CBTC車載ATP故障診斷系統(tǒng)研究

梁燁 姜宏闊 任穎

摘要 根據(jù)CBTC車載ATP現(xiàn)場運(yùn)維情況，研究和提出了CBTC車載ATP故障診斷系統(tǒng)，以提高現(xiàn)場故障處理效率和自動化程度。從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)挖掘、故障自動診斷等多個維度探討研究，開發(fā)了CBTC車載ATP故障診斷系統(tǒng)模擬軟件，導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)室人工模擬的故障數(shù)據(jù)，診斷結(jié)果與實(shí)際故障工況一致，驗(yàn)證了研究的CBTC車載ATP故障診斷系統(tǒng)可行。

關(guān)鍵詞 車載;故障;診斷;CBTC;ATP

中圖分類號 U284.92文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2022）12-0001-03

收稿日期：2022-03-24

作者簡介：梁燁（1993—），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：城市軌道交通信號系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目：2016年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高速磁浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究課題”（2016YFB1200602）。

0 引言

CBTC車載ATP是控制列車安全運(yùn)營的核心系統(tǒng)，列車運(yùn)行過程中發(fā)生的故障通過ATP系統(tǒng)顯示反映出來，因此能否快速、準(zhǔn)確處理故障，也直接影響地鐵運(yùn)營的安全、生產(chǎn)效率和運(yùn)營維護(hù)強(qiáng)度[1]。

目前傳統(tǒng)的故障處理方式為：列車發(fā)生故障，維護(hù)人員請點(diǎn)上車下載系統(tǒng)記錄日志，根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)和故障現(xiàn)象推理可能的故障原因。這種運(yùn)營維護(hù)方式存在如下問題：

（1）嚴(yán)重依賴運(yùn)營維護(hù)人員的人工經(jīng)驗(yàn)。人工經(jīng)驗(yàn)越豐富，對故障的處理越快速、精準(zhǔn)。然而隨著開通線路的越來越多，經(jīng)驗(yàn)豐富的人員越來越被稀釋，補(bǔ)充的新人越來越多，勢必影響整體的故障處理能力和效率[2]。

（2）維護(hù)工作勞動強(qiáng)度大。當(dāng)列車發(fā)生故障，除個別重大故障需立即處理外，一般都在晚上十一點(diǎn)后退出運(yùn)營回庫后，由維護(hù)人員請點(diǎn)上車下載日志，分析處理故障，需在早上四點(diǎn)列檢出車前修復(fù)故障。時(shí)間緊、任務(wù)重，人工分析和排查故障勞動強(qiáng)度大。

（3）隱性故障容易漏診。CBTC車載ATP是復(fù)雜系統(tǒng)，某一故障現(xiàn)象可能表現(xiàn)出多個組合故障癥狀，人工分析很容易從單一癥狀排查，而忽略多重組合癥狀下的隱性故障[3]。

因此，有必要通過技術(shù)手段提高車載ATP維護(hù)和故障處理的效率，以保證城市軌道交通列車安全、高效地運(yùn)營。

1 CBTC車載ATP簡介

CBTC是利用高精度的列車定位，實(shí)現(xiàn)雙向連續(xù)、大容量的車地?cái)?shù)據(jù)通信和車載、地面的安全功能處理的列車連續(xù)自動運(yùn)行控制系統(tǒng)，主要由ATP（列車自動防護(hù)）、ATO（列車自動駕駛）、ZC（區(qū)域控制）、CI（計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖）、ATS（列車自動監(jiān)控）、DCS（數(shù)據(jù)通信）子系統(tǒng)組成。

車載ATP是CBTC系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，根據(jù)移動授權(quán)、道岔信息、線路限速、位置信息等條件計(jì)算出列車安全防護(hù)距離-速度曲線，對列車運(yùn)行速度、距離、車門、屏蔽門等進(jìn)行安全防護(hù)，保障列車安全運(yùn)營。ATP系統(tǒng)由ATP主控組匣、BTM、BTM天線、DMI、速度傳感器、雷達(dá)等組成，如圖1所示。

