武漢地鐵列車信息聯(lián)控平臺設(shè)計及應(yīng)用

向清河 黃 鋮 朱東飛

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司， 430030， 武漢； 2.株洲中車時代電氣股份有限公司， 412001， 株洲∥第一作者， 正高級工程師)

1 武漢地鐵列車信息聯(lián)控平臺的需求分析

地鐵列車的車載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括牽引、網(wǎng)絡(luò)、制動、門控、輔助、空調(diào)、信號、PIS(乘客信息系統(tǒng))等子系統(tǒng)。部分車載子系統(tǒng)的信息僅能在司機室實時顯示，列車狀態(tài)與故障無法實時傳輸?shù)降孛妫y以精準(zhǔn)掌控列車在途狀態(tài)；記錄數(shù)據(jù)依賴回庫人工下載，缺乏自動高效的下載手段；故障診斷專業(yè)性強、軟件繁雜獨立，無法實現(xiàn)故障的關(guān)聯(lián)分析，疑難雜癥判定時間冗長；列車故障大多數(shù)采取事后處理，造成的損失已無法挽回，嚴(yán)重者還可能造成不良社會影響(如清客、救援等)；對車輛設(shè)備或部件的狀態(tài)難以準(zhǔn)確評估，維修方式大多數(shù)采用計劃修，而針對列車全生命周期的維護(hù)成本則居高不下；針對地鐵列車運營管理決策缺乏足夠的數(shù)據(jù)與分析結(jié)果支撐。

基于上述地鐵車輛的運營現(xiàn)狀，針對武漢地鐵，構(gòu)建列車信息聯(lián)控平臺。該平臺應(yīng)包含以下基本功能：

1) 車地?zé)o線通信：采集車載數(shù)據(jù)，并將其實時傳輸至地面系統(tǒng)。

2) 大數(shù)據(jù)集群服務(wù)：接入和解析車載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲與查詢，數(shù)據(jù)挖掘。

3) 實時監(jiān)視：線路級、車輛級及子系統(tǒng)級狀態(tài)監(jiān)視，實時故障報警，故障環(huán)境數(shù)據(jù)回傳。

4) 故障診斷：快速定位故障原因，給出故障處置措施。

5) 健康管理：列車健康評估、列車部件剩余使用壽命的預(yù)測，故障預(yù)警，數(shù)據(jù)回溯分析。

2 武漢地鐵列車信息聯(lián)控平臺設(shè)計

2.1 列車信息聯(lián)控平臺總體設(shè)計

地鐵列車信息聯(lián)控平臺包括車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩大部分[1]。車載數(shù)據(jù)通過車地?zé)o線通信通道，實現(xiàn)從車載系統(tǒng)到地面系統(tǒng)的傳輸。平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：ATO為列車自動運行；ATP為列車自動防護(hù)；HVAC為空調(diào)系統(tǒng)；EDCU為電子門控單元。

該平臺中，車載數(shù)據(jù)處理裝置通過信息服務(wù)網(wǎng)或其他擴展接口采集車輛關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行整理、解析及存儲，同時提供整車統(tǒng)一維護(hù)端口，應(yīng)用4G(第4代移動通信技術(shù))/WLAN(無線局域網(wǎng))等無線通信技術(shù)，構(gòu)建車地實時傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)全息化列車狀態(tài)的動態(tài)跟蹤監(jiān)控，支撐地面系統(tǒng)的智能化應(yīng)用；大數(shù)據(jù)集群負(fù)責(zé)接入、解析及存儲車載實時數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)，并集成數(shù)據(jù)挖掘功能，為智能應(yīng)用終端提供服務(wù)；智能應(yīng)用終端提供針對列車的實時狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、車輛健康管理等智能化應(yīng)用功能。

2.2 車地?zé)o線通信總體設(shè)計

為了使車輛運營人員掌握更多、更準(zhǔn)確的實時車載信息，提高運營管理效率，車載數(shù)據(jù)采集覆蓋了牽引、制動、輔助、車門、旅客信息、空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)、走行等多個子系統(tǒng),實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)的融合和處理;以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合整車邏輯，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，實現(xiàn)對故障的識別和預(yù)警。

另外，數(shù)據(jù)形式包括實時數(shù)據(jù)與離線文件數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)又包含實時狀態(tài)數(shù)據(jù)與實時故障數(shù)據(jù)。因此，在車地數(shù)據(jù)傳輸通道層面，實時數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性數(shù)據(jù)通過4G與地面交互，且這些數(shù)據(jù)通過安全生產(chǎn)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，記錄文件數(shù)據(jù)通過庫內(nèi)通道與地面交互。車地?zé)o線通信總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 車地?zé)o線通信總體設(shè)計Fig.2 Overall design of vehicle-wayside wireless communication

