高速鐵路ATP車載設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測及智能診斷系統(tǒng)研究

齊 鶴，祁瀟楠，程 亮，易 晟，丁韶華

（1. 北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2. 中國鐵路上海局集團有限公司 電務(wù)部，上海 200040；3. 中國鐵路上海局集團有限公司 南京電務(wù)段，南京 210000）

列車自動防護（ATP，Automatic Train Protection）系統(tǒng)是保障動車組行車安全、提高運輸效率的關(guān)鍵技術(shù)裝備；由安裝在車內(nèi)的車載安全計算機、GSMR無線通信單元、軌道電路讀取器（TCR，Track Circuit Reader）、應(yīng)答器信息傳輸模塊（BTM，Balise Transmission Module）、司法記錄單元（JRU，Juridical Recording Unit）、人 機 界 面（DMI，Driver Machine Interface）、列車接口單元及車外的速度傳感器、應(yīng)答器天線、軌道電路天線、雷達傳感器、GSM-R天線等組成。

ATP車載設(shè)備對安全性要求高，需要定期進行人工檢查。且其型號多，故障構(gòu)成復(fù)雜，運行記錄數(shù)據(jù)不能自動下載，主要靠人工分析數(shù)據(jù)，造成故障定位困難，處理效率低[1]。隨著我國高速鐵路投入運營的ATP車載設(shè)備型號和數(shù)量不斷增加，其檢修工作日趨繁重。

為此，研制高速鐵路ATP車載設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測及智能診斷系統(tǒng)（簡稱：ATP車載監(jiān)測診斷系統(tǒng)），用于全面記錄和分析ATP車載設(shè)備的電氣特征及工作狀態(tài)，精確檢測車外ATP車載設(shè)備缺陷及安裝精度，提供ATP車載設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測和故障分析診斷功能，以利于提高ATP車載設(shè)備維護效率，減輕現(xiàn)場運營維護人員工作強度[2]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)備配置

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

ATP車載設(shè)備監(jiān)測診斷系統(tǒng)主要由軌旁檢測設(shè)備、車載診斷記錄單元（DRU，Diagnosis and Recording Unit）、地面維護中心設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。

軌旁檢測設(shè)備安裝在動車所內(nèi)咽喉區(qū)，包括安裝在軌道間的軌上探測設(shè)備和軌旁測量設(shè)備，可采集通過檢測區(qū)的動車組車外ATP車載設(shè)備的二維/三維圖像數(shù)據(jù)，并測量安裝在車底的應(yīng)答器天線、多普勒雷達、TCR天線距軌面高度及安裝角度。

DRU在列車兩端的司機室各安裝一套，主要完成ATP車載設(shè)備各單元應(yīng)用軟件的日志數(shù)據(jù)及關(guān)鍵部件電氣特征數(shù)據(jù)的采集，并通過列控設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS，Dynamic Monitoring System for Train Control Equipment）提供的車-地?zé)o線傳輸通道[3]或公網(wǎng)4G，將這些數(shù)據(jù)傳輸至地面維護中心。

地面維護中心設(shè)備包括中心服務(wù)器、設(shè)備維護終端、系統(tǒng)管理終端。中心服務(wù)器存儲軌旁檢測設(shè)備采集的ATP車載設(shè)備圖像和安裝測量數(shù)據(jù)以及DRU采集日志數(shù)據(jù)及電氣特征數(shù)據(jù)；利用人工智能和機器視覺技術(shù)，檢測ATP車載設(shè)備的表面裂紋、凹坑、安裝螺栓松動脫落等缺陷；利用故障分析策略和算法，自動分析故障原因，定位故障模塊，提出處理建議，并生成故障報告。通過設(shè)備維護終端，電務(wù)檢修人員可根據(jù)車型、車號、端號、時間日期等篩選條件，查詢檢測結(jié)果，依據(jù)檢測數(shù)據(jù)指導(dǎo)ATP車載設(shè)備的檢修工作。系統(tǒng)管理終端為系統(tǒng)管理員提供系統(tǒng)管理操作界面。

1.2 軌旁檢測設(shè)備配置

1.2.1 軌上探測設(shè)備配置

軌上探測設(shè)備主要由高速成像裝置、補償光源、開機磁鋼、測速雷達、防護箱體等組成。其中，高速成像裝置采集通過列車底部、側(cè)部和頂部的圖像數(shù)據(jù)；補償光源用于保證高速成像裝置采集到清晰的圖像；開機磁鋼用于探測列車進入檢測區(qū)，以喚醒軌上探測設(shè)備；測速雷達用于測量列車速度。為避免高速成像裝置與補償光源受到雨水、塵土等造成的損害，影響其成像效果和使用壽命，采用防護箱體提供保護，箱體內(nèi)設(shè)置有高速觸發(fā)裝置，可依據(jù)磁鋼信號，對其防護門進行開閉操作。

（1）高速成像裝置的布置

列車底部高速成像裝置：檢測區(qū)軌道內(nèi)部安裝有3臺2D/3D一體化高速成像裝置，軌道外底部左右各放置1臺2D高速成像裝置，用于應(yīng)答器天線和TCR天線的圖像采集，如圖2所示。