2 故障診斷系統(tǒng)研究

從目前車載ATP的運(yùn)營維護(hù)情況看，記錄列車運(yùn)行工況及故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)主要來自MSS系統(tǒng)和車載ATP的隨車記錄板，報(bào)告列車運(yùn)行故障的消息主要來自隨車司機(jī)、運(yùn)營調(diào)度人員、工班日檢人員等[4-6]。由此可見，報(bào)告列車運(yùn)行故障的故障信息格式不統(tǒng)一、信息完整度不夠，因此故障診斷系統(tǒng)需要考慮對不同故障報(bào)告信息源、不同故障報(bào)告信息格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，然后結(jié)合專家知識根據(jù)一定的推理邏輯進(jìn)行推理計(jì)算，給出診斷結(jié)果。

2.1 故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)原理

故障診斷系統(tǒng)應(yīng)具備采集和處理來自不同數(shù)據(jù)源故障數(shù)據(jù)的功能，其架構(gòu)主要包括輸入輸出接口單元、轉(zhuǎn)換存儲單元、知識管理單元、主控計(jì)算單元，其可與外圍設(shè)備如MSS、記錄板、運(yùn)維系統(tǒng)以及維護(hù)人員進(jìn)行信息交互，獲取和處理數(shù)據(jù)信息，最終給出故障診斷結(jié)果及維修建議。故障診斷系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 故障診斷系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

輸入輸出接口單元負(fù)責(zé)診斷系統(tǒng)與外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)接口。根據(jù)目前線路的實(shí)際情況，提供故障數(shù)據(jù)的方式多元化，有通過MSS提供、通過隨車記錄板提供、通過司機(jī)和運(yùn)營維護(hù)人員填報(bào)的故障單提供等，因此輸入輸出接口單元負(fù)責(zé)多樣化通信管理，能滿足并預(yù)留與多種外設(shè)通信及人機(jī)交互的能力。

轉(zhuǎn)換存儲單元負(fù)責(zé)對外圍數(shù)據(jù)的解釋轉(zhuǎn)換。對進(jìn)入故障診斷系統(tǒng)的來自不同外設(shè)的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為故障診斷系統(tǒng)能夠識別和可用的信息。對來自人機(jī)界面的專家經(jīng)驗(yàn)知識轉(zhuǎn)換成知識庫可以管理使用的數(shù)據(jù)。對已完成診斷處理的故障信息及維修建議轉(zhuǎn)換為知識庫可以管理使用的數(shù)據(jù)。

知識管理單元負(fù)責(zé)管理存儲人工經(jīng)驗(yàn)知識及診斷系統(tǒng)產(chǎn)生的知識。維護(hù)人員、專家、知識工程師可以將自身經(jīng)驗(yàn)知識及復(fù)雜人工處理故障的知識按設(shè)定規(guī)則錄入系統(tǒng)，通過知識累積使故障診斷系統(tǒng)分析問題能力更強(qiáng)、準(zhǔn)確度更高、覆蓋面更全。故障診斷系統(tǒng)通過處理故障產(chǎn)生的知識亦按規(guī)則自動錄入知識管理單元。知識管理單元支持知識數(shù)據(jù)的增刪、調(diào)度、歸類、相似度檢查等管理功能。

主控計(jì)算單元是故障診斷系統(tǒng)核心部分，負(fù)責(zé)輸入輸出接口、轉(zhuǎn)換存儲單元、知識管理單元、人機(jī)信息交互的調(diào)度控制，從轉(zhuǎn)換存儲單元獲取轉(zhuǎn)換后的故障信息，識別并根據(jù)信息完整度等進(jìn)行診斷分類，按類別調(diào)度故障診斷推理算法，搜索知識管理單元知識庫相關(guān)信息，完成診斷后通過人機(jī)交互接口給出診斷結(jié)果及維修建議，將診斷結(jié)果和建議輸出給運(yùn)維系統(tǒng)等其他系統(tǒng)，將診斷產(chǎn)生的知識按規(guī)則存儲到知識管理單元知識庫。

2.2 故障數(shù)據(jù)處理

列車運(yùn)行故障數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)來自ATP隨車記錄板日志、MSS維護(hù)支持系統(tǒng)、智能運(yùn)維系統(tǒng)、人工填報(bào)故障單等，故障診斷系統(tǒng)應(yīng)能夠把上述信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別轉(zhuǎn)換，最終形成內(nèi)部格式數(shù)據(jù)，以供診斷分析。9E5836BF-DE64-4D6E-9D02-EE0DA349BC98

