城軌列車邏輯控制裝置運行數(shù)據(jù)健康管理技術(shù)研究

佘云祥　李天一　楊楠

摘要：列車可編程邏輯控制單元產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)場替代列車大量繼電器、接觸器，降低運維成本提升安全性的同時，產(chǎn)生了大量輸入采集、輸出控制、點位監(jiān)測數(shù)據(jù)。提出一套針對現(xiàn)場多設(shè)備、多物理量、多尺度、多概率的評估方法，并分析了借助數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建列車控制信息模型的可行性。構(gòu)建了健康管理系統(tǒng)控制信息模型，其中包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。目前，LCU應(yīng)用現(xiàn)場列車內(nèi)嵌綜合健康管理系統(tǒng)已應(yīng)用于部分城軌列車可編程邏輯控制單元裝車現(xiàn)場，應(yīng)用情況良好。

關(guān)鍵詞：城軌列車；數(shù)字孿生；可編程邏輯控制單元；內(nèi)嵌綜合健康管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：U268.2 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.03.007

文章編號：1006-0316 （2023） 03-0041-06

Investigation on Health Management Technology of Operation Data of

Logic Control Device of Urban Rail Trains

SHE Yunxiang1，LI Tianyi1，YANG Nan2

（ 1.Shenzhen Metro Group Co.， Ltd.， Shenzhen 518040， China;

2.Chengdu Yunda Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China ）

Abstract：The product of train programmable logic control unit replaces a large number of relays and contactors on the site， which reduces the operation and maintenance costs and improved the safety. At the same time， a large number of input acquisition， output control and point monitoring data are generated. A set of evaluation method for multi-device， multi-physical quantity， multi-scale and multi -probability are proposed. And the feasibility of building train control information model with the help of digital twin technology is analyzed. The control information model of health management system including the construction of relational database and non-relational database is constructed. At present， the train embedded integrated health management system on the site of LCU application has been applied to some urban rail train PLC unit loading sites and performs well.

Key words：urban rail train；digital twins；programmable logic control unit；embedded comprehensive health management system；data analysis

城軌列車車上設(shè)備、繼電器、接觸器等運行環(huán)境復(fù)雜，受振動、電磁、電源波動、溫度變化等因素影響，易產(chǎn)生設(shè)備故障、觸點變形、粘連或無法吸合[1]。SIL4級可編程邏輯控制單元（LCU，Logic Control Unit）應(yīng)用以來，通過多CPU（Central Processing Unit，中央處理器）比對、高冗余特性，有效解決了復(fù)雜環(huán)境下列車?yán)^電器控制電路故障頻發(fā)、檢測困難、維護成本高等共性難題。

同時，由于列車設(shè)備眾多，一些設(shè)備的異常最終可能影響列車動車、開門、升弓等關(guān)鍵功能，最終導(dǎo)致列車退出運營甚至線路延誤。LCU恰好具備互聯(lián)設(shè)備多且處在關(guān)鍵指令收發(fā)節(jié)點的特性，并且具備相對豐富的監(jiān)測點位。其接收的指令數(shù)據(jù)與發(fā)出的控制指令針對不同線路同類外部設(shè)備往往具有相似特性。例如，在列車到達出入庫轉(zhuǎn)換區(qū)后，為保證受電弓和受流靴安全快速切換，采用安全可靠的“二乘二取二”冗余架構(gòu)的LCU代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器控制電路，同時充分考慮弓靴轉(zhuǎn)換時的各種控制邏輯，確保在出入庫進行轉(zhuǎn)換時可以快速、安全、可靠地執(zhí)行升降弓、升降靴的操作[2]。

通過對列車車輛LCU控制邏輯、LCU運行數(shù)據(jù)、車輛電氣圖及車輛設(shè)備特征進行收集與分析，構(gòu)建列車控制信息模型，并在設(shè)計階段對車輛關(guān)系型數(shù)據(jù)建立模型，試運營階段通過對LCU運行數(shù)據(jù)的收集實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)系的學(xué)習(xí)與標(biāo)定，運營階段對相關(guān)數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確性判斷及趨勢分析。

