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在线监测系统在地铁车辆上的应用

发表时间：2021/6/10 来源：《探索科学》2021年4月作者：牛亚男于寅刘勇巩磊

[导读] 近些年来，我国城市轨道交通进入了迅猛发展时期，随着如火如荼地发展全自动驾驶技术，接踵而来的运营安全性问题也引起了大家的关注。

吉林长春轨道客车股份有限公司牛亚男于寅刘勇巩磊 130062

        近些年来，我国城市轨道交通进入了迅猛发展时期，随着如火如荼地发展全自动驾驶技术，接踵而来的运营安全性问题也引起了大家的关注。
        为了提高全自动驾驶车辆的安全性，这就要求与安全相关的车门系统、走行部系统、蓄电池管理系统、弓网监测系统、列车控制及监控系统等系统能够将其工作数据（包括故障数据）实时传出给地面专家工作站进行决策，即具备在线监测功能。
        1概述
        在线监测系统由大数据源、车载数据中心、移动通讯网络（含商业3G/4G、WLAN）和地面数据中心四个相互关联的模块组成。车载数据中心利用MVB网络采集各子系统的故障及状态数据、利用列车维护网络采集各在线监测系统的实时工作数据、利用PIS网络采集走行部在监测系统的工作数据、利用弓网监测系统自身4G采集其工作数据传输给地面服务器。地面服务器采用大数据架构实现数据的存储和计算，并提供数据分析、挖掘、趋势预测和智能决策等服务，共同支撑列车健康管理应用功能，实现列车状态远程监测、故障诊断、故障预警、智能下载等核心业务。
        2在线监测系统方案
        2.1系统架构
        在线监测系统主要由全列车头尾车各配置一台车载数据中心（列车数据记录与发送单元（ERM）、以太网数据收集与发送单元（WTD））、以太网交换机单元、考勤打卡机、车载无线网关、车载天线等设备组成，构成基于以太网的综合信息收集网络。
        ERM设备作为列车MVB总线数据记录与发送单元，头尾车各配置一台，分别挂载到TCMS网络，监听采集MVB总线上各子系统关键的状态及故障数据信息，并通过单独一路以太网接口连接考勤打卡机，获取驾驶司机数据信息，列车运行状态数据相结合上传到远程地面控制中心。
        WTD设备作为列车以太网总线数据记录与发送单元，头尾车各配置一台，通过单独一路以太网接口接入到以太网维护通信网络中，收集各车厢主门控器（EDCU1）设备无线链接实时数据流信息，并将各类型数据按照发送时机直接发送到车门远程地面系统平台。
        车载无线网关设备主要负责为ERM设备与WTD设备提供统一的4G无线上传通道。ERM与WTD设备各通过一路以太网接口接入到车载无线网关，借助4G无线网关实现MVB数据及以太网数据上传功能。
        车载4G天线连接车载无线网关，可有效增强车载网关4G信号收发强度。
        2.2监测数据内容
        2.2.1TCMS网络系统 MVB总线数据
        该部分数据通过ERM设备基于MVB总线进行采集。主要用于车辆综合状态的实时监控及远程故障的实时提醒功能。信号种类主要包括硬线采集信号数据、各子系统MVB通讯传输状态及故障数据。
        1）硬线采集信号数据
        主要包括车辆电路中旁路开关等需要司机操作的开关按钮状态，重要列车线的状态，列车重要继电器接触器的状态及各系统电源空开的状态。
        2）子系统MVB通讯传输的数据
        主要包括列车各子系统的状态、故障等信息。
        列车各子系统详细状态信息主要包含牵引系统、制动系统、辅助系统、车门系统、空调系统、轴温检测系统、PIS系统以及其他模块状态信息如子系统通信状态、报警状态、旁路状态、紧急制动状态等模块信息。
        传输列车故障信号数据包括列车控制系统根据预设逻辑判断出的故障信息、子系统MVB传输的故障信息。涵盖了列车本身及各子系统严重、中级、轻微三个等级所有可监测的故障信息。
        2.2.2以太网门控器数据
         车载以太网数据采集传输系统通过以太网维护网总线实时汇总门系统数据。包括车门开关过程中的驱动电机电流、速度、转角，门控器输入输出IO信号，门控器诊断的故障等信息，具体如下表所示。

