武漢地鐵列車遠程運維系統(tǒng)關鍵技術及主要應用功能

向清河 高 翔 朱東飛 李海新 楊 燁

(1.武漢地鐵集團有限公司，430070，武漢；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，412001，株洲∥第一作者，正高級工程師)

近年來，隨著我國城市軌道交通(以下簡為“城軌”)的蓬勃發(fā)展，用戶對其RAMS(可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維修性(Maintainability)和安全性(Safety))的要求也越來越高。

目前，在列車運行時，列車牽引、制動及空調(diào)等系統(tǒng)的實時工作狀態(tài)信息大多可被采集，并傳至司機室中的HMI(人機界面)，供司機實時了解車輛的狀況。但地面調(diào)度員和車輛維護人員無法實時全面地查看列車在途狀態(tài)。當列車出現(xiàn)故障時，多采取事后處理方式，待故障列車回庫后通過人工方式獲取相關記錄數(shù)據(jù)，再進一步對故障分析定位。為了使司機、維護人員和管理人員能全面、及時、準確地掌握車輛和車載設備的運行狀態(tài)，進而快速響應故障及應急處置，提高車輛利用率[1]，提升檢修水平和檢修質(zhì)量，可將移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等相關高新技術與遠程運維需求深度融合，建立地鐵列車遠程運維系統(tǒng)。本文以武漢地鐵列車遠程運維系統(tǒng)(以下簡為“武漢運維系統(tǒng)”)為例，對其關鍵技術及應用情況進行分析。

1 武漢運維系統(tǒng)的架構(gòu)

武漢運維系統(tǒng)以全感知設備的傳感技術、信息無縫的傳輸及共享為基礎，以信息智能處理為手段，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)、車地無線網(wǎng)絡及列車控制網(wǎng)絡的多網(wǎng)融合，具有信息采集、信息傳輸、信息加工及信息顯示等能力。

武漢運維系統(tǒng)由車載設備、車地無線通信及地面數(shù)據(jù)中心三大部分構(gòu)成，如圖1所示。

注：LTE——長期演進；WLAN——無線局域網(wǎng)。

1.1 車載設備

為了提高武漢運維系統(tǒng)智能分析的準確性，需要盡量獲得豐富、全面的列車健康信息數(shù)據(jù)，包括各類設備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、告警信息及故障信息等。

武漢運維系統(tǒng)在列車上新增1個高度集成的智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關——車載設備，不僅可從MVB(多功能車輛總線)、列車信息網(wǎng)等渠道采集海量的數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的清洗、臨時存儲及快速計算等。在將列車可感知的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一收集匯總后，智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關通過車地無線通信通道，將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到地面數(shù)據(jù)中心。

1.2 車地無線通信

車地無線通信為列車健康管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等的車地間數(shù)據(jù)傳輸提供服務。目前，車地無線通信的主流技術制式有WLAN、LTE等。

武漢運維系統(tǒng)的車載設備，具有多通道車地無線通信接口，既可支持公網(wǎng)的4G網(wǎng)絡通道，也可支持LTE及WLAN制式的專用通信通道，可根據(jù)不同應用場景自由選擇并切換制式。

1.3 地面數(shù)據(jù)中心

地面數(shù)據(jù)中心由通信服務器、大數(shù)據(jù)平臺和應用系統(tǒng)組成。

通信服務器采用雙機冗余設計，具備高并發(fā)、高頻率、高可用性的數(shù)據(jù)接收能力，可以接收包括實時數(shù)據(jù)報文、數(shù)據(jù)文件和視頻流媒體數(shù)據(jù)。其性能可以支持同時接收 1 000列列車的100 ms級數(shù)據(jù)的能力。

大數(shù)據(jù)平臺基于Hadoop大數(shù)據(jù)技術，具備分布式的數(shù)據(jù)解析、處理和存儲能力，負責對車輛數(shù)據(jù)進行解密、解析和計算、存儲工作，為應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)分析等后臺綜合處理能力。

應用系統(tǒng)基于B/S(瀏覽器/服務器)架構(gòu)，以WEB(網(wǎng)頁)及APP(應用程序)的形式為用戶提供遠程實時監(jiān)視、日常維護管理、故障診斷報警、數(shù)據(jù)查看、算法分析等維護管理功能。