在車地?zé)o線通信傳輸策略方面，針對實時狀態(tài)數(shù)據(jù)， 采用 UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)固定周期向地面系統(tǒng)發(fā)送列車狀態(tài)報文，其中車載部分為客戶端，地面部分為服務(wù)器。針對故障報警數(shù)據(jù)，同樣采用 UDP向地面系統(tǒng)發(fā)送故障報警報文。當(dāng)故障狀態(tài)發(fā)生變化時，車載部分立即將故障代碼信息發(fā)送到地面數(shù)據(jù)服務(wù)器，按重發(fā)固定次數(shù)來執(zhí)行，每次間隔固定時間，確保地面系統(tǒng)及時獲取故障信息。

2.3 地面系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

2.3.1 地面系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計原則

武漢地鐵列車信息聯(lián)控平臺的設(shè)計出發(fā)點是針對城市軌道交通的大容量、高速率及多種類的大數(shù)據(jù)進(jìn)行實時和批處理分析，通過分析及診斷結(jié)果，結(jié)合領(lǐng)先的數(shù)據(jù)可視化方案，為日常城市軌道交通車輛的運維提供實時狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、故障預(yù)警及車輛健康評估等實用功能。因此，本系統(tǒng)最大的特征是一個針對不同類型使用者的大數(shù)據(jù)處理、分析及展示的信息聯(lián)控系統(tǒng)，且高性能與高可靠性是整個系統(tǒng)設(shè)計中需要著重關(guān)注與解決的方面?；谏鲜龇治?，本系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)來實現(xiàn)[2]。微服務(wù)架構(gòu)是近年來被成功應(yīng)用到大型高并發(fā)系統(tǒng)的一種軟件系統(tǒng)架構(gòu)，其特點如下：

1) 通過拆分服務(wù)的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的組件化。 將傳統(tǒng)的單塊系統(tǒng)進(jìn)行拆分、解耦，形成一些細(xì)粒度的、可獨立演進(jìn)的組件。

2) 去除復(fù)雜的進(jìn)程通信機制，使用輕量級的通信方法(如REST(表征性狀態(tài)轉(zhuǎn)移)API(應(yīng)用程序編程接口))，業(yè)務(wù)邏輯由每個服務(wù)來處理。

3) 通過服務(wù)微小化，增強了系統(tǒng)的敏捷性；以及增加了新功能、應(yīng)對變化需求的能力。

4) 技術(shù)上，不同的微服務(wù)也可以采用不同的技術(shù)來實現(xiàn)?？沙浞职l(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢，例如：Java是強類型面向?qū)ο笳Z言，有著很好的生態(tài)圈，適合開發(fā)整體的業(yè)務(wù)邏輯；python在數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用，適合開發(fā)預(yù)測性分析引擎服務(wù)等。

2.3.2 地面系統(tǒng)技術(shù)分層架構(gòu)設(shè)計

武漢地鐵列車信息聯(lián)控平臺的架構(gòu)有3層構(gòu)成：

1) 平臺層：使用容器技術(shù)來抽象隔離底層的硬件及操作系統(tǒng)，使上層服務(wù)和中間件不需關(guān)注具體使用的硬件，只需指定每個服務(wù)所需的資源。通過容器編排平臺，進(jìn)一步簡化了資源的分配及調(diào)度，便于實現(xiàn)按需增減硬件資源。

2) 中間件層：提供上層應(yīng)用所需要的基礎(chǔ)服務(wù)，如HDFS (大數(shù)據(jù)存儲引擎)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、分布式的數(shù)據(jù)流式及批處理引擎、消息隊列等。借助于平臺層的容器及編排系統(tǒng)做到自動部署，通過API，使得數(shù)據(jù)庫及消息隊列與其他應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行交互。

3) 應(yīng)用服務(wù)層：實現(xiàn)整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，采用微服務(wù)來拆分業(yè)務(wù)，減少業(yè)務(wù)間的耦合度；每個微服務(wù)部署在單獨的容器內(nèi)，可以獨立伸縮，滿足不同的業(yè)務(wù)量需求，具有很好的彈性。微服務(wù)可以自動注冊、自動發(fā)現(xiàn)，可以負(fù)載均衡，也便于管理及監(jiān)控。

2.3.3 地面系統(tǒng)技術(shù)業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計

從業(yè)務(wù)功能角度來看，地面系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)(見圖3)包括：前端Web(萬維網(wǎng))應(yīng)用，后端微服務(wù)群，大數(shù)據(jù)處理分析平臺，數(shù)據(jù)接入與儲存服務(wù)。整個架構(gòu)以中央的各類微服務(wù)集群為中心，以大數(shù)據(jù)分析處理平臺為基礎(chǔ)，共同完成整個系統(tǒng)的功能。

