城市軌道交通智能運維車載子系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

彭俊瑋，蔣國濤，文 林

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》于2020年3月12日正式發(fā)布實施，其將智慧城市軌道交通（簡稱“城軌”）建設(shè)作為交通強國建設(shè)的戰(zhàn)略突破口、智慧城市建設(shè)的先導(dǎo)工程、城軌高質(zhì)量發(fā)展的主要抓手和城軌行業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展的重要平臺[1]。智能運維作為智慧城軌建設(shè)下的一項關(guān)鍵課題，是推進(jìn)城軌信息化、智能化、智慧化且有效確保城市軌道交通安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)地運營[2]的重要舉措之一。

近10年來，我國城軌發(fā)展迅速，在大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信及人工智能等技術(shù)逐漸成熟并在各行各業(yè)擁有良好應(yīng)用基礎(chǔ)的大背景下，智能運維已經(jīng)逐步走上深入發(fā)展、推廣運用的“快車道”。其在信息化方面有著更好的基礎(chǔ)和更高的要求，從最開始的京、滬、穗等城市[1]先行進(jìn)行智能運維相關(guān)科學(xué)研究和示范應(yīng)用，到近幾年智能運維系統(tǒng)幾乎成為所有新建城軌的標(biāo)配，且諸多城市對既有城軌線路也有著改造并加裝智能運維系統(tǒng)的迫切需求。由于各地城軌建設(shè)所處區(qū)域的政治、經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)境不同，城軌智能運維系統(tǒng)呈現(xiàn)多樣性和地域性的特征。為了使智能運維車載子系統(tǒng)具備對既有系統(tǒng)的高兼容性、對潛在需求的高擴(kuò)展性、對不同環(huán)境的高適應(yīng)性，從系統(tǒng)到部件及器件必須采用平臺化和模塊化的設(shè)計思路并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況及人員使用習(xí)慣對運維管理模式、系統(tǒng)運行環(huán)境等進(jìn)行差異化設(shè)計。

國內(nèi)，目前智能運維車載子系統(tǒng)已普遍具備車載數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)在途無線傳輸、庫內(nèi)離線文件批量轉(zhuǎn)儲及數(shù)據(jù)安全方面的功能，并進(jìn)行了深度應(yīng)用；同時在5G和WiFi6等新興無線通信技術(shù)、壽命預(yù)測和故障預(yù)警等故障預(yù)測和健康管理（prognostics health management, PHM）技術(shù)、流媒體數(shù)據(jù)采集處理、離線數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等方面也進(jìn)行了深入研究與探索，并在諸多項目中實現(xiàn)了批量裝車。國外，阿爾斯通、西門子等公司在列車狀態(tài)預(yù)測修、壽命檢測與管理等方面已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品與服務(wù)。

本文主要針對智能運維車載子系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)功能、典型應(yīng)用等進(jìn)行了相關(guān)闡述，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 系統(tǒng)需求分析

智能運維車載子系統(tǒng)從系統(tǒng)架構(gòu)層面考慮，需要配置智能運維車載天饋系統(tǒng)(簡稱“天饋系統(tǒng)”)、智能運維車載平臺裝置(簡稱“車載裝置”)和智能運維列車網(wǎng)絡(luò)(簡稱“列車運維網(wǎng)”)。其中，天饋系統(tǒng)用于實現(xiàn)上、下行數(shù)據(jù)傳輸；車載裝置用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和相關(guān)智能化場景的應(yīng)用；列車運維網(wǎng)承載多種通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)，為車載裝置與列車各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸建立物理通道，如以太網(wǎng)、多功能列車總線 (multifunction vehicle bus, MVB)及 CAN總線等等，從而實現(xiàn)與列車各子系統(tǒng)的信息交互。

從功能層面上分析,智能運維車載子系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析計算、數(shù)據(jù)存儲和傳輸、邊界安全防護(hù)及人機(jī)接口等功能，且需要滿足但不限于以下要求：

（1）天饋系統(tǒng)

天饋系統(tǒng)應(yīng)配置高性能全向天線或定向天線，以實現(xiàn)對公網(wǎng)和專網(wǎng)頻段的覆蓋；同時支持多頻段的合路器，將移動通信頻段和WLAN頻段進(jìn)行合路。

