城市軌道交通車輛狀態(tài)實時監(jiān)測與分析系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用

謝 謙

(北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術(shù)研發(fā)中心， 北京 102208)

隨著我國城市化進程的不斷加速和城市人口的日益增長，城市軌道交通由于其快捷、高效、綠色的特點已經(jīng)成為解決城市交通擁堵問題首要的方式。截至2017年底，全國34個城市建成投運的城市軌道交通線路已經(jīng)達到5 000 km。隨著城市軌道交通客流量的不斷增加，在網(wǎng)絡(luò)化運營的新形勢下，保障城市軌道交通車輛安全、可靠、穩(wěn)定的運行成為了各運營公司的首要任務(wù)。城市軌道交通車輛部件繁多，各部件都在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，但一些偶發(fā)故障很難故障再現(xiàn)，不能確認故障點，從而埋下安全隱患。對軌道交通車輛的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測與分析，對保障地鐵車輛運行安全性有十分重要的意義。結(jié)合北京地鐵7號線車輛在線監(jiān)測及分析系統(tǒng)應(yīng)用研究工作，提出車輛實時監(jiān)測系統(tǒng)的方案,同時嘗試通過狀態(tài)監(jiān)測改變傳統(tǒng)的車輛維修方式。

1 研發(fā)目標

北京地鐵7號線是北京中心城區(qū)的一條東西向地鐵線路，主要布置于兩廣路地下，貫穿北京外城，并連接東部勁松等地以及垡頭邊緣集團。7號線車輛由北京地鐵車輛裝備有限公司生產(chǎn)，列車為8節(jié)編組B型列車(6動2拖)，最高運行速度80 km/h，最大載客能力2 766人。在車輛運營過程中，由于車輛故障地面不能同步預(yù)警，車輛日常信息存儲于ERM(列車數(shù)據(jù)記錄儀)，需使用移動筆記本及數(shù)據(jù)線連接車輛后進行數(shù)據(jù)拷貝。現(xiàn)場響應(yīng)速度慢，處理時間長。出現(xiàn)快速自恢復(fù)故障時，乘務(wù)員也存在漏報，誤報故障現(xiàn)象。此外，大量車輛運營數(shù)據(jù)未能有效收集和利用，無法為車輛狀態(tài)修提供數(shù)據(jù)支撐。

通過本次研究實現(xiàn)正線運營車輛數(shù)據(jù)的無線上傳，地面調(diào)控中心對在線車輛實時監(jiān)測；實現(xiàn)段內(nèi)車輛的存儲記錄無線打包下載；建立分析系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫，輔助車輛數(shù)據(jù)的管理及統(tǒng)計；納入公司智能信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)信息的移動端APP形式報送。數(shù)據(jù)全量存儲、實時顯示，對于故障數(shù)據(jù)自動推送至移動端APP，實現(xiàn)故障自動上報，檢修中心收到故障信息指派專業(yè)人員現(xiàn)場維修，實現(xiàn)檢修電子化流程。

2 系統(tǒng)功能

在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)主要功能是收集列車數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送到地面列車數(shù)據(jù)服務(wù)器，從而為列車運行提供遠程專家技術(shù)支持和遠程診斷。

在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)與地面接收站通信的示意圖如圖1所示：

圖1 在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)與地面接收站通信圖

地面系統(tǒng)平臺功能緊密圍繞列車運營與檢修維護兩方面進行，建成的系統(tǒng)能夠支撐實現(xiàn)以下兩大目標：

(1)運營管理變革

建立車輛設(shè)備狀態(tài)的遠程可視化管理平臺，提升故障實時的處置水平以及提高服務(wù)水平；建立應(yīng)急指揮技術(shù)平臺，針對已經(jīng)發(fā)生的故障能及時指導司機或相關(guān)人員進行排除，避免人為因素擴大故障影響；

(2)檢修維護管理變革

建立智能檢修機制，在進一步降低綜合檢修成本的前提下，顯著提高車輛的檢修效率、安全性和可靠性，遠期能夠輔助支撐將目前的日檢模式改進為以狀態(tài)修為主，形成基于全壽命周期管理的維修制度。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

