(shè)備在線檢測方案硬件設(shè)計

方案中的電信號采集傳感器采用非接觸測量的形式，并不會對既有車載ATC設(shè)備的安全及非安全功能造成影響，可以在維持設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)上對所需信息進行采集。采集后的電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后由主控單元MCU(Main Controller Unit)負責(zé)處理和存儲。在收集了既有ATC設(shè)備未監(jiān)測到的盲區(qū)信息之外，系統(tǒng)還對車載ATC其他子系統(tǒng)的日志進行收集和整理。無線通信單元用于提供實現(xiàn)行車日志自動收集的傳輸通道，傳輸后的日志存儲于地面服務(wù)器，由地面服務(wù)器進行整理和分析。方案總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線檢測方案總體架構(gòu)圖

2.1 非侵入式電流傳感器

車載信號設(shè)備屬于安全等級要求較高的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的接入式電信號采集方式多為串聯(lián)或并聯(lián)采集，在采集設(shè)備功能失效時會對被采集的信號及電路造成影響，引入了新的系統(tǒng)風(fēng)險源。而利用非接觸式電流傳感器實現(xiàn)的非侵入式電信號采集與被采集電路沒有電氣接觸，待測電流導(dǎo)線穿過傳感器線圈從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過測量感應(yīng)電動勢大小獲取待測電信號的大??；因而非侵入式電信號采集方式在安全性上有較大優(yōu)勢。由于被測信號多為毫安級別的小電流信號，系統(tǒng)采用在測量范圍和噪聲控制水平均表現(xiàn)優(yōu)異的磁通門電流傳感器[7]。

信號采集傳感器的工作原理為磁通門電流隔離測量技術(shù)，即利用磁芯的飽和現(xiàn)象實現(xiàn)被測磁場到電場的轉(zhuǎn)換，通過測量感應(yīng)電動勢的大小可以度量被測電流所產(chǎn)生的磁場大小[8]。當(dāng)被測電流經(jīng)由導(dǎo)線穿過環(huán)形磁芯時，根據(jù)安培環(huán)路定理可以得到磁芯中磁感應(yīng)強度為：

其中:B為磁感應(yīng)強度，I為被測電流大小，d為磁芯直徑。

由法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

其中:N為線圈導(dǎo)線匝數(shù)，S為橫截面積，B為磁感應(yīng)強度，t為時間[9]。

當(dāng)被測電流導(dǎo)線穿過傳感器時，傳感器的輸出電壓與被測電流滿足線性關(guān)系：

Vout=Ksensor*Iin

其中:Vout為傳感器輸出電壓，Ksensor為線性比例系數(shù)，Iin為待測電流。

2.2 在線采集系統(tǒng)

2.2.1 信號采集

對于毫安級別電信號的采集，磁通門傳感器的感應(yīng)電動勢輸出為0.2 V/mA，為了減小傳輸損耗以及電磁干擾的影響，需對感應(yīng)電動勢信號進行放大，放大后的電壓傳輸給模擬信號采集模塊。通過調(diào)節(jié)增益放大電路的負反饋電阻分壓器電阻比可以調(diào)節(jié)電路不同的放大倍數(shù)。經(jīng)過測試，放大電路的輸出電壓范圍為2.5～5 V。實際測量傳感器輸出信號、放大電路輸出信號與待測電流間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 信號采集方案測試結(jié)果圖

2.2.2 主控單元信息處理

主控單元MCU接收到采集后的電壓信息后進行數(shù)值邏輯處理，從而得出待測電流值的大?。?/p>

其中:Ix為待測電流大??；V為MCU接收到的放大電路輸出電壓；Kgain為放大電路放大倍數(shù)；Vref為參考電壓，本方案中Vref=2.5V；Ksensor為傳感器感應(yīng)電動勢輸出和待測電流的比值。計算出待測電流大小后，根據(jù)信號有效電流大小得出該路信號的邏輯值，并將邏輯信息與既有行車日志整合存儲。

在硬件架構(gòu)方面，主控單元MCU分別與串口調(diào)試模塊、以太網(wǎng)通信模塊和存儲單元相連。其中以太網(wǎng)通信模塊是從其他子系統(tǒng)中收集既有行車日志的通道。