（2）車載裝置

數(shù)據(jù)采集，涉及列車控制與管理系統(tǒng)(train control and management system, TCMS)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵三方子系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)和音視頻流媒體數(shù)據(jù)。不同線路的列車的不同子系統(tǒng)存在著不同的數(shù)據(jù)通信接口，所以車載裝置需要支持不同通信接口的兼容，包括硬件層面的電氣接口和軟件層面的協(xié)議棧等的支持，主要的通信接口包括以太網(wǎng)、MVB，HDLC，RS485/RS422，CAN及DIO等通信接口。

數(shù)據(jù)處理，需要配置高性能中央處理單元，具備對采集數(shù)據(jù)的處理、傳輸及存儲等功能，可高效實現(xiàn)智能化相關(guān)應(yīng)用。

數(shù)據(jù)傳輸，需要配置3G/4G/5G模塊、WLAN模塊等通信模塊，完成車地數(shù)據(jù)快速交互和轉(zhuǎn)儲。

定位授時，需要配置GPS/BD模塊，實現(xiàn)列車的定位和授時。

網(wǎng)絡(luò)安全，需要配置防火墻模塊，實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的安全隔離與防護(hù)。

數(shù)據(jù)存儲，需要配置大容量、穩(wěn)定、可靠的存儲介質(zhì)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長時間存儲。

電源，需滿足110 V電源輸入和5 V/24 V電源輸出要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

智能運維車載子系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，車載裝置通過列車運維網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的采集，涉及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、牽引傳動系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（passenger information system, PIS）及空調(diào)系統(tǒng)等。針對采集的數(shù)據(jù)，車載裝置進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理并完成上層應(yīng)用功能(如狀態(tài)監(jiān)控、事件識別、故障診斷、故障預(yù)警、應(yīng)急處置、專家診斷及壽命預(yù)測等)，同時車載平臺裝置通過天饋系統(tǒng)完成車地之間的互聯(lián)互通。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.1 車載裝置設(shè)計

車載裝置的設(shè)計需要采用模塊化和平臺化的思路，以支持業(yè)務(wù)模塊的增加和刪減，既要支持復(fù)雜場景下的高級業(yè)務(wù)場景和功能需求以及個性化延伸，也需要支持基本功能的應(yīng)用。圖2示出中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司(簡稱“株洲所”)研制的一種車載裝置。其采用模塊化、集成化的機(jī)箱式設(shè)計，背板采用總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，電源板支持110 V輸入和 DC 5 V, DC 24 V 輸出，不僅擁有主控電路板（簡稱“板”）、無線通信板、以太網(wǎng)交換板、防火墻板、PHM板、大容量存儲板和 MVB通信板，還支持CAN通信板、DIO通信板等眾多擴(kuò)展板卡，同時可提供靈活多變的配置方案以適應(yīng)各種業(yè)務(wù)場景的功能需求。其中主控板主要完成相關(guān)基礎(chǔ)應(yīng)用功能的實現(xiàn)；無線通信板支持3G/4G/5G/WLAN的無線通信及GPS/BD的衛(wèi)星定位功能；以太網(wǎng)交換板提供 100 Mb/s, 1 000 Mb/s帶寬的數(shù)據(jù)交換，并支持速率、全雙工/半雙工、線序(MDI/MDIX)的自適應(yīng)和強制模式；防火墻板實現(xiàn)邊界防護(hù)和網(wǎng)絡(luò)安全隔離；PHM板主要實現(xiàn)對關(guān)鍵部件的故障預(yù)警、專家診斷、壽命預(yù)測等對算力要求較高的功能應(yīng)用；大容量存儲板采用工業(yè)固態(tài)硬盤并支持TB級的數(shù)據(jù)存儲。