2 關鍵技術

2.1 海量數(shù)據(jù)采集技術

數(shù)據(jù)來源不同，所采用的采集方式也不同。武漢運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

注：VCMe——車輛控制模塊；EDRM——事件記錄模塊。

武漢地鐵21號線列車TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))由VCMe、EDRM、HMI模塊等組成，用于監(jiān)視車載牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和列車內(nèi)各主要設備的狀態(tài)，實現(xiàn)對車輛的管理、監(jiān)視和診斷功能。TCMS可分為列車控制級及車輛控制級，均采用MVB進行數(shù)據(jù)傳輸。

武漢運維系統(tǒng)升級了現(xiàn)有VCMe。車載設備采用新增接口與VCMe通信，實時獲取由VCMe通過MVB接口采集的TCMS網(wǎng)絡上車載子系統(tǒng)(如牽引變流系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)、門控系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)等)的實時數(shù)據(jù)。

車載設備通過以太網(wǎng)接口，接入到列車信息維護以太網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡獲取列車EDRM的故障記錄、事件記錄、制動故障記錄等大容量文件信息。

此外，武漢地鐵運營單位特別要求增設傳感器，用以監(jiān)測軸溫的實時變化。武漢運維系統(tǒng)的每對輪對軸箱都新增了傳感器，其采集到的信息通過RS485協(xié)議和走行部主機傳輸。車載設備通過以太網(wǎng)接口，接入到列車信息維護以太網(wǎng)絡，獲取走行部主機的實時運行數(shù)據(jù)。

2.2 車地數(shù)據(jù)無線傳輸

車載設備的數(shù)據(jù)需通過車地無線通道傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心。由于列車處于高速移動狀態(tài)，其運行環(huán)境復雜、干擾源多，為避免車地無線信道不穩(wěn)定對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，武漢運維系統(tǒng)使用目前已在武漢地鐵PIS(乘客信息系統(tǒng))業(yè)務中廣泛使用的WirelessFiber車地無線通信系統(tǒng)。該無線通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

注：OCC——運營控制中心；GSU——基于全球定位系統(tǒng)的同步單元。

WirelessFiber車地無線通信系統(tǒng)由OCC子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)及車載子系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)車載PIS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等的業(yè)務實時雙向大帶寬傳輸。WirelessFiber車地無線通信系統(tǒng)具有以下特點和創(chuàng)新：

1)最大帶寬為750 Mbit/s，雙向平均帶寬大于350 Mbit/s，并可根據(jù)業(yè)務需求靈活調(diào)配上下行帶寬。

2)采用專有空中接口、TDMA(時分多址)、OFDM(正交頻分復用)等技術增強抗干擾能力，基站間距最高可達1 km，支持列車運行速度為300 km/h時的通信需求，基站切換時延<50 ms。

3)具備多級業(yè)務QoS(服務質(zhì)量)分級控制功能，支持VLAN(虛擬局域網(wǎng))劃分和優(yōu)先級定義，能滿足不同業(yè)務的帶寬需求。

在借用現(xiàn)有WirelessFiber車地無線通信系統(tǒng)基礎上，武漢運維系統(tǒng)還采用了如下改進措施來提高車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

1)原始數(shù)據(jù)采用壓縮編碼，以節(jié)省傳輸帶寬。根據(jù)測算，車載設備采集實時數(shù)據(jù)和記錄文件的帶寬需求約為2 Mbit/s。數(shù)據(jù)壓縮后的實測帶寬為500 kbit/s。

2)為了確保關鍵信息不丟失，對于實時告警信息，武漢運維系統(tǒng)采用UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，以及改進擁塞、應答確認控制等可靠性傳輸保證手段，即使發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失或在網(wǎng)絡擁塞的情況下也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。而對于實時狀態(tài)信息，則采用普通的UDP傳輸。

2.3 實時數(shù)據(jù)處理

武漢運維系統(tǒng)需采集列車運行過程中的高頻數(shù)據(jù)。在線網(wǎng)化、智能化的運營中，高并發(fā)以及高頻率的數(shù)據(jù)接收是整個運維系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)基礎[2]。武漢運維系統(tǒng)采取NIO(同步非阻塞的輸入、輸出模型)技術的Netty網(wǎng)關框架，可支持1 000列列車以上、100 ms級的數(shù)據(jù)接收處理能力，并支持橫向擴展，能滿足整座城市地鐵線網(wǎng)的列車數(shù)據(jù)接收需求。