北京地鐵7號線在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)硬件分為車載部分和地面部分。

3.1 車載部分

車載4G/WLAN無線網(wǎng)關(guān)頭尾車各配置一個，頭尾車ERM與各自側(cè)的車載4G/WLAN無線網(wǎng)關(guān)分別通過以太網(wǎng)線纜連接，車載4G/WLAN無線網(wǎng)關(guān)通過饋線與放置于各自車頂?shù)能囕d天線相連接，實現(xiàn)正線4G狀態(tài)數(shù)據(jù)實時上傳以及非實時運行數(shù)據(jù)WLAN庫內(nèi)上傳。

車載天線和車載路由器如圖2。

圖2 車載天線和路由器組成

3.2 地面部分

地面放置服務(wù)器，用于接收正線通過4G上傳的實時狀態(tài)信息以及庫內(nèi)通過WLAN上傳的非實時運行數(shù)據(jù)。車輛段內(nèi)布設(shè)的WLAN局域網(wǎng)為庫內(nèi)非實時運行數(shù)據(jù)下載提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

4 地面系統(tǒng)功能規(guī)劃

地面系統(tǒng)平臺功能緊密圍繞列車運營與檢修維護兩方面進行，建成的系統(tǒng)能夠支撐實現(xiàn)以下兩大目標。

4.1 運營管理變革

建立車輛設(shè)備狀態(tài)的遠程可視化管理平臺，提升故障實時的處置水平以及提高服務(wù)水平；

建立應(yīng)急指揮技術(shù)平臺，針對已經(jīng)發(fā)生的故障能及時指導司機或相關(guān)人員進行排除，避免人為因素擴大故障影響；

4.2 檢修維護管理變革

建立智能檢修機制，在進一步降低綜合檢修成本的前提下，顯著提高車輛的檢修效率、安全性和可靠性，遠期能夠輔助支撐將目前的日檢模式改進為以狀態(tài)修為主，形成基于全壽命周期管理的維修制度。

5 地面系統(tǒng)功能設(shè)計

5.1 車輛數(shù)據(jù)無線傳輸

實時狀態(tài)數(shù)據(jù)正線上傳：頭尾車數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送儀(ERM)通過MVB接口連接到列車MVB總線。從MVB總線獲取列車實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)，然后通過車載4G/WLAN無線網(wǎng)關(guān)中的4G模塊實現(xiàn)正線數(shù)據(jù)實時上傳；

非實時運行數(shù)據(jù)庫內(nèi)上傳：列車回庫后，列車數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送儀(ERM)通過車載4G/WLAN無線網(wǎng)關(guān)中的WLAN模塊，經(jīng)車輛段內(nèi)的無線局域網(wǎng)(WLAN)無線數(shù)據(jù)傳輸通道，將記錄的運行數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)上傳至地面數(shù)據(jù)服務(wù)器，運行數(shù)據(jù)支持遠程下載，下載完成后通過專用的維護軟件(PTU)便可進行數(shù)據(jù)分析。

TCMS 系統(tǒng)車輛數(shù)據(jù)無線上傳拓撲方案如圖3。

圖3 TCMS系統(tǒng)車輛數(shù)據(jù)無線上傳拓撲方案

5.2 車輛實時狀態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

在線監(jiān)測分析系統(tǒng)平臺接收、解析、存儲城市軌道交通車輛的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析。平臺主要分為4個層級，包括數(shù)據(jù)接入層，數(shù)據(jù)解析層、數(shù)據(jù)存儲層與數(shù)據(jù)應(yīng)用層見圖4。

數(shù)據(jù)接入層的功能主要由地面數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，包括負載均衡模塊與netty網(wǎng)關(guān)模塊兩部分。通過本地軟件/硬件負載均衡技術(shù)擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器的帶寬、增加吞吐量、加強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。

數(shù)據(jù)解析層通過Spark Streaming分布式計算引擎來進行二進制數(shù)據(jù)的解析以及數(shù)據(jù)的運算轉(zhuǎn)換，能夠快速靈活從設(shè)備原始數(shù)據(jù)包中解析處理兩類數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲層采用Cassandra來作為時序數(shù)據(jù)的底層存儲，高性能寫入性能能夠滿足線性擴展，寫入相比查詢更加強大。