故障診斷系統(tǒng)預(yù)裝載上述維護(hù)設(shè)備的維護(hù)數(shù)據(jù)協(xié)議，將收集到的故障信息原始數(shù)據(jù)根據(jù)維護(hù)設(shè)備類型匹配維護(hù)數(shù)據(jù)協(xié)議，進(jìn)行故障數(shù)據(jù)的抽取和映射，從映射表獲取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為故障診斷系統(tǒng)可識別的基礎(chǔ)信息表、狀態(tài)信息表、事件信息表等數(shù)據(jù)表單進(jìn)行存儲，每張數(shù)據(jù)表以及表元素都設(shè)定了相應(yīng)級別的索引編號，在轉(zhuǎn)換過程中，數(shù)據(jù)表的元素若有值，則填寫實(shí)際值，若沒有對應(yīng)值，則采用缺省值。

轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)表單包括但不限于如下信息：基礎(chǔ)信息表包括時(shí)間、ATP運(yùn)行周期、車號、列車位置、速度信息、測距信息、駕駛模式、控制級別、MA信息等;狀態(tài)信息表包括ATP與ZC/ATS/CI/BTM/頭尾等通信狀態(tài)、列車完整性狀態(tài)、車門狀態(tài)、屏蔽門狀態(tài)、停穩(wěn)狀態(tài)等;事件信息包括：緊急制動、位置丟失、牽引切除、應(yīng)答器丟失、速傳故障、插件故障等。

2.3 知識數(shù)據(jù)建立

在故障診斷系統(tǒng)中建立知識數(shù)據(jù)庫，存儲系統(tǒng)及故障相關(guān)邏輯關(guān)系鏈表，在人機(jī)界面輸入故障關(guān)鍵特征值，或?qū)胗涗洶迦罩镜裙收蠑?shù)據(jù)，選擇故障診斷模式，系統(tǒng)可對滿足一定完整度的故障數(shù)據(jù)采取基于知識庫數(shù)據(jù)的故障推理診斷。

知識庫數(shù)據(jù)還提供了故障分析的培訓(xùn)功能，在人機(jī)界面輸入相關(guān)故障關(guān)鍵特診值或故障類型，選擇故障處理培訓(xùn)模式，系統(tǒng)可在知識庫查詢關(guān)聯(lián)故障信息，在人機(jī)界面顯示特征值關(guān)聯(lián)故障分析過程、故障原因、處理結(jié)果等信息。

知識庫數(shù)據(jù)主要來源于人工輸入和診斷系統(tǒng)導(dǎo)入。

（1）人工輸入：具有維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的工程師、專家以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在診斷系統(tǒng)人機(jī)界面按特定規(guī)則輸入故障特征值、故障原因邏輯、系統(tǒng)功能邏輯、部件關(guān)聯(lián)關(guān)系等信息，診斷系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互信息提示、規(guī)則校驗(yàn)判斷、知識數(shù)據(jù)存儲等處理。

（2）診斷系統(tǒng)導(dǎo)入：診斷系統(tǒng)完成分析和處理的故障，可自動按照特定規(guī)則存入知識庫，作為后續(xù)故障診斷和故障處理培訓(xùn)的知識數(shù)據(jù)。

知識庫數(shù)據(jù)中故障碼、故障征兆、故障特征值、設(shè)備狀態(tài)值等都有固定且唯一的識別碼，以面向?qū)ο蟮姆椒ò搭愡M(jìn)行數(shù)據(jù)分類，以IF條件THEN結(jié)果的邏輯格式進(jìn)行故障征兆、故障原因、設(shè)備邏輯等串聯(lián)，形成若干知識數(shù)據(jù)。

知識庫數(shù)據(jù)可進(jìn)行增加和刪減，數(shù)據(jù)增加以人工輸入和診斷系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，按規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)插入處理。數(shù)據(jù)刪減以人機(jī)界面操作為事件驅(qū)動，按規(guī)則進(jìn)行刪除處理。數(shù)據(jù)增刪不影響既有數(shù)據(jù)的正確性和完整性。

2.4 故障診斷邏輯

故障數(shù)據(jù)因來源不同而在數(shù)據(jù)完整度、準(zhǔn)確度、規(guī)范性等方面存在較大差異，因此故障診斷系統(tǒng)根據(jù)故障數(shù)據(jù)的來源采取分類診斷策略。