串口調(diào)試模塊可以實現(xiàn)軟件開發(fā)、功能測試、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽ㄟ^RS232接口與計算機相連。同時串行調(diào)試模塊還可以作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆媒涌趯崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的人工讀取。存儲單元與主控單元MCU相連用于存儲MCU的信息數(shù)據(jù)，信息數(shù)據(jù)包括監(jiān)測信息和既有行車數(shù)據(jù)。

2.2.3 車地?zé)o線通信

為了實現(xiàn)對車載設(shè)備的在線檢測，需將采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送至地面服務(wù)器進行存儲和分析，即需構(gòu)建用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)能嚨責(zé)o線傳輸系統(tǒng)[10]。新建無線通信網(wǎng)絡(luò)會增加系統(tǒng)構(gòu)建成本，也會對既有的無線通信系統(tǒng)造成干擾。為此，方案采用既有信號系統(tǒng)的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，既有無線通信網(wǎng)絡(luò)由軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)和車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)為地面服務(wù)器提供接入數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)彼此雙向通信。既有無線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬滿足同時傳輸行車數(shù)據(jù)及原始車地通信需求，與新建通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨赶啾仍趯嵱眯耘c便利性方面有較大優(yōu)勢。

在線采集系統(tǒng)將采集后的信息與既有的行車日志整合，將整合后的行車日志按照數(shù)據(jù)報文的形式實時發(fā)送給列車無線單元(TRU, train radio unit)，通信方式為UDP(user datagram protocol)通信。TRU將數(shù)據(jù)報文傳輸給地面AP(access point)，經(jīng)由無線控制器和網(wǎng)絡(luò)交換機，通過軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)送發(fā)地面服務(wù)器，由地面服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理。

3 車載信號設(shè)備在線檢測方案軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 軟件邏輯設(shè)計

地面服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)報文后，首先對數(shù)據(jù)進行清洗、規(guī)整和分類。之后按照既定的數(shù)據(jù)分析原則對行車數(shù)據(jù)進行無線通信系統(tǒng)、應(yīng)答器、速度傳感器、測速雷達、ATP(automatic train protection)設(shè)備板卡、車輛接口等不同種類信息進行分析，從中篩選異常信息。軟件處理邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3 地面服務(wù)器行車日志下載與數(shù)據(jù)分析軟件處理邏輯圖

1)無線通信系統(tǒng)異常分析：

通過遍歷車載TRU與軌旁AP的連接狀態(tài)可以得出無線通信連接斷開的異常時刻；同時建立基于公里標(biāo)的場強分布電子地圖，計算實際信號場強與理論場強之前的差值實時監(jiān)測無線設(shè)備場強，如果出現(xiàn)突變或者偏差超過閾值則進行報警，分析原理如圖4所示。

其中:WRSSI為無線設(shè)備實際場強，Wwarning為場強預(yù)警閾值。

圖4 無線通信系統(tǒng)異常分析原理示意圖

2)應(yīng)答器異常分析：

對于不會引起車載ATC設(shè)備的應(yīng)答器隱性故障，可通過挖掘ATP日志，遍歷出丟失的無源應(yīng)答器以及失效的主信號應(yīng)答器實現(xiàn)診斷。在連續(xù)式控制模式下，車載列車控制系統(tǒng)從車地?zé)o線通道獲取移動授權(quán)，地面主信號應(yīng)答器的信息在該模式下不參與列車授權(quán)計算[11]。如果此時出現(xiàn)主信號應(yīng)答器故障，列車控制系統(tǒng)不會產(chǎn)生緊急制動，列車保持正常運行。但是在點式控制模式下，主應(yīng)答器故障將導(dǎo)致列車產(chǎn)生緊急制動，造成列車停車、降級。無源應(yīng)答器的隱性故障表現(xiàn)在單個無源應(yīng)答器的丟失，至少連續(xù)兩個無源應(yīng)答器丟失才會導(dǎo)致列車緊急制動，故丟失單一應(yīng)答器不會產(chǎn)生緊急制動，列車保持正常運行。此外，通過行車日志的多車橫向比較與單列車縱向比較可以定位丟失應(yīng)答器的原因是由BTM(balise transceiver module)故障導(dǎo)致還是由應(yīng)答器故障導(dǎo)致。