圖2 車載裝置Fig.2 On board device

2.2 天饋系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計天饋系統(tǒng)時要考慮 3G, 4G, 5G, LTE, WLAN及專網(wǎng)(如LET-R/5G專網(wǎng))的頻段要求，不僅需要支持國內(nèi)運營商的制式需求，同時還需考慮歐美、亞洲、南美及非洲等地區(qū)的主要運營商移動制式。對于不同的應(yīng)用場景，所需配置存在諸多不同，如只需要移動公網(wǎng)或WLAN需求的，可以不用配置合路器，車載裝置通過對應(yīng)接口直接與天線通信接口連接即可；對于移動5G公網(wǎng)通信，基于MIMO技術(shù)基礎(chǔ)，5G天線需要2, 4, 8根饋線不等；對于5G專網(wǎng)，則需要定制天線及配套地面基站才能實現(xiàn)車地通信。

2.3 列車運維網(wǎng)設(shè)計

列車運維網(wǎng)通常是對既有列車通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)用或加裝一套列車網(wǎng)絡(luò)或兩者結(jié)合的方式進(jìn)行方案設(shè)計，所以列車運維網(wǎng)通常是一種異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)，存在著以太網(wǎng)、MVB總線和CAN總線等多種網(wǎng)絡(luò)。圖3示出一種較為常見的以太網(wǎng)和MVB網(wǎng)的組合方式。其中，MVB網(wǎng)絡(luò)為傳統(tǒng)型的列車通信網(wǎng)絡(luò)(train communication network, TCN)，車載裝置可以通過相應(yīng)的MVB接口直接接入MVB網(wǎng)，完成控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集；以太網(wǎng)為既有的維護(hù)網(wǎng)，如果沒有維護(hù)網(wǎng)，則需要通過加裝的方式實現(xiàn)，每個車廂內(nèi)配置一臺二層交換機(jī)，構(gòu)成維護(hù)以太網(wǎng)中的節(jié)點設(shè)備單元，對于單個車廂內(nèi)采用星型結(jié)構(gòu)，各個子系統(tǒng)，如牽引、走行、空調(diào)、門控等子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)線與本車廂二層交換機(jī)相連；車廂與車廂之間各節(jié)點二層交換機(jī)設(shè)備一般采用環(huán)型網(wǎng)或鏈路聚合網(wǎng)構(gòu)成列車骨干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

圖3 MVB和以太網(wǎng)結(jié)合的運維網(wǎng)Fig.3 MVB and Ethernet combined operation and maintenance network

3 關(guān)鍵技術(shù)

智能運維車載子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、故障預(yù)測與健康管理技術(shù)、多信息融合技術(shù)及圖像識別技術(shù)等。

3.1 無線通信技術(shù)

無線通信技術(shù)是車地通信的關(guān)鍵所在，其實現(xiàn)了車輛與地面的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離實時傳輸及雙向數(shù)據(jù)通信。目前城市軌道交通使用的無線通信技術(shù)主要包括公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)(2G/3G/4G)、無線局域網(wǎng)（WLAN）及專用網(wǎng)絡(luò)（LTE-R）。

公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，便于復(fù)用，無需對線路、段內(nèi)進(jìn)行基站建設(shè)等工作。對于老舊線路加裝改造，采用公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)較為便捷，可以實現(xiàn)信息化的快速轉(zhuǎn)型。

WLAN網(wǎng)通常被部署在段內(nèi)或站內(nèi)，其基于IEEE 802.11 b/g/n 或以上標(biāo)準(zhǔn)，且支持 2.4 GHz或 5.8 GHz雙波覆蓋，主要用于實現(xiàn)離線文件的車地轉(zhuǎn)儲。

LTE-R網(wǎng)絡(luò)不僅支持GSM-R互聯(lián)互通，同時可承載列控、列調(diào)、PIS系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)（closed circuit television, CCTV）等眾多軌道交通業(yè)務(wù)。LTE-R網(wǎng)絡(luò)減少了基站控制器(base station controller，BSC)等中間網(wǎng)元環(huán)節(jié)，從而減少了通信流中信令的交互過程，降低了延時，提高了通信的穩(wěn)定性[3]。

5G技術(shù)作為新一代無線通信技術(shù)，增加了頻譜效率。其一方面在原有帶寬下提供了更高的通信速率；另一方面，采用更高的頻段能夠緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)況，實現(xiàn)高速、短距離通信[4]。軌道交通領(lǐng)域目前5G技術(shù)的應(yīng)用還處于初級發(fā)展階段，所采用的方式主要有移動公網(wǎng)5G通信和專網(wǎng)5G通信兩種方式，其千兆級別的傳輸速率和微秒級別的空中接口延時性能，不僅可以實現(xiàn)列車實時數(shù)據(jù)、視頻流等數(shù)據(jù)的高密度穩(wěn)定傳輸，而且可以對列車離線文件實現(xiàn)車地高速無線轉(zhuǎn)儲。

