車(chē)載設(shè)備故障捕捉分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王文龍

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 510330，廣州//工程師)

車(chē)載信號(hào)設(shè)備是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分之一，其故障對(duì)列車(chē)安全正常運(yùn)營(yíng)影響巨大。以廣州地鐵2、8號(hào)線(xiàn)為例，車(chē)載故障次數(shù)占信號(hào)全部故障的60%以上，而這其中有50%左右的故障不明原因。缺乏設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)手段是造成故障排查困難的不利因素之一。這使得故障分析缺少足夠的依據(jù)，不能保障故障得到完全的處理。

面對(duì)現(xiàn)階段的運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)情況和故障排查時(shí)遇到的困難，本文提出設(shè)計(jì)一種車(chē)載設(shè)備故障捕捉分析系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“捕捉系統(tǒng)”)，以實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)車(chē)載ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)、ATP(列車(chē)自動(dòng)保護(hù))報(bào)文數(shù)據(jù)，采集存儲(chǔ)20 mA電流環(huán)信號(hào)以及車(chē)載設(shè)備電氣接口模擬量和開(kāi)關(guān)量等參數(shù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，捕捉故障過(guò)程中的故障現(xiàn)象和數(shù)據(jù)信息。在車(chē)載信號(hào)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，維護(hù)人員可查看存儲(chǔ)和記錄的數(shù)據(jù)，了解故障時(shí)的設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，提高故障排查和處理效率。

1 捕捉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

捕捉系統(tǒng)由車(chē)載工作站、PCI(外設(shè)組件互聯(lián))串口擴(kuò)展卡、模擬量隔離采集板、開(kāi)關(guān)量隔離采集板、報(bào)文隔離串口板、MVB(多功能車(chē)輛總線(xiàn))網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)服務(wù)器、顯示終端等組成，如圖1所示。模擬量隔離采集板、開(kāi)關(guān)量隔離采集板、報(bào)文隔離串口板通過(guò)PCI串口擴(kuò)展卡連接安裝在車(chē)載工作站內(nèi)，MVB網(wǎng)卡直接安裝在車(chē)載工作站內(nèi)。車(chē)載工作站部署在列車(chē)車(chē)載機(jī)柜中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)服務(wù)器部署在維修值班室，負(fù)責(zé)解析和處理從車(chē)載工作站下載的數(shù)據(jù)，再通過(guò)VGA(視頻圖形陣列)線(xiàn)傳輸并在顯示終端上呈現(xiàn)分析結(jié)果。

圖1 捕捉系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 車(chē)載ATO和ATP報(bào)文解析

1.2.1 采集連接方式

列車(chē)車(chē)載機(jī)柜預(yù)留一個(gè)ATO串口，為不影響原系統(tǒng)正常使用，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊將此串口一分為二，其中一個(gè)連接至車(chē)載工作站，另一個(gè)仍作預(yù)留的ATO串口。車(chē)載ATP報(bào)文數(shù)據(jù)采集連接方式同理。

1.2.2 報(bào)文信息解析

首先，通過(guò)獲取大量串口數(shù)據(jù)并進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘處理，得出報(bào)文有效數(shù)據(jù)；然后，對(duì)報(bào)文有效數(shù)據(jù)的各字符進(jìn)行更改替換;最后,將更改替換前后反映出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，查找規(guī)律分析獲取報(bào)文信息內(nèi)容。

以車(chē)載ATO報(bào)文為例，某時(shí)刻獲取的報(bào)文為：

02 EE 41 48 E1 1F 00 00 22 01 C9 16 61 81 27 01 05 B7 6C 44 39 00 00 44 39 00 00 C7 13 10 82 41 1D FE 9B 40 C7 13 10 82 41 CB 10 82 C5 A3 0A 03

該報(bào)文解釋為：該時(shí)刻、該列車(chē)在軌道區(qū)段T0512(其IAK編號(hào)為5)以5.115 m/s(18.414 km/h)的速度運(yùn)行。該列車(chē)進(jìn)入此軌道區(qū)段后，接收到第一條K報(bào)文(短報(bào)文)時(shí)進(jìn)行位置同步，同步時(shí)刻的里程計(jì)讀數(shù)(即參考讀數(shù))和位置(即參考位置)分別為14 660、8.130 m，而當(dāng)前時(shí)刻的里程計(jì)讀數(shù)和位置分別為14 686、9.169 m，如圖2所示。

圖2 某時(shí)刻接收到某車(chē)載ATO報(bào)文時(shí)的列車(chē)位置

1.3 模擬量電參數(shù)測(cè)量分析

捕捉系統(tǒng)采集的模擬量共有3路，分別為1路20 mA電流環(huán)電流量、2路24 V測(cè)速電機(jī)供電電壓量。具體采集方案是：利用電流傳感器對(duì)20 mA電流環(huán)電流進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；利用高輸入阻抗的電壓跟隨放大電路對(duì)測(cè)速電機(jī)供電電壓進(jìn)行分壓采樣并通過(guò)光耦進(jìn)行傳輸。處理過(guò)的電壓與電流信號(hào)經(jīng)過(guò)AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理后送到單片機(jī)，由單片機(jī)編碼后通過(guò)串口發(fā)送給車(chē)載工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)模擬量電參數(shù)進(jìn)行解碼、處理和分析，并繪制圖形結(jié)果。