注:Docker為一個開源的、輕量級的容器引擎；HDFS為被設(shè)計成適合運行在通用硬件上的分布式文件系統(tǒng)；MySQL為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；Hbase為一個分布式的、面向列的開源數(shù)據(jù)庫；Oracle為甲骨文公司的一款關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

微服務(wù)群是整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)。每個業(yè)務(wù)實現(xiàn)成一個微服務(wù)，以單實體或多實體的形式運行。單實例或多實例的使用取決于業(yè)務(wù)的負(fù)載，也可以根據(jù)負(fù)載的變化動態(tài)伸縮。邏輯上每個微服務(wù)都配有自身專用的數(shù)據(jù)庫，物理層面上可以將其部署到同一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

大數(shù)據(jù)分析及處理平臺為上層業(yè)務(wù)服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，生成各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表供上層業(yè)務(wù)使用，以提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用的效率和提升用戶體驗。

前端Web應(yīng)用獨立于后臺服務(wù)，使用Angular框架來實現(xiàn)SPA(單頁應(yīng)用架構(gòu))。使用Angular作為前端Web應(yīng)用的底層框架，做到前端Web應(yīng)用充分的組件化，以層級方式來組織頁面組件，配合Angular的前端路由機制，能很好地滿足前端的可定制化頁面。

2.4 應(yīng)用功能模塊設(shè)計

2.4.1 實時監(jiān)視模塊設(shè)計

實時監(jiān)視系統(tǒng)覆蓋了列車的各大系統(tǒng)，包括牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視、環(huán)境數(shù)據(jù)回傳等功能。

該模塊可實時監(jiān)測軌道交通線路上所有列車的總體情況：各列車基于地圖的位置分布，列車運行狀態(tài)，列車健康狀態(tài)，列車的基本信息。系統(tǒng)總覽界面顯示單線路在線/離線列車統(tǒng)計、各列車故障統(tǒng)計、列車可用率、運行里程統(tǒng)計、載客人流統(tǒng)計及能耗統(tǒng)計等。

該模塊可實時監(jiān)測單臺車所有狀態(tài)，查看當(dāng)前列車位置、當(dāng)日運行里程統(tǒng)計/總里程統(tǒng)計、速度、網(wǎng)壓等關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)的波形曲線，各子系統(tǒng)當(dāng)前的健康狀態(tài)，整車實時健康狀態(tài)，以及當(dāng)前列車故障報警、預(yù)警等。并在地面同步車載司機屏，實現(xiàn)車載監(jiān)視與地面監(jiān)視數(shù)據(jù)同步，有助于地面人員實時掌握列車運行工況以及司機的操作情況。

2.4.2 故障診斷模塊設(shè)計

列車運行故障的誘發(fā)原因較為復(fù)雜，同時會產(chǎn)生大量的伴生故障與次生故障，導(dǎo)致故障癥狀錯綜復(fù)雜，且根據(jù)人工經(jīng)驗難以確認(rèn)真實的故障原因。

本系統(tǒng)基于電氣原理，結(jié)合專家規(guī)則與故障診斷邏輯，對故障發(fā)生時的伴生現(xiàn)象及相關(guān)信號量進(jìn)行深入分析，以建立每一類故障的診斷模型。

收集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過挖掘算法提取各個故障的關(guān)鍵特征量，結(jié)合故障模型生成故障波形，通過大數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到故障的診斷算法。

建立專家知識庫，存儲歷史故障的解決方案。梳理了TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))，以及牽引系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)、充電機等主要部件全部故障的故障樹、故障處理措施及故障關(guān)聯(lián)變量等。

在該系統(tǒng)中以故障樹的形式展示故障原因及處置意見，并在列車原理圖中標(biāo)注故障發(fā)生位置，以提高故障處理效率。用戶處置故障后，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的處置情況對模型和算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使其在使用過程中日益趨近真實。具體流程如圖4所示。

圖4 故障診斷模塊設(shè)計流程Fig.4 Design process of fault diagnosis module

2.4.3 健康管理模塊設(shè)計

對列車當(dāng)前運行里程、使用年限、運行趟次及各接觸器開關(guān)閉合次數(shù)等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計匯總，并與行業(yè)規(guī)范制定的設(shè)計壽命進(jìn)行對比，對達(dá)到臨界值的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)注提醒。

依托大數(shù)據(jù)技術(shù)，對設(shè)備的歷史運行狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，建立設(shè)備的故障預(yù)警模型，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時預(yù)警。