圖2 列車底部高速成像裝置布置示意

列車側(cè)部高速成像裝置：檢測區(qū)軌道左右兩旁各安裝1臺2D高速成像裝置，用于檢測列車速度傳感器的外觀。考慮到列車速度傳感器與動車組列車車號標(biāo)識的相距較遠(yuǎn)，軌道一側(cè)另外再設(shè)置1臺高速成像裝置，用于采集動車組列車車號標(biāo)識圖像，如圖3所示。

圖3 列車側(cè)部高速成像裝置布置

列車頂部高速成像裝置：在檢測區(qū)軌道兩側(cè)外的立柱上各安裝1臺高速成像裝置，用于采集車頂GSM-R天線的外觀圖像，如圖4所示。

圖4 列車頂部高速成像裝置布置

（2）補償光源的設(shè)置

為保證車底、車身、車頂設(shè)備圖像畫面清晰，所有高速成像裝置均配備有近紅外自適應(yīng)光源，用于對車體圖像進行補光。而用于采集車號標(biāo)識的高速成像裝置則需配備大功率LED補充光源，以保證采集到的車號標(biāo)識圖像足夠清晰。

1.2.2 軌邊測量設(shè)備配置

軌邊測量設(shè)備主要由數(shù)據(jù)測量單元、數(shù)據(jù)處理單元（主要包括GPU和CPU服務(wù)器）、電氣控制箱、多電腦切換器（KVM，Keyboard Video Mouse）、交換機、防雷設(shè)備和不間斷電源（UPS，Uninterruptible Power Supply）組成。

數(shù)據(jù)測量單元對高速成像裝置采集的圖像進行初步篩選和預(yù)處理[4]；數(shù)據(jù)處理單元完成ATP車載設(shè)備外觀缺陷的識別，以及安裝高度（或角度）的測量，并將識別和測量結(jié)果通過光纖傳輸?shù)降孛婢S護中心服務(wù)器；電氣控制箱用于控制防護箱體防護門的開閉，以及觸發(fā)高速成像裝置啟動工作；KVM用于切換數(shù)據(jù)測量單元的顯示與鍵鼠操作；交換機用于軌旁檢測設(shè)備與地面維護中心聯(lián)網(wǎng)。

2 系統(tǒng)功能

（1）車號識別與車型判別：準(zhǔn)確識別動車組列車車號及車端，并根據(jù)識別出的車號自動判別動車組車型，以精準(zhǔn)地抓拍不同車型ATP車載設(shè)備的清晰圖片，包括應(yīng)答器天線、TCR天線、GSM-R天線、雷達、速傳電纜等。

（2）螺栓松動脫落檢測：自動檢測應(yīng)答器天線、TCR天線、GSM-R天線等關(guān)鍵部件的安裝螺栓是否松動或脫落。

（3）外觀缺陷檢測：自動檢測ATP車載設(shè)備關(guān)鍵部件的外觀破損，包括GSM-R天線、TCR天線、應(yīng)答器天線及雷達表面的裂紋、凹坑，速傳線纜破損、引線處防水膩子脫落等。

（4）高度（角度）測量與報警：自動測量ATP車載設(shè)備中位于車底的關(guān)鍵部件的安裝高度和角度，包括應(yīng)答器天線、多普勒雷達、TCR天線距軌面高度和角度的測量，超出設(shè)定范圍自動報警。

（5）日志及底層數(shù)據(jù)采集：讀取ATP車載設(shè)備各單元應(yīng)用軟件的日志數(shù)據(jù)，并可讀取DMI、JRU、TCR、BTM等單元的記錄數(shù)據(jù)，以及MVB總線、GSM-R空口等底層數(shù)據(jù)。

（6）電氣特征監(jiān)測：對ATP車載設(shè)備各單元的電氣特征進行監(jiān)測[5]，包括速度傳感器、雷達、110 V供電電源、繼電器、空開等。

（7）車載數(shù)據(jù)下載：當(dāng)出現(xiàn)故障時，自動將DRU采集的數(shù)據(jù)傳輸至中心服務(wù)器，或通過維護命令遠(yuǎn)程下載。

（8）故障診斷：根據(jù)故障特征庫自動分析故障原因，定位故障模塊，并提供處理建議，生成所需報表。

（9）數(shù)據(jù)管理：自動保存圖像及測量數(shù)據(jù)，支持多種方式搜索和查看歷史數(shù)據(jù)，并可自動生成一車一檔的檢測報表。

（10）系統(tǒng)設(shè)備管理：ATP設(shè)備運維人員可通過客戶端遠(yuǎn)程查看設(shè)備運行狀態(tài)，或遠(yuǎn)程重啟設(shè)備。

（11）儀器自動校準(zhǔn)：定期對用于測量天線高度和安裝角度的測量儀器進行校準(zhǔn)測試，確保測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

（12）測量參數(shù)配置：系統(tǒng)管理員通過管理終端，修改調(diào)整ATP車載設(shè)備的天線安裝高度與角度的數(shù)值范圍，防止出現(xiàn)誤報警的現(xiàn)象。

