城市軌道交通列車故障診斷與自動處置系統(tǒng)的研究*

彭 輝 張群慧

(湖南科技職業(yè)學(xué)院人工智能學(xué)院， 410004， 長沙∥第一作者， 講師)

為了減少和預(yù)防故障發(fā)生，國內(nèi)各個城市的地鐵公司采取了多種有效措施：① 加強(qiáng)對地鐵車輛的日常檢查和維護(hù)，定期對車輛的重要部件進(jìn)行檢查和更換，防止故障發(fā)生；② 開發(fā)和部署地鐵實時監(jiān)控系統(tǒng)，實時掌控列車運行情況，對潛在的故障進(jìn)行預(yù)測，對已發(fā)現(xiàn)的故障及時進(jìn)行處理，其中最具代表的系統(tǒng)，包括專家系統(tǒng)和智能運維系統(tǒng)；③ 通過加強(qiáng)對司機(jī)的培訓(xùn)，提高司機(jī)的故障判斷能力和故障處理水平。以上措施雖然取得了一定成效，但當(dāng)故障發(fā)生時，如何快速解決當(dāng)前故障，主要取決于司機(jī)的經(jīng)驗[1]。為了讓司機(jī)掌握列車的故障情況，每列列車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)都具有顯示當(dāng)前列車故障的功能。但這種故障顯示僅起到提醒作用，不便于司機(jī)開展應(yīng)急處理。

為了使列車故障判斷更加準(zhǔn)確，提升故障處置效率，本文設(shè)計了一種列車故障診斷與自動處置系統(tǒng)。

1 列車故障診斷系統(tǒng)存在的問題

1.1 車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是地鐵列車的核心控制單元，它通過以太網(wǎng)和MVB(多功能車輛總線)方式與其他車載設(shè)備進(jìn)行通信。因以太網(wǎng)控車技術(shù)起步較晚，目前大部分列車都使用MVB作為控制車載設(shè)備的通信方式[2]，而輔以使用以太網(wǎng)作為信息化通信方式。

車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過發(fā)送控制指令、收集車載設(shè)備狀態(tài)、檢查故障狀態(tài)來實現(xiàn)其控制功能。一方面，司機(jī)通過操作網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)HMI(人機(jī)界面)將控制指令下發(fā)給車載設(shè)備，讓車載設(shè)備按指令要求進(jìn)行工作。另一方面，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)PHM(故障預(yù)測與健康管理)模塊收集各車載設(shè)備的工作狀態(tài)信息，并根據(jù)其狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷。PHM模塊的診斷結(jié)果由HMI進(jìn)行展現(xiàn)，以提醒司機(jī)進(jìn)行故障處理[3]。

車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能診斷出車載故障，但是它無法指導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行故障處置。HMI上的每條故障，都需要司機(jī)根據(jù)已有經(jīng)驗和知識進(jìn)行排除，處置效率不高。

1.2 故障專家診斷系統(tǒng)

故障專家診斷系統(tǒng)是根據(jù)專家的知識和經(jīng)驗來對車載數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，以判斷是否有故障發(fā)生，并在故障發(fā)生情況下給出故障處理意見。故障專家診斷系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成：

1) 車載數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)：它負(fù)責(zé)將車載各個設(shè)備的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面數(shù)據(jù)處理中心；

2) 地面專家系統(tǒng)：它通過分析地面數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)，對列車狀態(tài)給出專家診斷結(jié)果，并在故障情況下，給予專業(yè)的故障處理意見。

故障專家診斷系統(tǒng)固然能對故障給出專業(yè)的處置意見，但這種處置意見不能及時地反饋給值乘司機(jī)以指導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行應(yīng)急操作。

2 列車故障診斷與自動處置系統(tǒng)

本文設(shè)計的故障診斷與自動處置系統(tǒng)是一種專門用來對城市軌道交通列車進(jìn)行應(yīng)急故障診斷及指導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行故障處理的車載應(yīng)用系統(tǒng)。對比文獻(xiàn)[4]介紹的一種智能地鐵車載應(yīng)急處置系統(tǒng)，本系統(tǒng)擺脫了對車載數(shù)據(jù)處理中心的依賴，有如下優(yōu)勢：① 由1個終端設(shè)備替代了數(shù)據(jù)處理中心和智能人機(jī)交互裝置，部署更加方便、快捷；② 簡化軟件架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)可靠性更高；③ 直接讀取MVB端口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集與處理的實時性更高，便于應(yīng)急故障的自動化處置設(shè)計；④ 融合自動化處置方案，通過系統(tǒng)設(shè)置，既支持應(yīng)急故障的人工處置，也支持應(yīng)急故障的自動化處置，以縮短處置時間。

