動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息處理及可視化技術(shù)研究*

呂 赫

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3 動(dòng)車(chē)組和機(jī)車(chē)牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

我國(guó)動(dòng)車(chē)組上線運(yùn)營(yíng)數(shù)量越來(lái)越多，動(dòng)車(chē)組調(diào)度運(yùn)用和檢修維護(hù)壓力不斷加大。隨著動(dòng)車(chē)組裝備技術(shù)的進(jìn)步和智能化程度的不斷提高，動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了海量信息，這些信息通過(guò)車(chē)載無(wú)線傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳往地面數(shù)據(jù)中心。地面數(shù)據(jù)中心整合處理這些信息，通過(guò)友好直觀的形式提供給地面專(zhuān)家，使得地面專(zhuān)家及時(shí)掌握動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組故障的遠(yuǎn)程應(yīng)急指導(dǎo)。同時(shí)，地面數(shù)據(jù)中心通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)載數(shù)據(jù)的積累和分析，可以發(fā)現(xiàn)潛在的運(yùn)行規(guī)律，多維度診斷動(dòng)車(chē)組健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)以可靠性為中心的狀態(tài)檢修。因此，綜合運(yùn)用動(dòng)車(chē)組車(chē)載數(shù)據(jù)，可以提高動(dòng)車(chē)組監(jiān)測(cè)保障力度和檢修維護(hù)效率。

國(guó)外許多國(guó)家在動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息地面監(jiān)控及處理方面取得了大量的研究和應(yīng)用成果。法國(guó)TGV、德國(guó)ICE、美國(guó)AC6000CW、英國(guó)IC125 型高速列車(chē)都實(shí)現(xiàn)全列車(chē)自動(dòng)診斷，各種監(jiān)測(cè)信息以無(wú)線方式實(shí)時(shí)地發(fā)送到調(diào)度中心和維修中心，可在地面下載機(jī)車(chē)的診斷數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控［1］。

國(guó)內(nèi)既有車(chē)的客車(chē)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)TCDS（Train Coach Running Diagnosis System）是由鐵科院研發(fā)的覆蓋客列檢、客整所（整備所）、車(chē)輛段、各路局集團(tuán)、國(guó)鐵集團(tuán)的綜合安全監(jiān)控信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)制定發(fā)布了統(tǒng)一規(guī)范的車(chē)地傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及配套的設(shè)備維護(hù)管理辦法，可兼容不同廠家生產(chǎn)的多種不同的車(chē)載監(jiān)控設(shè)備，以及25K、25G、25T 等多個(gè)車(chē)型。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面對(duì)提速客車(chē)的全程監(jiān)控，切實(shí)保障客車(chē)運(yùn)行安全，重點(diǎn)檢測(cè)客車(chē)軸溫、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向架、客車(chē)供電、電器及空調(diào)等多個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行安全狀況。經(jīng)過(guò)15 a 的運(yùn)用和發(fā)展，TCDS 已成為保障我國(guó)鐵路客車(chē)運(yùn)行安全的有力手段［2］。

1 動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息無(wú)線傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)

動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息無(wú)線傳輸及地面監(jiān)控系統(tǒng)（WTDS）是對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集、傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄與故障分析的技術(shù)平臺(tái)，是保證動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)安全，提高動(dòng)車(chē)組檢修效率的重要手段。在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)載設(shè)備采集動(dòng)車(chē)組列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）的重要參數(shù)、故障數(shù)據(jù)及位置數(shù)據(jù)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)WTDS 地面數(shù)據(jù)中心處理后，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)動(dòng)車(chē)組參數(shù)變化規(guī)律，對(duì)重大故障進(jìn)行綜合診斷，深入分析列車(chē)故障發(fā)生原因，對(duì)保證動(dòng)車(chē)組安全高效運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

WTDS 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到國(guó)鐵集團(tuán)外網(wǎng)服務(wù)器，并通過(guò)安全網(wǎng)閘傳輸至國(guó)鐵集團(tuán)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器。WTDS 過(guò)程數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量較大，采用回庫(kù)下載的模式，即動(dòng)車(chē)組回庫(kù)后通過(guò)設(shè)在動(dòng)車(chē)所內(nèi)的無(wú)線接入設(shè)備，將動(dòng)車(chē)組數(shù)據(jù)自動(dòng)同步至位于動(dòng)車(chē)所內(nèi)的數(shù)據(jù)工作站中。動(dòng)車(chē)所技術(shù)人員在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后將分析結(jié)果上傳至國(guó)鐵集團(tuán)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器。WTDS 同時(shí)向其他系統(tǒng)，如動(dòng)車(chē)組司控動(dòng)作監(jiān)控系統(tǒng)（EOAS）發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 WTDS 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 基于數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