1 健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)落地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

現(xiàn)代的地鐵列車逐步安裝了LCU、走行部狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、車門診斷系統(tǒng)、空調(diào)監(jiān)測系統(tǒng)、軌道監(jiān)測系統(tǒng)和弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)等。現(xiàn)有技術(shù)中并沒有將上述各個關(guān)鍵監(jiān)測子系統(tǒng)互連的數(shù)據(jù)集成[3]。

LCU一般分布在列車各個車廂電氣柜，具備維護數(shù)據(jù)外發(fā)能力，LCU機箱內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用兩路CAN（Controller Area Network，控制器域網(wǎng)）總線冗余通信。正常工作時，兩路CAN總線同時參與通信。當(dāng)任一CAN異常時，維持另一路CAN總線運行，保證LCU內(nèi)部數(shù)據(jù)正常通信[4]。LCU維護數(shù)據(jù)用于列車實時顯示信息、或經(jīng)其他系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)落地后存儲分析。LCU維護以太網(wǎng)（ethernet，ETH）通信網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

為LCU維護數(shù)據(jù)在地面端實時分析展示，并在地面監(jiān)控全線路車輛運營狀態(tài)，通過4G/ 5G/WLAN/微波或定期由維護人員轉(zhuǎn)儲等車地通訊手段，將LCU列車運行數(shù)據(jù)落地。LCU實時、歷史控制數(shù)據(jù)落地網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。

LCU數(shù)據(jù)通過LCU內(nèi)部數(shù)據(jù)采集層，經(jīng)過數(shù)據(jù)接收，之后分別通過數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層進行落地、存儲，為應(yīng)用層對數(shù)據(jù)長期分析、建立數(shù)據(jù)集、標(biāo)定做準(zhǔn)備。

2 健康管理系統(tǒng)控制信息模型

地面接收LCU數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分為狀態(tài)數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)兩大類。并通過服務(wù)層提供不同服務(wù)，用以查詢數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)接口。應(yīng)用層作為與用戶交互的界面，主要通過數(shù)據(jù)接口，完成對LCU狀態(tài)數(shù)據(jù)、LCU控制數(shù)據(jù)的分類展示。其數(shù)據(jù)流如圖3所示。

在數(shù)據(jù)層、服務(wù)層，能夠?qū)↙CU溫度、設(shè)備內(nèi)電壓監(jiān)控、故障及狀態(tài)等信息在內(nèi)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，與包括LCU輸入、輸出、控制命令、反饋數(shù)據(jù)在內(nèi)的LCU運行數(shù)據(jù)兩大類數(shù)據(jù)，通過LCU裝車方案設(shè)計及LCU邏輯梯形圖細分至已分類設(shè)備與未知關(guān)系類型。

2.1 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1.1 電氣圖關(guān)聯(lián)信息提取

通過LCU替代列車?yán)^電器電氣原理圖，可以獲取LCU輸入與輸出間的關(guān)系。受電弓保持指令原車電氣原理圖如圖4所示，其作為來自TCMS（Train Control and Management System，列車控制和管理系統(tǒng)）控制命令受電弓保持指令的輸出。

LCU除替代繼電器（圖4）進行基本邏輯控制外，還替代部分列車線[5]。據(jù)此，將其點位分類為列車受電弓模塊相關(guān)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)納入弓控制關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

2.1.2 梯形圖關(guān)聯(lián)信息提取

由于LCU具備內(nèi)部、LCU間級聯(lián)、TCMS通訊機制，以往通過列車線在車間傳遞的信號，在LCU改造后基本可以實現(xiàn)在LCU間內(nèi)網(wǎng)傳輸或通過TCMS下發(fā)指令，并能夠在繪制相關(guān)梯形圖時使用來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常以級聯(lián)中間變量或TCMS控制命令的形式出現(xiàn)在梯形圖中[6]。