列車故障診斷與自動處置系統(tǒng)由IITU(智能交互終端設(shè)備)和配套的軟件組成。IITU的硬件配置與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)HMI顯示屏硬件一致，且支持圖形化界面顯示，具有觸摸交互功能。該系統(tǒng)進(jìn)行部署時，要求在列車兩側(cè)的司機(jī)室分別安裝1個IITU。IITU通過MVB接入到列車數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，用于獲取各車載設(shè)備的MVB實時數(shù)據(jù)。兩側(cè)司機(jī)室的IITU通過以太網(wǎng)互聯(lián)，便于兩個設(shè)備間的信息交互。

因城市軌道交通列車以3～8節(jié)編組進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計，故ITTU在不同列車上的部署拓?fù)洳煌耆嗤?。?節(jié)編組為例，車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼癐ITU所在位置如圖1所示。

圖1 列車故障診斷與自動處置系統(tǒng)拓?fù)浜唸DFig.1 Topology diagram of train fault diagnosis and automatic disposal system

IITU的軟件功能由兩部分組成：① IPHM(智能交互終端故障預(yù)測與健康管理)子模塊負(fù)責(zé)根據(jù)MVB數(shù)據(jù)進(jìn)行故障的實時診斷、故障處置步驟切換及應(yīng)急處理信號的感知與檢測；② IHMI(智能交互終端人機(jī)界面)子模塊負(fù)責(zé)故障的顯示、故障處理動作指導(dǎo)及處理步驟的顯示。IITU軟件架構(gòu)如圖2所示。

2.1 應(yīng)急故障診斷模塊

IITU的故障診斷與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障診斷有所不同，其是對列車綜合工況進(jìn)行分析和判斷，對較為緊急的、影響車輛運維的故障進(jìn)行診斷，并將診斷結(jié)果進(jìn)行本地保存，以此指導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行故障處置。

圖2 IITU軟件架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of IITU software

本文選取一些會導(dǎo)致清客的重大故障進(jìn)行故障診斷和應(yīng)急指導(dǎo)。為此，需對所處理的故障做必要選擇，具體步驟如下：

1) 根據(jù)故障產(chǎn)生的源頭對故障進(jìn)行分類組合，得到幾個大類的故障。

2) 從大類故障中提煉具體故障，減少故障間的干擾。例如，可將制動無法緩解的故障細(xì)分為停放制動無法緩解、緊急制動無法緩解等具體故障。

3) 根據(jù)選取的具體故障，按故障可能發(fā)生的原因制定應(yīng)急處理措施。在處理措施中，有些處理步驟可以被監(jiān)控，有些處理步驟暫時無法監(jiān)控，分別將其列入到應(yīng)急處理步驟列表。

IITU的故障診斷功能由IPHM子模塊來實現(xiàn)。IPHM模塊負(fù)責(zé)根據(jù)具體的故障邏輯進(jìn)行故障診斷，并將診斷后的結(jié)果通告給IHMI子模塊顯示，提示司機(jī)進(jìn)行應(yīng)急故障處理。

以“緊急制動無法緩解”為例，說明故障診斷的過程。該故障發(fā)生的條件與列車方向信號、網(wǎng)絡(luò)及信號系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)[5]。該故障診斷涉及到的MVB端口見表1。

表1 “緊急制動無法緩解”故障MVB信號

該故障診斷的邏輯見圖3。

IPHM模塊周期性地將所有故障的診斷結(jié)果報送給IHMI模塊。IHMI對收集到的故障信息進(jìn)行綜合處理，將未消除的故障以列表形式在ITTU屏幕上顯示。當(dāng)司機(jī)按下ITTU屏幕上的故障處置圖標(biāo)后，開啟應(yīng)急處置流程。

2.2 應(yīng)急故障的自動化處置

導(dǎo)致列車發(fā)生某個故障的原因有多種。根據(jù)多種可能原因?qū)?yīng)急故障處置流程劃分為M種大步驟；在每一個大步驟內(nèi)，可能有N種小步驟，每個小步驟都可歸類于信號可感知的操作或不可感知的操作[4]。信號可感知的操作步驟是指司機(jī)的應(yīng)急處置操作可以通過MVB數(shù)據(jù)信號監(jiān)測到的操作步驟。所有的操作步驟都以配置文件的方式預(yù)先加載到該系統(tǒng)中。