3.2 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

列車網(wǎng)絡(luò)安全是一個系統(tǒng)性的工作，無法靠單一設(shè)備實現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)安全。作為列車的邊界設(shè)備，車載裝置主要通過加密技術(shù)、防火墻技術(shù)等手段保護(hù)列車信息安全，實現(xiàn)邊界防護(hù)和訪問控制等功能。

加密技術(shù)主要分為對稱加密、非對稱加密和不可逆加密3種方式，用于數(shù)據(jù)安全保護(hù)、身份識別及接入認(rèn)證等，以避免數(shù)據(jù)的泄露、非法監(jiān)聽及篡改等。列車的網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證、身份識別通常采用非對稱加密和不可逆加密方式；而對于實時數(shù)據(jù)的傳輸，則采用對稱加密方式。

防火墻技術(shù)主要包括基于五元組的包過濾、防攻擊掃描、深度報文解析、安全審計、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（network address translation, NAT）以及虛擬專用網(wǎng)絡(luò) (virtual private network,VPN)等技術(shù)，實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的安全隔離，保護(hù)列車網(wǎng)絡(luò)。

3.3 故障預(yù)測與健康管理技術(shù)

列車故障預(yù)測與健康管理(PHM)[5-6]是利用先進(jìn)傳感器進(jìn)行各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，借助數(shù)據(jù)挖掘、特征提取、模型推理、深度融合等軟件技術(shù)手段實現(xiàn)列車故障診斷、故障預(yù)測及壽命預(yù)測等功能，從而提升檢修效率，降低人車比和檢修維護(hù)成本。車載PHM主要針對實時性要求較高的場景，其充分利用邊緣節(jié)點的天然分布式特點進(jìn)行實時檢測和診斷預(yù)警，從而可以更好地保證列車的行車安全。

3.4 多信息融合技術(shù)

通過車載裝置可以采集到列車各個子系統(tǒng)基本狀態(tài)、控制、維護(hù)及媒體等多源數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效分辨、清洗、重組及關(guān)聯(lián)，獲取列車關(guān)鍵事件、運行態(tài)勢及潛在威脅等有潛在價值的信息，并完成專家診斷[7]、應(yīng)急處置及聯(lián)動分析等相應(yīng)評估決策。

3.5 圖像識別技術(shù)

圖像識別技術(shù)一般包括圖像輸入、圖像預(yù)處理、特征提取、辨識分析和識別結(jié)果輸出幾個過程[8]。通過圖像識別技術(shù)對司機(jī)室、客室、路況[9]、弓網(wǎng)等攝像頭的視頻流進(jìn)行分析處理，可以有效支撐弓網(wǎng)檢測[10]、司乘行為檢測、火災(zāi)檢測、障礙物檢測[11]等應(yīng)用，提升列車在線運營安全和管理效率。

4 系統(tǒng)應(yīng)用功能

智能運維車載子系統(tǒng)應(yīng)用功能涉及數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲、應(yīng)急處置、故障檢測、PHM、網(wǎng)絡(luò)安全、文件轉(zhuǎn)儲、司機(jī)行為識別及冗余。

4.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸功能

車載裝置通過MVB，CAN，DIO和以太網(wǎng)等接口方式實現(xiàn)與列車運維網(wǎng)的有效鏈接，并周期性地對列車數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)主要包括列車各個子系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)等；通過協(xié)議匹配，實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的識別、清洗和重組；最后通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面運維服務(wù)中心，實現(xiàn)對列車的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

4.2 數(shù)據(jù)存儲功能

車載裝置通常需要將所采集的實時數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)存儲到本地數(shù)據(jù)庫，并保留30～90天不等的時間。隨著以太網(wǎng)技術(shù)在列車中的廣泛使用，目前車內(nèi)傳輸帶寬均達(dá)到100 Mb/s以上，數(shù)據(jù)傳輸能力大大提升，使得PIS及弓網(wǎng)等的視頻數(shù)據(jù)也可得以采集和存儲，但需要車載裝置具備TB級的存儲能力。