建立列車各個子系統(tǒng)/部件的健康模型，設(shè)計健康評估算法。根據(jù)故障嚴(yán)重程度等級，對車輛運營影響、故障擴散范圍及故障發(fā)生次數(shù)等因素進(jìn)行扣分；根據(jù)列車的檢修、部件更換等操作進(jìn)行相應(yīng)的回分，得到各子系統(tǒng)/部件的健康評分。

根據(jù)健康評估分?jǐn)?shù)自動提供不同的處置建議，如維修、更換等；結(jié)合各子系統(tǒng)/部件的健康評分及處置建議，對各子系統(tǒng)/部件進(jìn)行用戶評估，為后續(xù)子系統(tǒng)/部件的維護(hù)提供建議。將各子系統(tǒng)/部件的模型進(jìn)行整合，得到列車的健康評估算法模型，計算得出整車的健康狀態(tài)評分，并提供相應(yīng)的處理意見，如檢修、繼續(xù)運營等。

基于各子系統(tǒng)/部件的健康狀態(tài)分析，生成線路級/單車的健康趨勢統(tǒng)計，并能夠查詢單個維度對當(dāng)前子系統(tǒng)/部件的健康評分影響。

3 武漢地鐵列車信息聯(lián)控平臺的應(yīng)用

3.1 實時監(jiān)視

用戶可以通過線路級實時監(jiān)視模塊快速查看當(dāng)前線路各列車的位置分布，使得所在站點或區(qū)間一目了然。選擇列車后可了解列車運行狀態(tài)、列車健康狀態(tài)，以及列車的基本信息；用戶還可以通過實時監(jiān)控統(tǒng)計來了解線路的整體運營情況，包括在線/離線列車統(tǒng)計、列車故障統(tǒng)計、列車可用率、運行里程統(tǒng)計、載客人流統(tǒng)計及能耗統(tǒng)計等。

3.2 故障診斷

可根據(jù)用戶查詢條件，查看列車的故障診斷列表，包括線路、車型、車號、車廂、子系統(tǒng)、故障碼、故障等級、故障名稱、故障發(fā)生時間、故障處置狀態(tài)等信息。針對某條具體故障，選擇“故障診斷”，系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)診斷模型進(jìn)行故障診斷，展示故障診斷過程，得出故障診斷結(jié)果。診斷界面顯示故障處理措施分布與步驟，該步驟按照診斷結(jié)論進(jìn)行優(yōu)先級排列。

3.3 健康管理

用戶通過列車健康狀態(tài)總覽界面可查看各車輛的總體健康狀態(tài)，該界面還可以顯示當(dāng)前可用且正常的車輛數(shù)、總運行里程，以及當(dāng)前所有車輛各自的健康狀態(tài)。通過選擇“單車”可進(jìn)入單車的健康檔案，主要包括單車運行里程、運行趟次及綜合載重等基礎(chǔ)統(tǒng)計信息。

對列車當(dāng)前運行里程、使用年限、運行趟次及各接觸器開關(guān)閉合次數(shù)等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計匯總，并與行業(yè)規(guī)范制定的設(shè)計壽命進(jìn)行對比，對達(dá)到閾值的參數(shù)進(jìn)行提醒與預(yù)警信息推送。

列車健康狀態(tài)總覽界面可自動回放各個時刻整車狀態(tài)邏輯診斷的情況。可選擇當(dāng)日任意時刻開始回放，同時可以選擇某個故障點并展示當(dāng)前故障點的邏輯診斷情況。

4 結(jié)語

本文基于武漢地鐵車輛運營維護(hù)的現(xiàn)狀與需求，提出了列車信息聯(lián)控平臺，并對該平臺建設(shè)的設(shè)計思路、實現(xiàn)過程、功能展示進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)在武漢地鐵進(jìn)行試點應(yīng)用后，帶來了如下積極的影響：一是通過無線通信技術(shù)，將列車車載系統(tǒng)狀態(tài)信息實時傳輸?shù)降孛?，使控制中心實時掌握地鐵運營線路上每列列車的設(shè)備運行狀態(tài)；二是構(gòu)建了一套故障診斷專家?guī)?，?dāng)出現(xiàn)故障時，后臺專家系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程診斷給出故障類型、故障原因，并及時提供應(yīng)對措施，確保地鐵運營安全與高效；三是通過TCMS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測和智能分析，實現(xiàn)列車的健康管理，包括列車實時數(shù)據(jù)的回溯、列車故障統(tǒng)計、關(guān)鍵部件的壽命預(yù)測等內(nèi)容。后續(xù)希望能夠基于該平臺，不斷迭代優(yōu)化專家診斷庫，對多車數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)碰撞分析，探索基于設(shè)計參數(shù)的壽命預(yù)測；基于大數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測方法，持續(xù)幫助節(jié)省人力并降低運營成本，優(yōu)化設(shè)備能耗，提高運營管理效率和運營服務(wù)水平。