圖3 “緊急制動無法緩解”故障診斷流程Fig.3 Fault diagnosis procedure of ′emergency braking unable to relieve′

在故障應(yīng)急處置過程中，IPHM模塊主要用于檢測可感知步驟所對應(yīng)的MVB信號點位值是否滿足處置條件。當(dāng)信號滿足條件后，系統(tǒng)會通知IHMI切換至下一個操作步驟。對于不可感知的步驟，需要司機(jī)確認(rèn)后，手工操作IHMI屏幕將應(yīng)急切換至下一個操作步驟。IPHM和IHMI模塊間的信息交互過程，如圖4所示。

圖4 IITU應(yīng)急處置模塊交互圖Fig.4 Diagram of IITU emergency disposal module interaction

以“緊急制動無法緩解”故障為例，來說明應(yīng)急故障處置步驟的設(shè)計。該故障的處置步驟見表2。

表2 應(yīng)急故障的處置步驟

在故障處置界面中，每個處置大步驟都用獨立的頁面進(jìn)行顯示，每個大步驟下的小步驟都對應(yīng)1個具體操作項。當(dāng)ITTU屏幕頁面進(jìn)入到1個大步驟處置界面后，與之對應(yīng)的“處理步驟”圖標(biāo)(“□”或“○”)會顯示選中狀態(tài)；當(dāng)完成1個小步驟的操作時，與之對應(yīng)的“○”圖標(biāo)會顯示選中狀態(tài)，否則顯示未選中狀態(tài)(見圖5)。

對于可感知的處理步驟，既支持人工處置方式，也支持自動處置方式。

1) 人工處置方式由司機(jī)按照ITTU屏幕的提示進(jìn)行相關(guān)操作。通過觸發(fā)列車MVB信號值變化，以滿足當(dāng)前處置步驟對應(yīng)的MVB信號點位值要求。

2) 自動處置方式。當(dāng)IITU的IPHM模塊檢測到當(dāng)前處置步驟對應(yīng)的MVB信號點位值不滿足要求時，向?qū)?yīng)的車載設(shè)備(網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)或其他車載設(shè)備)發(fā)起MVB信號值切換請求，具體流程如下：① 由IPHM發(fā)起當(dāng)前步驟的MVB信號點位值切換請求給對應(yīng)的車載設(shè)備；② 對應(yīng)的車載設(shè)備收到信號點位切換請求后，在確認(rèn)合法的情況下，響應(yīng)該請求并通過MVB發(fā)出調(diào)整后的信號點位值；③ IPHM周期性地檢查當(dāng)前步驟的MVB信號點位值，當(dāng)信號點位值滿足當(dāng)前步驟的處置條件后，應(yīng)急處置步驟切換到下一個步驟；④ 若IPHM檢查到當(dāng)前步驟的MVB信號點位值一直不滿足故障處置要求且超過規(guī)定時間，則通告IHMI模塊，并提示司機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)。

“緊急制動無法緩解”故障可感知處理步驟的顯示頁面如圖5所示。

圖5 應(yīng)急故障可感知處置步驟提示圖Fig.5 Notification of emergency fault tangible disposal procedure

當(dāng)自動處置過程超時后，提醒司機(jī)進(jìn)行手工操作的界面如圖6所示。

圖6 應(yīng)急故障自動處置超時提示圖Fig.6 Notification of emergency fault automatic disposal overtime

對于不可感知的步驟，則需要司機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)。司機(jī)確認(rèn)無誤后，再進(jìn)入下一步應(yīng)急步驟，此時顯示頁面見圖7。

圖7 應(yīng)急故障不可感知處置步驟提示圖Fig.7 Notification of emergency disposal intangible disposal procedure

根據(jù)上述分析，IITU應(yīng)急故障的自動化處置流程見圖8。

圖8 應(yīng)急故障自動化處置流程Fig.8 Procedure of emergency fault automatic disposal

列車每個故障的所有應(yīng)急處置步驟都按上述流程進(jìn)行處理，最終達(dá)到對應(yīng)急故障的自動化處置。

3 結(jié)語

要實現(xiàn)列車應(yīng)急故障的自動化處置，除了本系統(tǒng)設(shè)計的功能外，后續(xù)還需解決應(yīng)急操作的對象為機(jī)械開關(guān)時的自動化操作問題，以及車載設(shè)備響應(yīng)信號點位值切換請求時，列車信號和車載設(shè)備狀態(tài)不一致的問題。因此，列車故障診斷與自動處置系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化。