4.3 應(yīng)急處置功能

針對列車的突發(fā)狀況，尤其是在正線運營時發(fā)生緊急故障，司機(jī)通常只能根據(jù)應(yīng)急操作手冊或110遠(yuǎn)程指導(dǎo)進(jìn)行故障排除，溝通效率低，排查故障時間長[12]。通過在車載裝置上設(shè)置應(yīng)急處置功能，能夠大大提升列車在突發(fā)故障時的處置效率，快速定位故障位置，指導(dǎo)排查，縮短正線應(yīng)急救援的處理時間。圖4示出車載裝置實現(xiàn)應(yīng)急處置的基本流程。車載裝置需要具備對常見應(yīng)急故障進(jìn)行自動診斷的能力，其快速形成故障樹，在列車人機(jī)交互界面（如司機(jī)屏）上提示司機(jī)進(jìn)行逐步相應(yīng)的操作，并根據(jù)司機(jī)的操作快速識別處置結(jié)果，判斷故障是否已消除或需進(jìn)一步處置。

圖4 應(yīng)急處置基本流程Fig.4 Basic flow chart of emergency response

4.4 故障檢測功能

通過動態(tài)檢測TCMS對應(yīng)故障點位的變化，判斷列車故障的發(fā)生和結(jié)束狀態(tài)，并將故障發(fā)生時刻前后數(shù)秒時間內(nèi)的環(huán)境變量、列車基本信息與之關(guān)聯(lián)，形成故障檢測結(jié)果。車載主機(jī)的故障診斷范圍包括牽引、制動、門控、空調(diào)及走行等各個子系統(tǒng)發(fā)往TCMS的所有故障信息。

4.5 PHM功能

車載級PHM主要是通過將實時數(shù)據(jù)、故障信息及離線文件進(jìn)行特征提取、融合、關(guān)聯(lián)分析和算法建立模型，最終完成故障的狀態(tài)監(jiān)測、診斷和預(yù)警，并將結(jié)果和維修建議反饋至司機(jī)顯示屏和地面運維中心，由人工核實后再對車輛或相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行管控和運維操作等，構(gòu)成“感知-分析-決策-執(zhí)行”的數(shù)據(jù)流閉環(huán)。圖5示出車載PHM基本處置流程。如針對牽引電機(jī)，通過研究電機(jī)散熱模型，并結(jié)合現(xiàn)場電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、力矩及溫度等參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，建立電機(jī)溫度預(yù)測模型，對電機(jī)濾網(wǎng)堵塞的不同狀態(tài)進(jìn)行評估，從而指導(dǎo)電機(jī)濾網(wǎng)清潔工作[13]。

圖5 PHM處置流程Fig.5 Flow chart of PHM disposal

4.6 網(wǎng)絡(luò)安全功能

車載裝置作為車地數(shù)據(jù)通信的邊界設(shè)備，存在被外部攻擊的風(fēng)險，從而威脅到車載裝置本身以及與之相連的列車內(nèi)部以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全，尤其是在多網(wǎng)融合中，基于列車以太骨干網(wǎng)絡(luò)(Ethernet train backbone, ETB)和列車以太組成網(wǎng)絡(luò) (Ethernet consist network, ECN)的列車網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)下，列車網(wǎng)絡(luò)安全更為重要。通過在車載裝置中配置硬件防火墻板卡，可大大提升列車網(wǎng)絡(luò)的安全等級，同時也可以實現(xiàn)列車內(nèi)部安全域和非安全域的隔離，保護(hù)列車安全域內(nèi)資產(chǎn)。圖6示出防火墻的基本功能。