3)速度傳感器與測速雷達異常分析：

分析速度傳感器與測速雷達信號供電電流，計算實際電流信號與正常電流信號之間的偏差，可以判斷速度傳感器與測速雷達通道工作是否正常，從而對速度傳感器和測速雷達的故障進行預(yù)警，并定位系統(tǒng)故障；通過計算行車日志中的固定應(yīng)答器間距與實際走行距離誤差百分比，可以量化速度傳感器與測速雷達的測量精度，以此確定傳感器與雷達的性能下降幅度并預(yù)警；利用速度傳感器多通道間脈沖值差比較，可以診斷出單個傳感器通道的偶發(fā)脈沖丟失故障，同時可以得到丟失脈沖的個數(shù)。

選取兩個固定應(yīng)答器間速度傳感器或雷達走行距離，對應(yīng)答器間距與走行距離差值百分比進行閾值判斷。預(yù)警策略可表示為：

其中:xOPG/Radar為速度傳感器或測速雷達走行的距離，Xwarning為報警閾值，Xfault為報警閾值。

4)ATP板卡間通信異常分析：

分析行車日志中板卡通信時間戳，可以對板卡的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，當(dāng)通信延時到達故障時間戳間隔判斷閾值時，對故障進行預(yù)警。通過這種策略可以在板卡工作通信異?；蜉斎胼敵霎惓r進行預(yù)警，分析原理如圖5所示。

圖5 ATP板卡間通信異常分析原理示意圖

5)車輛接口異常分析：

對檢測的車輛接口信息進行分析，通過與報文中解析出的理論輸出相比較，計算接口輸出是否存在偏差從而劃分信號與車輛的責(zé)任；監(jiān)測輸入的電源信息，在供電異常時進行預(yù)警；實時采集車輛接口信息，如果出現(xiàn)輸出信號異常抖動則進行報警；實時統(tǒng)計ATO日志中的對標(biāo)精度，如果出現(xiàn)不符合性能模型的數(shù)據(jù)，則進行報警。車輛接口預(yù)警分析原理如圖6所示。

圖6 車輛接口預(yù)警分析原理示意圖

從列車對標(biāo)數(shù)據(jù)中建立列車對標(biāo)精度分布模型，分布模型從統(tǒng)計學(xué)角度反映了列車精準(zhǔn)停車性能。當(dāng)出現(xiàn)對標(biāo)精度分布與模型差別較大時，向運維人員預(yù)警，提示運維人員對列車進行檢修。

3.2 軟件功能實現(xiàn)

地面服務(wù)器行車日志下載與數(shù)據(jù)分析軟件為數(shù)據(jù)分析提供AP場強分布電子地圖、輪徑值、雷達因子、應(yīng)答器電子地圖和軟件運行參數(shù)等信息，同時可以對分析策略進行實時編輯，以進行不同模式的數(shù)據(jù)分析。同時軟件還可以實時查看列車狀態(tài)信息。軟件界面如圖7所示，軟件分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 地面服務(wù)器數(shù)據(jù)分析軟件界面

圖8 地面服務(wù)器分析結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一種非侵入式車載信號設(shè)備在線檢測運維系統(tǒng)方案，方案利用非接觸式的磁通門傳感器對車載ATC設(shè)備的實際輸入輸出和傳感器電氣工作狀態(tài)等信息進行監(jiān)測，在不影響系統(tǒng)可靠性的前提下，測量精度滿足要求；利用既有無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車地行車數(shù)據(jù)實時傳輸，為軌旁分析提供數(shù)據(jù)，也為列車行車日志下載提供了經(jīng)濟便捷的解決方案；行車日志下載與數(shù)據(jù)分析軟件對整合監(jiān)測信息的行車日志進行分析，從中篩選異常信息進而監(jiān)測各子系統(tǒng)服役狀態(tài)，并在設(shè)備性能下降時進行預(yù)警。本文所提出的在線監(jiān)測辦法、車地通信實現(xiàn)辦法及軌旁軟件分析決策辦法都能對提升既有的信號系統(tǒng)運維效能提供參考和借鑒。