重載機(jī)車車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控方案研究*

王 兢，吳 頔，潘勇卓，黃志平，王隆龍

(北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094)

重載機(jī)車多采用貨車前后不固定靈活編組的方式進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用。由于外部原因(供電，設(shè)備隔離)或者設(shè)備自身故障原因，導(dǎo)致車輛狀態(tài)進(jìn)入異常，為滿足對(duì)運(yùn)行重載機(jī)車動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控、提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持和故障應(yīng)急指導(dǎo)并即時(shí)組織維修的實(shí)際運(yùn)用需求，需要對(duì)機(jī)車車輛的安全狀態(tài)與故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控。研制適用于重載機(jī)車車輛的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，解決重載機(jī)車無(wú)定制車輛檢修監(jiān)控系統(tǒng)的問(wèn)題。分析重載機(jī)車管理檢修運(yùn)用需求，車載主機(jī)將機(jī)車運(yùn)行途中的重要信息進(jìn)行記錄，并實(shí)時(shí)發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)，形成地面與車輛聯(lián)動(dòng)，保證地面車輛專業(yè)人員第一時(shí)間掌握車輛狀態(tài)并節(jié)約檢修和維護(hù)時(shí)間，盯控突發(fā)重點(diǎn)問(wèn)題。

1 機(jī)車狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控方案配置

基于網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)車列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用WTB列車級(jí)總線，車輛內(nèi)部采用MVB車輛級(jí)總線[1]。各子系統(tǒng)通過(guò)車輛級(jí)數(shù)據(jù)總線傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。車輛整車以太網(wǎng)采用星型拓?fù)?，傳輸速率?00 Mbit/s。每節(jié)車輛設(shè)有以太網(wǎng)交換機(jī)，其中無(wú)線傳輸裝置連接到本節(jié)車交換機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集裝置安裝于機(jī)車端車電氣柜內(nèi)，即每列車配置2臺(tái)主機(jī)分別與以太網(wǎng)交換機(jī)連接，并接入MVB網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線裝置安裝于機(jī)車端車電氣柜內(nèi)，即每列配置2臺(tái)主機(jī)分別與以太網(wǎng)交換機(jī)連接。重載機(jī)車數(shù)據(jù)記錄儀和無(wú)線傳輸裝置采用小型模塊化設(shè)計(jì)，既能滿足機(jī)車設(shè)備安裝空間小的要求，又能將設(shè)備自身防塵性能提高從而延長(zhǎng)維修周期。數(shù)據(jù)記錄儀軟件功能成熟安全可靠。無(wú)線傳輸裝置可適應(yīng)多變需求單獨(dú)進(jìn)行軟件升級(jí)維護(hù)。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1。

圖1 機(jī)車狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控原理框圖

車輛TCN控制網(wǎng)絡(luò)與車輛以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)相互隔離，數(shù)據(jù)多路傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既能保證控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性又能滿足大量維護(hù)數(shù)據(jù)及診斷數(shù)據(jù)的傳輸匯總進(jìn)而傳輸?shù)降孛鎸＜蚁到y(tǒng)。不同的系統(tǒng)間數(shù)據(jù)和同一系統(tǒng)間不同設(shè)備都可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行診斷和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)TRDP協(xié)議和交換機(jī)本身的管理策略即保證維護(hù)以太網(wǎng)的可靠傳輸又可限制異常數(shù)據(jù)交換對(duì)行車功能的影響。

數(shù)據(jù)記錄儀ERM采用低功耗ARM平臺(tái)通過(guò)接入車輛級(jí)總線實(shí)時(shí)采集并周期性存儲(chǔ)MVB數(shù)據(jù)。ERM硬件采用雙核處理器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過(guò)與機(jī)殼特殊接觸處理保證良好散熱，可實(shí)現(xiàn)最小周期16 ms穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)。ERM硬件在保證可靠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)加載MVB網(wǎng)卡的前提下整機(jī)一體化設(shè)計(jì)無(wú)飛線連接驅(qū)動(dòng)外設(shè)。鑒于重載機(jī)車工作溫度高，煙塵較多，電磁環(huán)境復(fù)雜等環(huán)境因素ERM硬件設(shè)計(jì)滿足高可靠性和高抗干擾等級(jí)。ERM在軟件支持上可快速加載QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)MVB網(wǎng)卡并同時(shí)支持TRDP以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。