WTDS 系統(tǒng)目前實(shí)時(shí)接收3 000 余列標(biāo)準(zhǔn)組動(dòng)車(chē)組數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)期可能達(dá)到5 000 列標(biāo)準(zhǔn)組動(dòng)車(chē)組接入，日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量超過(guò)10 億條。需要采用高并發(fā)、高可靠、高負(fù)載的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，從而完成海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。應(yīng)用數(shù)據(jù)總線技術(shù)可有效地對(duì)各數(shù)據(jù)處理模塊解耦，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題拆解成子模塊進(jìn)行分解處理，還可以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量的頻繁變化，在數(shù)據(jù)流量較大時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)總線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，減緩波峰時(shí)瞬間對(duì)系統(tǒng)造成的性能壓力。

WTDS 地面數(shù)據(jù)中心按照私有協(xié)議接收到動(dòng)車(chē)組發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，為了能夠高效穩(wěn)定地處理數(shù)據(jù)，應(yīng)用了數(shù)據(jù)總線技術(shù)。WTDS 數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示，各個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)數(shù)據(jù)總線連接，所有數(shù)據(jù)分散成多個(gè)分區(qū)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)總線中。每包數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)總線時(shí)會(huì)根據(jù)各分區(qū)的負(fù)載情況分配到待處理數(shù)據(jù)較少的分區(qū)。數(shù)據(jù)總線為每個(gè)數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)遞增序列號(hào)（ID），代表其進(jìn)入數(shù)據(jù)總線的先后順序，并按順序存儲(chǔ)在分區(qū)中。各個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊在數(shù)據(jù)總線中選擇不同的分區(qū)，獲取數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理。各數(shù)據(jù)處理模塊自己維護(hù)已完成處理的數(shù)據(jù)ID。處理完成后，數(shù)據(jù)處理模塊向數(shù)據(jù)總線請(qǐng)求下一個(gè)數(shù)據(jù)包（ID+1）。各數(shù)據(jù)處理模塊也可以從其他任意位置開(kāi)始數(shù)據(jù)處理（ID+n）。這樣，不同數(shù)據(jù)處理模塊可以并行工作在同一個(gè)數(shù)據(jù)總線之中，每個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊都保留自己的ID，互相之間不干擾，保證了數(shù)據(jù)的一致性，為并發(fā)處理提供了線程安全的保證，數(shù)據(jù)處理高效穩(wěn)定。當(dāng)單點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可以由其他數(shù)據(jù)處理模塊接續(xù)完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)總線中保留的數(shù)據(jù)非常龐大，當(dāng)自身處理性能不足時(shí)，通過(guò)負(fù)責(zé)均衡策略將分區(qū)分配到不同服務(wù)器上。當(dāng)服務(wù)器過(guò)載時(shí)，通過(guò)擴(kuò)容可以將數(shù)據(jù)重新均勻分配，保證數(shù)據(jù)可靠性。

圖2 WTDS 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 基于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的數(shù)據(jù)分析方法

WTDS 系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理工作后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)保存?，F(xiàn)場(chǎng)用戶無(wú)法直接使用海量的車(chē)載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，需要運(yùn)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對(duì)車(chē)載數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合展示。數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助圖形化手段，清晰有效地表現(xiàn)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)用戶需要對(duì)數(shù)據(jù)的特征和不同動(dòng)車(chē)組在數(shù)據(jù)層面所存在的差異進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)稀疏而復(fù)雜的數(shù)據(jù)集進(jìn)行深入的洞察［3］。動(dòng)車(chē)組數(shù)據(jù)內(nèi)容龐雜、數(shù)據(jù)項(xiàng)點(diǎn)繁多，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)查看獲取信息效率極低且容易遺漏大量有效信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了幾種動(dòng)車(chē)組數(shù)據(jù)的可視化方案，幫助用戶更好地理解數(shù)據(jù)。

3.1 車(chē)地通信質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化

該方案將車(chē)地通信狀態(tài)與地理位置相結(jié)合，綜合利用甘特圖、折線圖，將地理位置與通信質(zhì)量做出對(duì)比，分析動(dòng)車(chē)組與地面通信的狀態(tài)，以及線路對(duì)車(chē)地通信質(zhì)量的影響情況。車(chē)地通信質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化如圖3 所示，甘特圖用于展示以時(shí)間維度標(biāo)識(shí)的通信質(zhì)量，紅色為通信質(zhì)量不佳；折線圖用于定量展示通信延時(shí)情況。地圖展示通信質(zhì)量與線路地理位置的關(guān)系，紅色為通信質(zhì)量不佳的位置。右側(cè)菜單欄可選擇不同車(chē)組號(hào)、時(shí)間、數(shù)據(jù)類(lèi)型。

圖3 車(chē)地通信質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化

3.2 子系統(tǒng)故障頻率數(shù)據(jù)可視化

該方案通過(guò)對(duì)相同子系統(tǒng)下故障發(fā)生次數(shù)的對(duì)比，提取離群值（異常車(chē)組），從而更有針對(duì)性地詳細(xì)排查故障，排查重大故障隱患。子系統(tǒng)故障頻率數(shù)據(jù)可視化如圖4 所示，用不同顏色的圓點(diǎn)表示不同車(chē)組在指定時(shí)間范圍內(nèi)子系統(tǒng)的故障發(fā)生次數(shù)。四分位數(shù)箱體用于表示某子系統(tǒng)全部動(dòng)車(chē)組的故障發(fā)生頻率分布情況。如果某列動(dòng)車(chē)組故障發(fā)生頻率明顯高于其他動(dòng)車(chē)組，則應(yīng)特別關(guān)注。目前，在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，分析人員主要對(duì)單個(gè)故障進(jìn)行分析，而該方案提供了故障分析的宏觀視角。