來源ATP記錄板、MSS、運(yùn)維系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)信息完整度高、信息規(guī)則性強(qiáng)，因此按照設(shè)定的秩序依次提取事件信息表、狀態(tài)信息表，從知識庫提取專家信息，按設(shè)定邏輯進(jìn)行推理，在人機(jī)界面給出診斷結(jié)果、維修建議。

來源司機(jī)、工班人員等人工填寫的故障表單數(shù)據(jù)，范式不一，信息完整度不夠，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法對基于不完整的模糊信息進(jìn)行故障智能推理，在人機(jī)界面給出診斷結(jié)果、維修建議。

故障診斷系統(tǒng)支持人工復(fù)驗(yàn)故障推理過程和結(jié)果，在人機(jī)交互界面對推理過程和推理邏輯進(jìn)行圖形化顯示;對該次故障診斷最終使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行著色顯示;對整個故障數(shù)據(jù)按顆粒度從大到小分類分層顯示，通過點(diǎn)擊頂層大顆粒度的某類數(shù)據(jù)，可定位到該數(shù)據(jù)對應(yīng)的下一層詳細(xì)信息;對不完整數(shù)據(jù)要基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法進(jìn)行推理的，需要按相應(yīng)算法原理進(jìn)行先驗(yàn)概率設(shè)定、獲取樣本數(shù)據(jù)集等調(diào)校工作，不斷訓(xùn)練智能推理模塊，提高推理準(zhǔn)確度。

3 故障診斷系統(tǒng)原理驗(yàn)證

基于Qt開發(fā)框架開發(fā)診斷模擬軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和故障診斷簡易功能，在CBTC仿真系統(tǒng)模擬車地通信故障導(dǎo)致的列車緊急制動工況，將模擬數(shù)據(jù)記錄到ATP記錄板。

在診斷模擬軟件人機(jī)界面啟動診斷進(jìn)程，診斷軟件自動加載來自記錄板的原始日志文件，轉(zhuǎn)換為表1所示的分類表單（部分?jǐn)?shù)據(jù)示意），按提前設(shè)定的規(guī)則獲取相關(guān)表單數(shù)據(jù)，根據(jù)專家知識檢索故障鏈路，推理故障原因，在人機(jī)界面做簡要顯示推理結(jié)果，如圖3所示。

故障診斷模擬軟件顯示出的故障信息為列車MA無效、車地通信故障，這和在CBTC仿真系統(tǒng)模擬制造的故障工況一致。

4 結(jié)語

從CBTC車載ATP系統(tǒng)故障維護(hù)主要采取人工維護(hù)的現(xiàn)狀進(jìn)行考慮，探討研究了故障診斷系統(tǒng)。對故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)原理、故障數(shù)據(jù)處理、知識庫建立、故障診斷邏輯等核心內(nèi)容進(jìn)行了研究探討，最后通過故障診斷模擬軟件進(jìn)行了簡易的模擬驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與故障工況一致，認(rèn)為該文探討的CBTC車載ATP故障診斷系統(tǒng)的思路和原理可行，具有進(jìn)一步深入研究的意義。

在下一步的研究工作中，將延展故障診斷系統(tǒng)功能，深化故障診斷系統(tǒng)智能化程度，比如引入圖像識別來自動識別插件燈顯意義，根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測等。

參考文獻(xiàn)

[1]段亞美， 戴翌清， 王歷珘. 基于智能運(yùn)維系統(tǒng)的地鐵信號設(shè)備維護(hù)管理研究[J]. 鐵道通信信號， 2020（4）： 88-90.

[2]施聰. 城市軌道交通通信信號專業(yè)的智能運(yùn)維系統(tǒng)[J]. 城市軌道交通研究， 2020（1）： 172-176.

[3]馮曉軍， 胡恩華. ATC系統(tǒng)的智能診斷維護(hù)方案探討[J]. 電氣化鐵道， 2014（1）： 31-33.

[4]張喜， 杜旭升， 劉朝英. 車站信號控制設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 2009（3）： 44-49.

[5]劉奇. 車載ATP故障率預(yù)測方法研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2019.

[6]孫偉. 基于B/S模式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車信號系統(tǒng)故障遠(yuǎn)程診斷方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2009.9E5836BF-DE64-4D6E-9D02-EE0DA349BC98