圖6 防火墻功能Fig.6 Functions of firewall

4.7 文件轉(zhuǎn)儲功能

對列車關(guān)鍵系統(tǒng)的離線文件及音視頻文件進(jìn)行文件轉(zhuǎn)儲是事后問題分析的關(guān)鍵。目前大多數(shù)列車文件轉(zhuǎn)儲仍采用傳統(tǒng)的人工下載模式，這種方法不僅速度慢、時間長，還存在著人力浪費甚至下載過程中斷等問題，難以滿足數(shù)據(jù)高速、高效下載的需求[14]。通過制定合理的文件下載策略，可以在列車運行途中實時下載關(guān)鍵故障問題的關(guān)聯(lián)離線文件，如弓網(wǎng)故障時刻的前后視頻文件，牽引、走行等關(guān)鍵子系統(tǒng)故障時刻前后的記錄文件等；當(dāng)車載裝置檢測到列車回庫后，對整車離線文件進(jìn)行自動轉(zhuǎn)儲，如TCMS的離線文件、走行系統(tǒng)離線文件、制動系統(tǒng)離線文件及PIS的視頻文件等等。

車載裝置進(jìn)行文件轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)通道一般有移動公網(wǎng)傳輸(4G/5G)、庫內(nèi)/站內(nèi)專網(wǎng)5G傳輸、庫內(nèi)/站內(nèi)WiFi傳輸或通過第三方通道進(jìn)行傳輸，如PIS系統(tǒng)、信號系統(tǒng)的車地?zé)o線通道等。

4.8 司機(jī)行為識別功能

通過高清攝像頭和圖像識技術(shù)，檢測司機(jī)的頭部運動、眼皮運動、眼睛閉合頻率、凝視方向、打哈欠頻率等面部信息[15]，并進(jìn)行監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，當(dāng)檢測到司機(jī)異常行為時（如盹睡、離崗、打電話、吸煙、攝像頭遮擋等），實時為司機(jī)提供語音提示和警告，同時實時將報警信息推送到地面運維平臺，有效預(yù)防司機(jī)疲勞駕駛等危險行為，保證列車運行安全。

4.9 冗余功能

為保證列車數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，通常在頭車和尾車各配置一套車載裝置。正常時，默認(rèn)一臺車載裝置為主設(shè)備進(jìn)行車地數(shù)據(jù)無線傳輸，另一臺為從設(shè)備處于熱備冗余狀態(tài)，兩臺車載裝置通過心跳交互感知對方狀態(tài)。當(dāng)主車載裝置發(fā)生故障時，從車載裝置通過心跳信息判斷并進(jìn)行相應(yīng)的熱備切換。

5 應(yīng)用實例

目前株洲所研制的智能運維車載子系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)外眾多城市的線路中批量部署應(yīng)用，并發(fā)揮積極作用，如在應(yīng)急處置效率的提升、整車離線文件轉(zhuǎn)儲時間的縮短、PHM診斷預(yù)測準(zhǔn)確率的提升等方面，有效推動了城軌車輛維修模式從“計劃修”“故障修”到“狀態(tài)修”的轉(zhuǎn)變。以下分別列舉相應(yīng)的具體項目對其進(jìn)行說明。

5.1 應(yīng)急處置功能應(yīng)用

應(yīng)急處置功能可用于包括門控系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、輔助逆變系統(tǒng)、蓄電池及受電弓等關(guān)鍵子部件80多種應(yīng)急故障處置。該功能在上海、南京、重慶及廣州等多個城市的地鐵線路均實現(xiàn)了科研裝車和批量裝車應(yīng)用。司機(jī)根據(jù)司機(jī)屏界面現(xiàn)場應(yīng)急處置提示信息進(jìn)行相關(guān)操作，同時通過實時車地通信將應(yīng)急故障信息、司機(jī)當(dāng)前操作步驟以及車輛狀態(tài)信息傳輸?shù)降孛孢\控中心；地面技術(shù)以及調(diào)度人員以此進(jìn)行綜合分析，并及時給司機(jī)進(jìn)行操作指導(dǎo)，有效提升了應(yīng)急故障處置的效率?，F(xiàn)場故障處置完成時間一般基本在1 min之內(nèi)，相對于現(xiàn)場考核指標(biāo)(5 min)，其處理速度大大加快。