圖4 子系統(tǒng)故障頻率數(shù)據(jù)可視化

3.3 溫度預(yù)警時(shí)域分布可視化

該方案通過(guò)分析溫度預(yù)警的時(shí)間分布特征，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并針對(duì)預(yù)警高發(fā)時(shí)段進(jìn)行針對(duì)性分析及原理剖析。溫度預(yù)警時(shí)域分布數(shù)據(jù)如圖5所示，橫軸表示溫度預(yù)警發(fā)生的不同時(shí)段，藍(lán)色圓圈表示某個(gè)溫度預(yù)警在該時(shí)段內(nèi)發(fā)生的次數(shù)，圓圈越大發(fā)生的次數(shù)越多。由圖5 可看出，上午發(fā)生溫度預(yù)警的概率明顯大于下午。可以提示各系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖5 溫度預(yù)警時(shí)域分布可視化

3.4 溫度預(yù)警地域分布數(shù)據(jù)可視化

該方案通過(guò)關(guān)聯(lián)不同溫度預(yù)警類(lèi)型與地理位置，對(duì)齒輪箱溫度預(yù)警和轉(zhuǎn)向架溫度預(yù)警在不同地理位置的分布差異進(jìn)行了分析?，F(xiàn)有研究中心較少分析不同類(lèi)型溫度預(yù)警與線路地理位置之間的關(guān)系。通過(guò)分析溫度預(yù)警與線路地理位置的關(guān)系，京廣線轉(zhuǎn)向架溫度預(yù)警高發(fā)，京滬線線路齒輪箱溫度預(yù)警高發(fā)。應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)線路情況的排查，并對(duì)重點(diǎn)部件運(yùn)用情況進(jìn)行檢查。

3.5 制動(dòng)狀態(tài)聚類(lèi)分析數(shù)據(jù)可視化

該方案通過(guò)對(duì)車(chē)組制動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間分布進(jìn)行聚類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)特殊狀態(tài)發(fā)生頻率的異常變化，進(jìn)而提示技術(shù)人員進(jìn)行針對(duì)性分析。制動(dòng)狀態(tài)聚類(lèi)分析數(shù)據(jù)如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)某動(dòng)車(chē)組在半個(gè)月內(nèi)，7 級(jí)電制動(dòng)狀態(tài)發(fā)生頻率異常，需進(jìn)行排查。目前，這種長(zhǎng)期的特殊狀態(tài)頻率變化往往被忽視。

圖6 制動(dòng)狀態(tài)聚類(lèi)分析數(shù)據(jù)可視化

3.6 牽引變流器出口油溫?cái)?shù)據(jù)可視化

該方案通過(guò)對(duì)比全部動(dòng)車(chē)組在相同時(shí)間內(nèi)的牽引變流器出口溫度，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常動(dòng)車(chē)組。在此方案中，針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景下數(shù)據(jù)量巨大，可視化速度慢的問(wèn)題，對(duì)盒須圖中非離群值部分在保留統(tǒng)計(jì)特征前提下進(jìn)行了降采樣，提高了顯示速度。牽引變流器出口油溫?cái)?shù)據(jù)如圖7 所示，每一個(gè)盒須圖箱體表示牽引變流器出口油溫在特定時(shí)間范圍內(nèi)的溫度分布。某動(dòng)車(chē)組牽引變流器出口溫度分布顯著高于其他動(dòng)車(chē)組，應(yīng)予特別關(guān)注。

圖7 牽引變流器出口油溫?cái)?shù)據(jù)可視化

4 總 結(jié)

文中針對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)載數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息無(wú)線傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。針對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息數(shù)據(jù)量大，地面數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)負(fù)載、系統(tǒng)可靠性要求高的特點(diǎn)，提出了基于數(shù)據(jù)總線技術(shù)的地面系統(tǒng)負(fù)載均衡方案。同時(shí)，為了更好的分析海量車(chē)載數(shù)據(jù)，提出了車(chē)地通信質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化、子系統(tǒng)故障頻率可視化、溫度預(yù)警時(shí)域分布可視化、溫度預(yù)警地域分布數(shù)據(jù)可視化、制動(dòng)狀態(tài)聚類(lèi)分析數(shù)據(jù)可視化、牽引變流器出口油溫?cái)?shù)據(jù)可視化，共6 種動(dòng)車(chē)組車(chē)載數(shù)據(jù)可視化方案。通過(guò)這些數(shù)據(jù)可視化方案的應(yīng)用，為海量數(shù)據(jù)的分析提供了全新的視角，顯著地提高了用戶分析動(dòng)車(chē)組車(chē)載數(shù)據(jù)的深度和廣度。