無(wú)線傳輸裝置采用以太網(wǎng)技術(shù)、GSM無(wú)線傳輸技術(shù)、WLAN無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)BDSGPS功能模塊獲取列車位置信息，GPS定位精度為10米級(jí)。通過(guò)4G/GPRS發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，符合TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。若車站或車輛段具備WLAN無(wú)線覆蓋，通過(guò)WLAN實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接地面AP并下載存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。WTD硬件采用壁掛式，通過(guò)后法蘭固定孔安裝，鋁制密閉金屬外殼，防塵、防腐、抗振動(dòng)。

數(shù)據(jù)記錄儀ERM通過(guò)接入車輛級(jí)總線實(shí)時(shí)采集并周期性存儲(chǔ)MVB數(shù)據(jù)。ERM通過(guò)診斷程序?qū)崟r(shí)自診斷整車車輛故障并存儲(chǔ)。根據(jù)地面展示的需要，不同類型數(shù)據(jù)所需要刷新頻率不同。車輛可靈活配置ERM發(fā)送不同類型數(shù)據(jù)的周期以匹配需求。ERM通過(guò)整車以太網(wǎng)交換機(jī)與無(wú)線傳輸裝置進(jìn)行以太網(wǎng)通信，二者通過(guò)TRDP實(shí)時(shí)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)同步。無(wú)線傳輸裝置接收到更新的數(shù)據(jù)后，通過(guò)4G模塊將車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下發(fā)到地面服務(wù)器。

重載機(jī)車需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔⒖偨Y(jié)分為動(dòng)態(tài)位置跟蹤信息、基本狀態(tài)信息和故障信息。

動(dòng)態(tài)位置跟蹤信息主要包括運(yùn)行機(jī)車的準(zhǔn)確位置，如經(jīng)緯度或線路公里標(biāo)；基本狀態(tài)信息主要有：速度、車重、掛載數(shù)量、牽引狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)、軸溫溫度等安全相關(guān)信息，以及空調(diào)、IO狀態(tài)信息等；故障信息主要是在車載網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)?、可獲取的故障事件以及其相關(guān)環(huán)境參數(shù)，用于故障發(fā)生后支持車載故障的診斷、分析、排除及機(jī)車檢修。

地面服務(wù)器通過(guò)不同車型定義的接收數(shù)據(jù)線程進(jìn)行數(shù)據(jù)分類接收。地面定制解析程序根據(jù)唯一確定的車型解析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照不同的列號(hào)、車號(hào)、數(shù)據(jù)類型等條件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)錄入。數(shù)據(jù)在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)供前端網(wǎng)站頁(yè)面展示調(diào)取。監(jiān)控網(wǎng)站按照車輛拓?fù)浼熬幗M信息實(shí)時(shí)顯示車輛狀態(tài)信息和故障信息。其中地圖定位頁(yè)面顯示列車車號(hào)、定位列車位置及運(yùn)行情況。此外車輛的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)可在監(jiān)控網(wǎng)站進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。

在地面系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前預(yù)警項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行梳理，找出可以指導(dǎo)檢修的項(xiàng)點(diǎn)，例如可根據(jù)軸溫預(yù)警次數(shù)安排排查軸承故障作業(yè)等，并可進(jìn)行細(xì)化。 同時(shí)面向不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)故障代碼進(jìn)行分類分級(jí)、組合(如檢修關(guān)注的故障代碼，調(diào)度關(guān)注的故障代碼等等)。

針對(duì)部件物理特性，明確所需的數(shù)據(jù)傳輸頻率(如軸溫十秒級(jí)，網(wǎng)壓毫秒級(jí))，為部件狀態(tài)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。 后續(xù)可整理數(shù)據(jù)可視化需求,梳理目前地面專家系統(tǒng)分析車組狀態(tài)常用的方法，由監(jiān)控系統(tǒng)給出更直觀便利的展示頁(yè)面。

2 機(jī)車狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控頁(yè)面

2.1 機(jī)車故障實(shí)時(shí)監(jiān)控(見(jiàn)圖2)