        2.2.3以太网蓄电池管理系统数据
        蓄电池管理系统主要记录电池运行过程中的状态数据。根据系统要求，每5分钟记录一次相关状态数据，BMS系统至少保证记录6个月时间长度信息。
        2.2.4以太网弓网监控系统数据
        车顶各监测设备模块将采集到的目标信息进行预处理，并将预处理结果通过千兆以太网方式传输至车内数据处理模块；数据处理模块对信号进行多重调制滤波、分析计算，并对各处理模块与综合定位信息数据进行实时融合，把得到的拉出值、导线高度等接触网几何参数，接触网定位悬挂、弓网燃弧、接触线磨耗、接触网硬点、受电弓状态视频及受电弓电压电流等数据同步实时存储致数据管理存储模块，同步的数据处理模块将分析本次监测的报警信息；最后，通过车地无线传输模块将报警信息发送至运营维护部门管理中心
        2.2.5以太网走行部系统数据
        车载系统离线数据是走行部、轨道的单日故障趋势，需要定期通过车载局域网或者维护终端转储到地铁车辆段的地面系统中。离线数据落地主要用途及功能如下：
        (1)基于数据的智能化数据统计、趋势预测、对比分析、实现走行部与轮轨的健康管理；
        1)实现基于走行部的数据预测维修，降低维修次数，缩短维修停时；
        2)实现基于走行部隐性故障的早期识别，如轴承、齿轮、踏面内部缺陷、踏面失圆故障等；
        3)状态数据、基础监测数据、分析服务数据分层呈现，满足检修、技术、管理要求。
        (2)B/S架构大数据管理平台，专家知识库，实现车辆走行部与轮轨的全寿命周期健康管理，通过融入信息化平台，提供走行部智慧运维信息服务。
        3安全措施
        在线监测系统采用硬件安全+软件安全想结合的安全措施，最大程度保障车载网络安全。
        3.1硬件安全措施
        （1）列车数据记录仪（ERM）作为列车MVB总线数据记录与发送单元，通过MVB接口与列车控制网络相连，监听采集MVB总线上各子系统关键的状态及故障数据信息，并通过单独一路以太网接口连接至车载4G无线网关，在硬件上实现了MVB控制网与以太网维护网的物理隔离，避免通过以太网维护网络入侵MVB控制网的风险。
        （2）列车以太网总线数据记录与发送单元（WTD）作为以太网维护网的一个终端设备，通过以太网板卡接收以太网维护网上的数据，将数据解析并整合之后，通过车载4G无线网关发送到地面服务器，在硬件物理层面实现了有线和无线之间的隔离。
        （3）常规通信技术主要已单天线运用为主，当前，4G网络通信系统打破常规界限，使用多天线技术，合理运用分级技术[1]。提升通信信号强度及速度。
        3.2软件安全措施
        （1）车载设备数据传输软件层面对数据发送进行加密处理，地面数据解析需要对数据包会进行多层校验，以验证数据包有效性，无效消息直接做不予理会，直接丢弃处理。
        （2）车地通信方式为单向主动通信方式，系统整体设计结构不支持地面远程端主动发起数据请求，且只做远程单向传输监控，不做远程控制。这样就软件层面保证了列车车辆的运行安全。
        4总结
        在线监测系统将轨道车辆的状态、故障、亚健康状态等实时传输至地面服务器，进行故障预测及诊断，使其得到及时修复，极大地保障了轨道车辆维修维护时效性，运营的安全性。
参考文献
[1]陈燕俐，杨庚.适用于无线传感网络的混合式组密钥管理方案[J].通信学报，2010,（11）：15-16.