多系统融合技术在轨道交通全自动运行车辆中的应用研究_刘洋.pdf

2 0 2 3年第8期多系统融合技术在轨道交通全自动运行车辆中的应用研究刘 洋,蒋建辉(湖南智融科技有限公司,湖南 株洲 4 1 2 0 0 0)摘 要:全自动运行是当前轨道交通的一个重要发展方向,其稳定运行离不开列车状态高精准实时诊断及智能运维决策应用。关键子系统故障诊断为列车全自动运行提供辅助决策,而多系统融合技术的应用则是打破列车各数据壁垒与信息孤岛,实现多维数据联合分析诊断和列车智能运维决策的重要途径。通过系统融合主机可获取各车载系统监测数据,结合大数据分析、机器视觉与计算机等技术搭建列车智能运维系统,实现列车的故障诊断、故障报警、远程监测与运维决策等功能,有效保障列车全自动行驶的安全性与稳定性。关键词:轨道交通;全自动运行;故障诊断;多系统融合 中图分类号:U 2 6 0.4+2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 7 6-0 3R e s e a r c ho nT h eA p p l i c a t i o no fM u l t i-s y s t e mF u s i o nT e c h n o l o g y i nt h eF u l l yA u t o m a t i cO p e r a t i o no fR a i lT r a n s i tV e h i c l e sL i uY a n g,J i a n gJ i a n-h u i(H u n a nCH I R ONT e c h n o l o g yC o.,L T D,H u n a nZ h u z h o u4 1 2 0 0 0)A b s t r a c t:T h e f u l l ya u t o m a t i co p e r a t i o no f r a i l t r a n s i t i sa n i m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c u r r e n t r a i l t r a n s i t.I t s s t a b l eo p e r a t i o n i s i n s e p a r a b l e f r o mt h ea p p l i c a t i o no fh i g hp r e c i s i o nr e a l-t i m ed i a g n o s i so f t r a i ns t a t ea n d i n t e l l i g e n to p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ed e c i s i o n.F a u l t d i a g n o s i so f k e ys u b s y s t e m sp r o v i d e s a u x i l i a r yd e c i s i o n-m a k i n g f o r f u l l ya u t o-m a t i c t r a i no p e r a t i o n,a n d t h e a p p l i c a t i o no fm u l t i-s y s t e mf u s i o nh o s t i s a n i m p o r t a n tw a y t ob r e a k t h e d a t a b a r r i e r a n d i n-f o r m a t i o n i s l a n dd u r i n gm u l t i-s y s t e mf u s i o no f t r a i n s,r e a l i z em u l t i-s y s t e mj o i n t a n a l y s i s a n dd i a g n o s i s,i m p r o v e r e a l-t i m ed i a g n o s i s a c c u r a c y,a n dr e a l i z e i n t e l l i g e n t t r a i no p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ed e c i s i o n-m a k i n g.T h em o n i t o r i n gd a t ao f e a c ho n-b o a r d s y s t e mc a nb e o b t a i n e d t h r o u g h t h e s y s t e mf u s i o nh o s t,a n d t h e i n t e l l i g e n t o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e s y s t e mo ft h e t r a i n c a nb e b u i l t b y c o m b i n i n gb i gd a t a a n a l y s i s,m a c h i n e v i s i o n,c o m p u t e r a n do t h e r t e c h n o l o g i e s t o r e a l i z e t h e f u n c-t i o n so f f a u l t d i a g n o s i s,f a u l t a l a r m,r e m o t em o n i t o r i n ga n do p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ed e c i s i o n-m a k i n go f t h e t r a i n,e f-f e c t i v e l ye n s u r i n g t h e s a f e t ya n ds t a b i l i t yo f t h e f u l l ya u t o m a t i c t r a i no p e r a t i o n.K e yw o r d s:R a i l t r a n s i t;F u l l ya u t o m a t i co p e r a t i o n;F a u l td i a g n o s i s;M u l t i-s y s t e mf u s i o n作者简介:刘洋(1 9 8 8),男,湖南常德人,汉族,工程师,硕士,控制科学与工程。