圖2 機(jī)車故障監(jiān)控頁(yè)面

地面系統(tǒng)通過(guò)機(jī)車故障數(shù)據(jù)特定位置編碼識(shí)別數(shù)據(jù)類型。地面解析系統(tǒng)解析故障數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分類至數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)故障表。前端頁(yè)面讀取故障數(shù)據(jù)并按照解析規(guī)則解析顯示。故障展示內(nèi)容包括基本故障元素如：故障代碼、故障名稱、故障系統(tǒng)、故障等級(jí)、故障時(shí)間。

地面系統(tǒng)通過(guò)聲音報(bào)警和閃爍報(bào)警提示車輛監(jiān)控人員發(fā)生嚴(yán)重故障。車輛相關(guān)人員可以根據(jù)部分參數(shù)信息和調(diào)度與司機(jī)的反饋信息提前做出初步診斷，根據(jù)故障發(fā)生的系統(tǒng)進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)間和場(chǎng)地安排，提高檢修維護(hù)效率。

2.2 機(jī)車故障歷史導(dǎo)出(見(jiàn)圖3)

圖3 機(jī)車歷史故障導(dǎo)出頁(yè)面

機(jī)車故障歷史故障查詢功能可供維護(hù)及監(jiān)控人員查詢統(tǒng)計(jì)并導(dǎo)出歷史故障。在輸入欄選擇相應(yīng)的車號(hào)和時(shí)間范圍并加入某些限制條件后可查詢到檢索的故障。故障可按照系統(tǒng)分類，也可按照優(yōu)先級(jí)篩選。歷史故障統(tǒng)計(jì)可指導(dǎo)可靠性工程師進(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性分析。按照時(shí)間統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)某個(gè)系統(tǒng)故障發(fā)生的次數(shù)。系統(tǒng)發(fā)生故障同一時(shí)刻部分環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計(jì)也可幫助工程師掌握故障時(shí)刻運(yùn)用環(huán)境。

2.3 機(jī)車參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控(見(jiàn)圖4)

圖4 機(jī)車參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面

機(jī)車參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)特定位置編碼識(shí)別數(shù)據(jù)類型。地面解析系統(tǒng)解析參數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分類至數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)參數(shù)表。前端頁(yè)面讀取參數(shù)數(shù)據(jù)并按照解析規(guī)則解析顯示。參數(shù)展示內(nèi)容包括車輛基本狀態(tài)：速度、軸溫、制動(dòng)缸壓力、車質(zhì)量、主斷狀態(tài)、受電弓狀態(tài)、手柄級(jí)位等等。地面機(jī)車維護(hù)人員可在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)控。故障發(fā)生后維護(hù)人員可參考參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程分析車輛狀態(tài)。

2.4 機(jī)車參數(shù)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)輸入列車參數(shù)和時(shí)間范圍可繪制出此變量的走勢(shì)圖。地面維護(hù)人員可在故障發(fā)生后，追蹤故障相關(guān)變量的數(shù)值，為故障分析定位提供一定依據(jù)。

圖5 機(jī)車參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)出頁(yè)面

2.5 機(jī)車參數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)警

預(yù)警功能可根據(jù)客戶需求專門(mén)設(shè)計(jì)。例如根據(jù)機(jī)車軸溫溫度設(shè)計(jì)預(yù)警條件，當(dāng)軸溫?cái)?shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)系統(tǒng)提示軸溫超限預(yù)警信息。此時(shí)地面監(jiān)控和檢修人員可根據(jù)數(shù)據(jù)歷史信息安排后續(xù)檢修計(jì)劃。此功能可提前預(yù)報(bào)軸溫超限故障，達(dá)到預(yù)防修的要求。

2.6 機(jī)車關(guān)鍵信息查詢統(tǒng)計(jì)

根據(jù)車輛信息統(tǒng)計(jì)需求可定制傳輸規(guī)范將車輛關(guān)鍵信息傳輸?shù)降孛鎱R總和計(jì)算，如走行里程涉及到車輛修程，車輛走行故障多發(fā)區(qū)段是否可為線路故障排查提供參考，不同線路間的故障對(duì)比能否為后續(xù)線路設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供輸入等等。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出一種重載機(jī)車車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控方案，豐富了機(jī)車車輛車地通訊方式，數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)和地面發(fā)送機(jī)制的一致性為后續(xù)故障定位分析提供可靠支持。車載設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)TRDP同步轉(zhuǎn)發(fā)提升了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。此方案增加單獨(dú)車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)手段及維護(hù)工具，提高了機(jī)車車輛安全性，可靠性，可用性和可維修性。