將編寫好的模板導(dǎo)入系統(tǒng)，系統(tǒng)會以線路編號、LCU名稱、車型、邏輯項編碼、邏輯關(guān)系等作為檢測條件，判斷是否已存在。如果存在則跳過，不存在則新增，避免產(chǎn)生重復(fù)項。

如圖5所示，可以確定弓信號所有相關(guān)LCU輸入、中間變量信息，據(jù)此能夠?qū)⑵潼c位分類為列車受電弓模塊相關(guān)[7]。通過軟件標(biāo)記，數(shù)據(jù)采集層將其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)納入弓控制關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。軟件數(shù)據(jù)接收層接收數(shù)據(jù)采集層發(fā)生的數(shù)據(jù)，然后再進行中轉(zhuǎn)發(fā)送給服務(wù)層的業(yè)務(wù)處理。

2.2 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.2.1 采集數(shù)據(jù)非關(guān)聯(lián)信息提取

LCU監(jiān)測點位中，若一些替代繼電器點位無明確說明，或采集數(shù)據(jù)僅用于上傳網(wǎng)絡(luò)以作顯示，其點位可能暫時與其他已知模塊不相關(guān)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以納入非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

圖6中LCU邏輯是已知邏輯，其他邏輯為門控單元、車輛電氣等系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)邏輯[8]。通過對LCU采集數(shù)據(jù)分析，從數(shù)據(jù)中找出相應(yīng)潛在邏輯，并根據(jù)長時間運行情況跟蹤，對非關(guān)聯(lián)信息間潛在邏輯正確性進行驗證。

2.2.2? LCU狀態(tài)類非關(guān)系型數(shù)據(jù)

LCU系統(tǒng)內(nèi)，存在輸入自檢、輸出自檢、通訊自檢及對機箱內(nèi)溫度、各模塊溫度、各機箱供電電壓監(jiān)測[9]。這些數(shù)據(jù)除顯示LCU運行狀態(tài)外，可能與列車其他設(shè)備存在潛在關(guān)聯(lián)。與其采集型非關(guān)聯(lián)信息類似，這些數(shù)據(jù)在設(shè)計階段納入非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，在列車整車調(diào)試、試運行階段則會嘗試通過分析，與已知關(guān)系型數(shù)據(jù)建立邏輯關(guān)系[10]。

3 健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

針對列車已知系統(tǒng)及LCU系統(tǒng)自身狀態(tài)數(shù)據(jù)，健康管理系統(tǒng)能夠進行數(shù)據(jù)展示。通過數(shù)據(jù)檢測、預(yù)測，輔助地面管控人員進行全生命周期管理與分析決策。

LCU向地面回傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)如圖7所示，主要進行運行數(shù)據(jù)展示、實時故障顯示。

通過餅狀圖，可以直觀觀察到不同編號LCU正常、中等故障、嚴(yán)重故障的數(shù)量、占比。界面列車圖形顏色表示該車存在故障，例如嚴(yán)重故障顯示為紅色，中等故障顯示為黃色，輕微故障或無故障顯示為藍色。

健康管理系統(tǒng)可以在線查看LCU各模塊狀態(tài)數(shù)據(jù)。實時狀態(tài)數(shù)據(jù)如圖8所示，包括版本信息、電源電壓、故障狀態(tài)。

健康管理系統(tǒng)可以以邏輯梯形圖方式查看車輛邏輯，如圖9所示。紅色代表該節(jié)點處于得電狀態(tài)，綠色代表該節(jié)點處于無電狀態(tài)。

通過這種形式，在地面能夠直觀查看車輛邏輯狀態(tài)，所有實時數(shù)據(jù)將以對應(yīng)時間的布爾量的形式進行存儲，為列車控制信息模型提供數(shù)據(jù)支撐。