5.2 5G技術(shù)應(yīng)用

在南京地鐵寧句線，5G技術(shù)被充分利用，實現(xiàn)了5G毫米波專網(wǎng)和5G公網(wǎng)的傳輸。其中5G專網(wǎng)峰值傳輸帶寬超過1.7 Gb/s，平均傳輸帶寬能到達(dá)1.5 Gb/s左右（圖7）。專網(wǎng)5G的地面基站被分別部署在寧句線的馬群站和句容站，基站信號覆蓋半徑范圍可達(dá)300 m左右，從列車進(jìn)站、停車到出站的時間大概有2～3 min的窗口期，車載無線傳輸主機(jī)通過專用5G模塊和5G天線自動連接地面5G基站，通過高效的文件傳輸策略、斷點續(xù)傳策略自動完成大存儲文件(PIS視頻文件、EDRM文件等)的高速轉(zhuǎn)儲，實現(xiàn)了25 GB文件數(shù)據(jù)3 min內(nèi)轉(zhuǎn)儲完畢的高效傳輸。

圖7 專網(wǎng)5G文件傳輸速率圖Fig.7 Transfer rate chart of 5G file in private network

5.3 PHM應(yīng)用

PHM裝置目前已經(jīng)在廣州、深圳、上海、鄭州及長沙等諸多城市軌道交通線路中被批量裝車運用。智能運維車載裝置搭載多級PHM專用模塊，通過開展大量的模擬實驗并利用歷史數(shù)據(jù)，建立了各類模型算法，實現(xiàn)了對牽引電機(jī)、輔助變流器、充電機(jī)及蓄電池等部件的在線診斷、預(yù)測和報警，并和地面服務(wù)器聯(lián)動，實現(xiàn)關(guān)鍵子部件全生命周期的健康診斷、狀態(tài)評估，如電機(jī)的絕緣狀態(tài)預(yù)警、濾網(wǎng)堵塞預(yù)警、接觸器故障預(yù)警及聯(lián)軸節(jié)故障預(yù)警等等。圖8示出某地鐵牽引電機(jī)的諧波脈沖譜波形，系統(tǒng)通過提取磁鏈的特征頻率，實現(xiàn)了牽引電機(jī)軸承故障的診斷和提前預(yù)警。

圖8 諧波脈沖譜Fig.8 Harmonic pulse spectrum

6 結(jié)語

智能運維技術(shù)目前已經(jīng)在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域大面積使用，車載子系統(tǒng)作為其關(guān)鍵子系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了列車的數(shù)據(jù)匯聚、實時處理及多通道傳輸?shù)裙δ?，基本步入了信息化和網(wǎng)聯(lián)化的運維進(jìn)程。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全、5G通信、PHM和圖像識別等技術(shù)，在列車的邊界安全防護(hù)、故障診斷預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、司機(jī)行為識別及高速轉(zhuǎn)儲等方面進(jìn)行了深度應(yīng)用研究，實現(xiàn)了批量裝車應(yīng)用。

智能運維技術(shù)的本質(zhì)依舊是運維，而運維的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)的共享。對智能運維車載子系統(tǒng)而言，保證車地傳輸數(shù)據(jù)的完整和安全是其基本職能，但目前無法百分百實現(xiàn)，這是今后深度應(yīng)用過程中須關(guān)注和考慮的問題。一方面，對特定業(yè)務(wù)場景的深度理解、列車數(shù)據(jù)的積累和共享有助于推動算法和模型的優(yōu)化，以更好地適應(yīng)軌道交通行業(yè)需求，提升預(yù)測、預(yù)警、診斷及健康管理等的準(zhǔn)確率；另一方面，與新興無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和城軌云的有機(jī)結(jié)合，可以有效突破目前在傳輸速率、帶寬及運算能力等方面的瓶頸，提升智能運維能力。另外，提升網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力，并使網(wǎng)絡(luò)符合相關(guān)信息安全標(biāo)準(zhǔn)(如信息安全等級保護(hù)、IEC 62443-3-3《工業(yè)過程測量、控制和自動化網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)信息安全》等)也將是智能運維車載子系統(tǒng)的必經(jīng)之路；同時在司乘音視頻監(jiān)測、精準(zhǔn)定位、限界檢測、主動防撞、自動駕駛及安全保障等多專業(yè)場景的聯(lián)動分析處理方面，智能運維車載子系統(tǒng)也可以承擔(dān)更多職責(zé)，發(fā)揮積極作用。