1 引言近年来,随着通信技术、数据分析技术和自动控制技术在轨道交通列车上的广泛应用,轨道交通列车的数字化、智能化程度不断提高,搭载全自动运行的列车也应运而生。全自动运行技术是当前全世界内城市轨道交通研究的重点,是城轨车辆中自动化程度最高的系统,其主要通过运用通信、信号、控制与计算技术使列车在运行过程中能够实现全过程自动化运行。与传统城市轨道交通车辆相比,全自动运行可灵活进行列车调度和编组,摆脱了对司机的依赖,降低人员劳动强度,提升运营组织灵活性,并能基于列车运行状况进行运营策略优化,降低车辆运营成本1-3。由于全自动运行模式无需驾驶员对列车控制进行干预,在运行过程中缺乏驾驶员对列车状态的判断,在出现异常或故障时,无法通过现场人工采取必要措施,需要列车根据故障诊断系统做出相应的处置。4因此,全自动运行系统的推广应用依赖于高实时、高精度的故障诊断与运维决策系统。从2 0世纪8 0年代起,我国积极开展了故障诊断技术的研究与应用,并取得了很大进展。在对轨道交通列车进行故障时,其诊断装置主要分为四大类,分别为便携式诊断设备、地面诊断设备、轨旁检测设备和车载检测设备5。我国目前在便携式和地面诊断设备积累了一定的经验,并取得了很大的进步,而在车载诊断设备方面还存在着较大的发展空间。当前车载诊断设备只能针对单一的子部件或子系统进行故障诊断,缺乏对整车级健康状态做出有效评估,且大多数子系统故障诊断仅能给出故障提示,无法给出合理的故障处理方法,在故障诊断覆盖范围和诊断精度上都存在着巨大的上升空间6。限制整车级故障诊断技术发展的重要症结点在于独立分散的子系统故障诊断检测到的信息比较分散,子系统与子系统之间缺乏数据分享、信息交互与算法融合,在列车综合管理平台仅能获取各子系统的检测结果进行状态统计分析,无法在分析环节进行各子系统状态信息分享,缺乏实时状态校核与纠偏过程7。为了改善这一现状,加快轨道列车整车级故障诊断技术的发展,打造高可靠性的全自动运行车辆,本文提出了多系统融合的技术方案。多系统融合技术的实现依赖于车载多系统融合主机的搭建,本文提出了多系统融合主机的设计方案8。融合主机将基于轨道列车标准通信接口和传感器标准传输接口进行通讯板卡与数据采集板卡设计;针对传感数据分析需求进行不同算力等级的数据分析板卡和图像处理板卡67DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.009内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n设计;并基于不同类型数据的存储需求进行存储板卡设计。融合主机可进行各子系统数据汇聚,在边缘端可共享各子系统的数据,进行多系统融合算法运算分析。多系统融合的方案提供统一的运维平台,有助于车载数据治理,减少车载级诊断设备冗余配置,降低硬件成本;同时,多系统融合方案将通过各子系统状态的相互校核,有效提高故障诊断精度,提升智能化运维决策能力。2 轨道交通列车车载系统多系统融合主机需要基于轨道交通列车的车载系统的共性特点进行设计。内容需要覆盖列车通信网络、传感器类型、数据分析环境、存储容量需求和供电要求等多个维度,以构造出多系统融合主机整体架构与模块板卡功能。对国内轨道交通列车车载系统的设计方案进行了相关调研与总结,内容如下所述。2.1 列车通信网络列车通信网络是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统,是分布式列车控制系的核心组成部分。9目前主流的列车通信网络由骨干网级和编组网级层次组成。1 0骨干网以绞线式列车总线(WT B)为主,编组网包含多功能车辆总线(MV B),以太网编组网(E C N)和C AN总线(C AN)组成,配合列车实时数据协议(T R D P)进行信息通信与数据传输。WT B:主要用于列车级的通信,其传输速率为1 M b p s,可以实现过程数据和消息数据的传输,其最大特点是具有列车初运行功能,特别适用于需要动态编组的列车车辆。1 1MV B:主要用于有互操作性和互换性的互联设备之间的串行数据通信,可将一节车辆或闭式列车组中若干节车辆内的设备连接起来,以1.5 M b p s(固定速率)进行通信传输。1 22.2 数据采集轨道交通列车车载端部署的传感器按照被测物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器、适度传感器、电流电压传感器、流量传感器、气体成分传感器和视频图像采集设备。1 3不同类型的传感器其信号输出内容与信号输出接口各有不同。多系统融合主机的数据采集模块需要能够覆盖以上传感器接口需求,保障列车基础传感器数据采集需求。2.3 数据分析环境列车故障诊断系统中采集到的各数据汇总到数据处理系统后,需要针对原始数据进行分析处理。在数据处理环节,不同类型数据的处理方法与所需的硬件资源存在较大的差异。基于车载故障诊断系统采集的数据类型,可将原始数据划分为信号数据与视频图像数据,其中视频图像在分析环节需要配备额外的G P U模块。在执行数据处理模块设计时需要注重多类型数据与多语言开发环境的兼容性。2.4 供电要求多系统融合主机作为车载配套设备,需要满足E N5 0 1 5 5:2 0 1 7铁路设施-机车车辆-电子设备中的隔离电气要求。1 43 多系统融合主机设计3.1 系统架构系统融合主机方案如图1所示,主机由主控板卡实现主机资源和状态的集中管理,统一提供系统监控、状态展示以及升级维