此外，武漢運維系統(tǒng)采用基于Hadoop的大數(shù)據(jù)平臺作為基礎軟件架構(gòu)。通過Kafka組件將數(shù)據(jù)接入大數(shù)據(jù)平臺，以spark流計算對數(shù)據(jù)進行分布式處理、解析計算，并進行分布式HBase數(shù)據(jù)庫存儲，可實現(xiàn)毫秒級處理和存儲數(shù)據(jù)，并支持自動調(diào)度、無縫擴容等能力，符合不間斷運行維護的要求。

3 主要應用功能

武漢運維系統(tǒng)現(xiàn)已成功在武漢地鐵21號線應用。根據(jù)武漢地鐵運營有限公司的需求，現(xiàn)階段武漢運維系統(tǒng)的主要應用功能為：城軌列車的實時狀態(tài)顯示、故障遠程診斷、日常維護管理。

3.1 實時狀態(tài)顯示

實時狀態(tài)顯示功能覆蓋了列車的主要專業(yè)系統(tǒng)(如牽引系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等)，可對在線列車的運行狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)視。OCC車輛調(diào)度人員可實時掌握運營線上每列列車的運行狀態(tài)。

根據(jù)監(jiān)測范圍不同，實時狀態(tài)顯示可分為線路數(shù)據(jù)實時顯示(見圖4)及單臺車數(shù)據(jù)實時顯示(見圖5)。

圖4 線路數(shù)據(jù)實時顯示界面

圖5 單臺車數(shù)據(jù)實時顯示界面

線路數(shù)據(jù)實時顯示功能實時顯示單線路列車總體情況，包括當前線路地圖展示、各列車基于地圖的位置分布、列車運行狀態(tài)、列車健康狀態(tài)及列車基本信息等。

單臺車數(shù)據(jù)實時顯示功能可實時顯示單臺車所有狀態(tài)，包括當前列車位置(含速度、網(wǎng)壓、當前站、終點站、上下行等信息)、當日運行里程統(tǒng)計及總里程統(tǒng)計、速度、網(wǎng)壓等關鍵實時數(shù)據(jù)的波形曲線、各子系統(tǒng)當前健康狀態(tài)、整車實時健康狀態(tài)、當前時刻列車故障報警、當前時刻的故障預警。單臺車數(shù)據(jù)實時顯示功能可顯示牽引、制動、輔助、車門、乘客報警、煙火、通信、空調(diào)、旁路、軸溫等車載系統(tǒng)的狀態(tài)。單臺車數(shù)據(jù)實時顯示功能還能在地面同步復制車載司機屏，實現(xiàn)車載監(jiān)視數(shù)據(jù)與地面監(jiān)視數(shù)據(jù)的同步，有助于地面人員實時掌握列車運行工況及司機的操作情況。

3.2 故障遠程診斷

武漢運維系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，計算列車的實時狀態(tài)，判斷列車當前狀態(tài)是否正常。

當列車出現(xiàn)異常停車、故障等狀態(tài)時，武漢運維系統(tǒng)會實時報警。后臺專家系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)中心通過遠程診斷，從智能輔助角度給出故障類型、故障根源，并及時提供推薦處置方案。用戶可在故障列表(見圖6)中點擊指定故障的“故障診斷”來獲取。

圖6 故障列表界面

3.3 日常維護管理功能

日常維護管理功能服務于日常檢查維護人員，可提供列車文件數(shù)據(jù)下載、列車車載軟件管理及相關統(tǒng)計報表等，能為列車的日常檢查工作提供數(shù)據(jù)基礎，可減少人員上車操作檢查的時間和次數(shù)，有效節(jié)省人力資源，提升檢修效率。

4 結(jié)語

本文以列車遠程可視化運維為核心，闡述了武漢地鐵列車遠程運維系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況及用戶的業(yè)務需求，研究了海量數(shù)據(jù)采集、車地數(shù)據(jù)傳輸、實時數(shù)據(jù)處理的具體流程和關鍵技術。通過在武漢地鐵21號線的實際應用情況，詳細闡述了武漢運維系統(tǒng)的遠程實時顯示、故障遠程診斷及日常維護管理功能。