圖4 地面在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理示意圖

5.3 深度數(shù)據(jù)挖掘形成專家系統(tǒng)

系統(tǒng)基于大量歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘，達到列車故障的預(yù)測，已經(jīng)相關(guān)故障處置準確的智能指導，檢修相關(guān)工單、物料及人員的自動安排，實現(xiàn)專家系統(tǒng)未保存故障的自動學習，不斷自動完善專家系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)建議達到優(yōu)化完善整個地鐵網(wǎng)絡(luò)運維管理規(guī)程策略的目的。

5.4 車輛實時狀態(tài)監(jiān)測軟件 功能示例

(1)車輛運行狀態(tài)實時監(jiān)控(見圖5)

可了解車輛的當前所在站及下一站、車輛數(shù)據(jù)發(fā)送的最后時間、牽引制動狀態(tài)及級位、自動控制模式、緊急制動環(huán)路、當前里程、總里程、牽引能耗、總能耗、再生能耗、空壓機的工作時間，且可以直觀的看到列車的速度、總風壓、網(wǎng)壓、網(wǎng)流。右側(cè)故障區(qū)為車輛當前未消除的故障與預(yù)警信息。

圖5 車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控界面

(2)車輛故障信息實時告警(見圖6)

下方的實時狀態(tài)監(jiān)控區(qū)：可以點選車輛基本信息、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、火災(zāi)界面、旁路界面、軟件版本，可以通過數(shù)值及顏色等查看各系統(tǒng)實時狀態(tài)。右上方還可以查看車輛履歷、車輛狀態(tài)回放、車輛視頻監(jiān)控

圖6 車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控查看界面

(3)車輛運行狀態(tài)信息統(tǒng)計分析(圖7)

可通過選擇時間及列車號查看故障信息。包括每條故障的列車號、故障發(fā)生時間、故障內(nèi)容、故障編碼、持續(xù)時間、故障派發(fā)狀態(tài)。點擊故障統(tǒng)計，可以通過選擇系統(tǒng)車輛系統(tǒng)查看各系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)及故障信息的描述；點擊故障分布，可以通過選擇時間或日期的分布圖，查看各級別故障的次數(shù)。

圖7 車輛運行狀態(tài)信息統(tǒng)計界面

6 移動端APP功能設(shè)計

本次移動端APP研發(fā)基于在線監(jiān)測系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收到車輛數(shù)據(jù)之后，實時對車輛原始數(shù)據(jù)包進行解析處理，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果，包括車輛實時狀態(tài)、列車故障預(yù)警信息、檢修工單任務(wù)等，通過以太網(wǎng)推送給移動終端APP軟件，有利于運營維護工作的及時響應(yīng)。圖8、圖9為移動終端的界面顯示。

圖8 車輛運行狀態(tài)信息統(tǒng)計界面

圖9 車輛運行狀態(tài)信息統(tǒng)計界面

點擊列車，可看到在線車輛、離線車輛、輕微故障、一般故障、嚴重故障的概況信息。

點擊在線及車號，可以進入車輛概況查詢界面，在本界面可以看到車輛運行及駕駛模式，運行里程、能耗、空壓機工作時間、最新數(shù)據(jù)發(fā)送時間等信息。并可以看到本車當前故障及異常的數(shù)量，本車當前的速度、總風壓力、網(wǎng)壓、網(wǎng)流的數(shù)值。

點擊查看更多，即可進入詳細狀態(tài)?？梢圆榭窜囕v的基本信息、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、火災(zāi)界面、旁路界面、軟件版本的狀態(tài)信息。

初始界面，點擊下方的消息，可以看到消息、故障單。消息及故障單為PC端派發(fā)過來的通知信息及故障信息。

7 結(jié)束語

車輛在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)能夠?qū)⒘熊囘\行狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)降孛?，實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控，解決了以往列車車載運行信息無法遠程獲取缺陷。隨著5G技術(shù)的成熟和應(yīng)用，車輛在線監(jiān)測水平也將大幅提升，特別是5G的超高網(wǎng)速和低時延特性，將使車輛運營的實時數(shù)據(jù)傳輸水平和完整性得到改善，該研究也將為后續(xù)5G技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，提供經(jīng)驗；為地鐵車輛的運行安全提供保障，為維修提供幫助。