3 工作原理及數(shù)據(jù)處理流程

3.1 軌旁檢測設(shè)備工作原理

軌旁檢測設(shè)備的工作原理如圖5所示。

圖5 軌旁檢測設(shè)備工作原理示意

（1）設(shè)備開啟，執(zhí)行初始化，防護箱體的防護門和補償光源關(guān)閉，高速成像模塊進入待機狀態(tài)。

（2）當(dāng)列車通過檢測區(qū)時，開機磁鋼自動觸發(fā)，此時防護箱體內(nèi)置的高速觸發(fā)裝置會打開其防護門，同步觸發(fā)開啟補償光源；高速成像裝置開始采集通過列車的車頂、車身和車底圖像，測速雷達測量列車車速。高速成像模塊內(nèi)置的線陣相機與3D相機將同時被觸發(fā)，確保采集的三維點云數(shù)據(jù)和二維圖像數(shù)據(jù)嚴(yán)格對齊；二維圖像主要用于故障識別，而三維點云數(shù)據(jù)包含深度信息，可用于高度測量，或輔助提升外觀異常檢測的準(zhǔn)確率[6]。

（3）高速成像模塊采集的圖像數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)口傳輸至數(shù)據(jù)測量單元，數(shù)據(jù)測量單元對圖像數(shù)據(jù)進行初步篩選，選取包含檢測對象的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并將處理后的圖像數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元（包括GPU和CPU服務(wù)器）。

（4）數(shù)據(jù)處理單元利用深度學(xué)習(xí)和機器視覺等技術(shù)，自動檢測ATP車載設(shè)備的外觀缺陷[7]，并通過光纖將故障檢測結(jié)果上傳至地面維護中心服務(wù)器，運維人員可實時查看通過檢測區(qū)的動車組列車的車號、車速及故障檢測結(jié)果。

（5）列車駛離檢測區(qū)后，電氣控制箱發(fā)出控制信號，關(guān)閉防護箱體門，軌上探測設(shè)備及軌邊測量設(shè)備進入待機狀態(tài)。

3.2 外觀異常報警處理流程

目前，外觀異常報警主要包括ATP車載設(shè)備的外觀缺陷和安裝異常，具體處理流程如圖6所示。

圖6 外觀異常報警處理流程

（1）將采集到的動車組車號信息與數(shù)據(jù)庫中的動車組車型配置信息進行匹配，確定當(dāng)前動車組列車的ATP車載設(shè)備的外觀和安裝特點。

（2）根據(jù)上述特點，篩選出應(yīng)答器天線、雷達、TCR天線、GSM-R天線和速度傳感器等車載設(shè)備的準(zhǔn)確圖像數(shù)據(jù)。

（3）分別對這些設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)進行異常檢測，檢測范圍包括裂痕、凹坑等外觀破損，螺栓松動脫落，以及安裝高度和角度異常等情況。

（4）若檢測結(jié)果正常，則將圖像及檢測結(jié)果等數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便設(shè)備維護終端進行查看。

（5）若檢測發(fā)現(xiàn)異常，則將故障類型及其位置在對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)上進行標(biāo)記，然后再進行存儲；維護人員通過設(shè)備維護終端，能夠瀏覽查詢詳細(xì)的異常報警信息，以及時進行相應(yīng)處理。

3.3 故障診斷數(shù)據(jù)處理流程

DRU通過無線傳輸通道，將ATP車載設(shè)備的應(yīng)用日志及主要部件電氣特征數(shù)據(jù)傳輸至地面維護中心服務(wù)器。中心服務(wù)器基于故障分析策略和算法，對應(yīng)用日志、電氣特性數(shù)據(jù)進行處理，自動分析故障原因，定位故障模塊，并提供處理建議，自動生成故障報告[8]。

系統(tǒng)前端應(yīng)用采用C/S應(yīng)用模式，故障診斷數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。設(shè)備維護終端（系統(tǒng)管理終端）上的客戶端應(yīng)用向中心服務(wù)器發(fā)起訪問請求，接收中心服務(wù)器返回的分析結(jié)果，或由服務(wù)器主動推送故障信息到客戶端，中心服務(wù)器上的服務(wù)端應(yīng)用完成具體的數(shù)據(jù)分析和診斷處理[9]。

圖7 故障診斷數(shù)據(jù)處理流程

4 結(jié)束語

高速鐵路ATP車載設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測及智能診斷系統(tǒng)通過DRU，實現(xiàn)了高速鐵路ATP車載設(shè)備的電氣特征及工作狀態(tài)數(shù)據(jù)自動下載；通過安裝在動車所內(nèi)咽喉區(qū)的軌旁檢測設(shè)備，精確地檢測各種車型動車組車外ATP車載設(shè)備的缺陷及安裝精度；基于故障分析策略和算法，可提供ATP車載設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測和故障分析診斷功能，建立起一車一檔數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)分析平臺。

該系統(tǒng)的應(yīng)用將有效提高電務(wù)車載設(shè)備檢修質(zhì)量與檢修效率，減輕現(xiàn)場運營維護人員工作強度，促進電務(wù)運維工作的自動化和智能化水平。