4 列車控制信息模型建立方法研究

通過車輛LCU控制數(shù)據(jù)在健康管理系統(tǒng)內(nèi)的積累，未來可結(jié)合車輛實際物理構(gòu)成與信息來源建立列車控制信息模型。LCU控制數(shù)據(jù)中已包含每個邏輯輸入、輸出點位及采樣時間信息。通過已知設(shè)備建立的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，及點位梯形圖提供的已知邏輯關(guān)系，對LCU數(shù)據(jù)庫中記錄的各數(shù)字量輸入輸出及采樣時間等數(shù)據(jù)進行清理、整合、建模，搭建基于LCU系統(tǒng)的列車健康管理體系。具體過程如圖10所示。

通過在車輛調(diào)試、試運營階段對數(shù)據(jù)進行人工分類、篩選，健康管理系統(tǒng)可更新關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存。

4.1? LCU關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的使用

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是列車控制信息模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。列車正式運營時，產(chǎn)生的運營數(shù)據(jù)可以與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行比對，在系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)產(chǎn)生突發(fā)變化時，系統(tǒng)將從延時變化趨勢、突發(fā)變化兩方面對數(shù)據(jù)進行長期監(jiān)測。

如圖11所示，系統(tǒng)能夠通過實時數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)對比，主動診斷異常波形，對輸入變化但輸出無響應(yīng)、輸出變化但缺少輸入條件等情況進行跟蹤，并在系統(tǒng)中對異常點位涉及梯形圖、對應(yīng)電氣圖進行標(biāo)記。通過人工復(fù)核分析，能夠較為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)LCU數(shù)據(jù)漏存，輸入、輸出、中間變量數(shù)據(jù)異常跳變，數(shù)據(jù)變化邊沿間隔時間波動等現(xiàn)象，從而進一步指導(dǎo)現(xiàn)場LCU維護、更換備件、表征其他子系統(tǒng)潛在故障，推進排查檢修，以保證列車運行安全可靠。

4.2 控制信息與設(shè)備工作原理結(jié)合分析模型案例

以受電弓控制狀態(tài)為例，當(dāng)列車正常運行時，受電弓保持信號應(yīng)持續(xù)得電。根據(jù)受電弓及車輛設(shè)備物理特性，列車功率設(shè)備運行時，受電弓若強行降弓，將引起弓、網(wǎng)間拉弧，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致受電弓碳滑板溫度過高，引起燒蝕。據(jù)此，可以將列車受電弓降弓回路控制信息回采與列車高速斷路器狀態(tài)、牽引/空調(diào)等功率設(shè)備工作使能狀態(tài)進行結(jié)合，建立自動分析判斷邏輯。

例如當(dāng)受電弓處于升弓狀態(tài)時，若空調(diào)等設(shè)備正在運行，但受電弓出現(xiàn)短暫降弓信號抖動，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出預(yù)警，列車回庫后可通過系統(tǒng)派工單主動檢查受電弓碳滑板燒蝕狀態(tài)、降弓信號抖動根因等。

未來通過LCU設(shè)備運行數(shù)據(jù)建立并逐步完善該數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)整合并充分利用列車控制數(shù)據(jù)，跨原本不互通、無邏輯聯(lián)系的多設(shè)備狀態(tài)進行主動故障預(yù)警與狀態(tài)檢修，提高運維工程人員分析故障根因、發(fā)現(xiàn)潛在隱患的效率。從而保障列車更長時間健康運行，降低運維成本，降低事故概率。

5 結(jié)束語

本文針對城軌列車LCU提出一套實時控制數(shù)據(jù)地面分析應(yīng)用技術(shù)。通過結(jié)合列車制造、列車調(diào)試過程進行數(shù)據(jù)關(guān)系標(biāo)定，形成列車邏輯控制單元控制信息模型。最終通過該模型對列車邏輯控制單元日常數(shù)據(jù)進行分析與監(jiān)測，提升了列車發(fā)現(xiàn)潛在邏輯控制問題的效率，掌握潛在相關(guān)邏輯變化趨勢，對邏輯控制突變數(shù)據(jù)進行告警。

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收稿日期：2022-04-24

作者簡介：佘云祥（1983－），男，廣東深圳人，工程師，主要從事地鐵車輛裝備技術(shù)研究和地鐵車輛裝備維保管理工作，E-mail：00545@szmcob.com。