某時(shí)間段的模擬量數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3 b)、c)所示。根據(jù)圖3 b)，在A(yíng)階段，電流環(huán)電流逐漸增大至15 mA左右，列車(chē)快速牽引，列車(chē)速度逐漸增大，與圖3 a)快速牽引對(duì)應(yīng)；在B階段，電流環(huán)電流逐漸減小至4 mA左右，列車(chē)緩慢牽引，列車(chē)速度仍繼續(xù)增大，與圖3 a)緩慢牽引對(duì)應(yīng)；在C階段，電流環(huán)電流在2～4 mA(輸出等效值為0)范圍，列車(chē)惰行，與圖3 a)惰行對(duì)應(yīng)；在D階段，電流環(huán)電流先增大至12 mA左右,再減小最后迅速降至0，列車(chē)制動(dòng)并停車(chē)，與圖3 a)制動(dòng)對(duì)應(yīng)。測(cè)速電機(jī)電壓測(cè)量值顯示,該時(shí)間段電機(jī)供電正常。

1.4 開(kāi)關(guān)量電參數(shù)采集分析

捕捉系統(tǒng)采集的開(kāi)關(guān)量均為電壓量，共有22路，分別為6路24 V電壓量、2路48 V電壓量、14路110 V電壓量。具體采集方案是：利用高輸入阻抗的電壓分壓、比較電路，將電壓信號(hào)通過(guò)光耦隔離傳輸后送到單片機(jī)，由單片機(jī)編碼后通過(guò)串口發(fā)送給車(chē)載工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)開(kāi)關(guān)量電參數(shù)進(jìn)行解碼、處理和分析，并繪制圖形結(jié)果。

a) 速度曲線(xiàn)

某時(shí)間段廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)廣州南站至嘉禾望崗上行的開(kāi)關(guān)量部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。數(shù)據(jù)分析以左門(mén)釋放、右門(mén)釋放，ATP接收、ATP發(fā)送、折返操作為例進(jìn)行說(shuō)明。

(1)左門(mén)釋放、右門(mén)釋放。在06:49:47—07:41:20時(shí)間段，出現(xiàn)14個(gè)單獨(dú)左門(mén)釋放信號(hào)、9個(gè)單獨(dú)右門(mén)釋放信號(hào)、1個(gè)既左門(mén)釋放又右門(mén)釋放信號(hào)。這與該段運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)，列車(chē)在廣州南站、東曉南、飛翔公園、白云公園、白云文化廣場(chǎng)、蕭崗、江夏、黃邊、嘉禾望崗等站到站單獨(dú)開(kāi)右門(mén)，在公園前站到站開(kāi)左右門(mén)，在其他站單獨(dú)開(kāi)左門(mén)的情況完全相符。

(2)ATP接收、ATP發(fā)送和折返操作。在07:41:20時(shí)刻稍前，出現(xiàn)ATP接收、ATP發(fā)送信號(hào)，隨后出現(xiàn)折返操作信號(hào)。這與該時(shí)刻附近，列車(chē)在嘉禾望崗終點(diǎn)站到站后，兩個(gè)車(chē)頭ATP開(kāi)始通信并執(zhí)行自動(dòng)折返操作的情況完全相符。

圖4 某時(shí)間段開(kāi)關(guān)量部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果

1.5 MVB報(bào)文解析

西門(mén)子MVB符合TCN(列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò))標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)載設(shè)備占用邏輯端口連接到MVB中，實(shí)現(xiàn)與車(chē)輛設(shè)備的數(shù)據(jù)通信和交換。將車(chē)載工作站內(nèi)的MVB網(wǎng)卡的另一端連接到MVB中，并配置應(yīng)用環(huán)境和物理參數(shù)，根據(jù)西門(mén)子定義的MVB信號(hào)表，讀取和解析MVB報(bào)文。

以廣州地鐵A 4車(chē)型為例，某時(shí)刻0x1FE端口地址獲取的MVB報(bào)文為：

DD0079020201010000002017000020180000000 0000000000000000000000000

該報(bào)文解釋為：該時(shí)刻，廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)2A017018列車(chē)(主用司機(jī)室在017車(chē))限速為0(其實(shí)際情況為停車(chē)狀態(tài))，列車(chē)總重為242 t，該列車(chē)的開(kāi)左門(mén)按鈕和開(kāi)右門(mén)按鈕均被按下2次，關(guān)左門(mén)按鈕和關(guān)右門(mén)按鈕均被按下1次。

2 結(jié)語(yǔ)

捕捉系統(tǒng)已應(yīng)用在廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)2A027028車(chē)上。運(yùn)營(yíng)部門(mén)利用該系統(tǒng)采集和分析的數(shù)據(jù)，能夠監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)文數(shù)據(jù)；在發(fā)生故障時(shí)通過(guò)提取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可對(duì)故障進(jìn)行分析和排查，提升故障處理效率。另外，在獲取大量數(shù)據(jù)后形成大數(shù)據(jù)庫(kù)，將有利于跟蹤設(shè)備狀態(tài)，并依據(jù)這些歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)分析，提升設(shè)備維護(hù)水平。這是系統(tǒng)后續(xù)可深入研究和增強(qiáng)的內(nèi)容。