摘要：我国铁路行业正进入高速发展时期，对直接承担铁路运输任务的各种机车的质量性能和运用效率提出了更高的要求。如何适应铁路发展的要求，全面、及时、准确地掌握机车的运行与质量状态，协助乘务人员、维护人员和管理人员在线处理运行机车的故障和意外情况，提高机车与铁路线路的利用率，提升机车的质量检修水平，是摆在铁路科研人员和机务运用人员面前一道急需解决的课题。铁道部运输局根据我国铁路发展的现状与发展需要，于2005年初颁布了《机务信息化专项规划》，同时出台了《机务信息化总体方案》，在这些文件的相关章节中为如何解决上述问题给出了框架性的描述和必要的规范。机车状态监测、智能诊断系统是在机务专项规划框架下，基于网络实现对机车状态远程监视、故障诊断的平台，该平台的实现将为机车的运行管理、状态修、智能诊断提供一种科学的信息化手段。
关键词：铁路;机车;远程监测;故障诊断;系统设计
一、总体概述
近年来，我国列车不断向高速、重栽方向的发展，对机车的安全性能要求也越来越高，传统的机车车载故障诊断装置只能进行单机集中式在线监测与车载诊断，即使通过USB接口将数据转储到地面分析系统，也还存在以下不足：(1)监控与诊断的方式受到技术条件的限制，不能及时将故障信息传送至地面，而要等到机车回库后方能获得故障信息进行分析，无法满足实时性要求。(2)系统的开放性不足，故障信息、诊断知识难以共享，制约了管理部门、维修部门、司乘人员、诊断专家之间的相互交流与相互提高。(3)尽管有车载故障诊断系统的技术支持，但司乘人员只能解决一些简单的故障诊断问题，一旦设备出现新的或者较严重的故障时，无法快速有效地利用地面远程支持加以解决。目前国外的先进机车大多配备了车载信息化系统，如西门子生产的机车装配了EFLEET 系统，阿尔斯通生产的机车装配了ETRAIN 系统，GE 公司生产的机车装配了RM&D 系统。这些信息化系统都具备机车运行数据记录和下载转储功能、对机车故障及时间记录的分析和专家诊断功能、机车GPS定位功能等。但这些信息系统均面向特定的车型，系统接口不统一，不具备通用性，很难实现信息共享；另外，基于数据安全性的考虑，不能采用外方的传输系统。因此，研究和设计一整套基于计算机技术、网络技术、无线通信技术和专家系统技术的机车远程监测与故障诊断系统，以提高网络环境下故障诊断的可靠性和效率极具现实意义。本文从机车远程监测与故障诊断系统结构,车载信息系统,地面分析处理系统等方面对该系统进行了研究。
二、机车远程监测与故障诊断系统结构
机车远程监测与故障诊断系统CMD 是基于公共移动无线通信网(GSM/GPRS)、无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)和铁路广域网构建的，软件系统架构采用浏览器/服务器(Browser/Server, B/S)模式，系统主要由车载子系统、数据传输子系统、地面综合应用子系统构成，如图1所示。
图1 系统总体结构
车载子系统主要负责机车状态参数、机车安全信息及综合监测信息的采集、处理、记录、传输与转储，将信息打包发送至机车无线传输装置，通过后者传输到铁路内网为地面综合应用子系统服务。数据传输子系统主要负责将车载信息通过GPRS 公网、WLAN 局域网和铁路统一MQ(Message Queue)传输平台传输到地面，为地面综合应用子系统服务。地面综合应用子系统主要实现电子地图动态展示全路机车分布、设备运行状态、实时故障报警、故障专家诊断、远程维护支持以及故障统计分析等功能。CMD 系统的核心思想就是通过车载设备采集机车运行的状态和故障信息，通过无线网络，实时将信息发到铁路内网，并向地面检修管理信息系统提供数据支持和应用功能。
三、车载信息系统
1.设计思想。构筑车载信息系统最理想的方案是通过网络的方式将车载信息装置与其他各车载设备互接，以实现对辅助电源系统、网络系统、牵引控制系统、制动控制系统以及其他检测子系统的数据采集、分析及处理，基于网络的设计方案可以减少布线的工程量，降低施工的难度。考虑到不同机车或动车内部网络结构的差异，车载信息采集装置具有良好的开放性，能灵活地扩展不同类型的网络接入模块，以适应不同类型车载控制网络结构的机车或动车的需求，因此，在设计上采用层次化设计理念，底层为网络接入与信息采集层，上层为中央信息处理与诊断层，上层与下层之间的通信采用标准的内部总线，结构如图2所示。
这种设计结构确保了良好的网络接入扩展性与通用性，针对不同的机车车载网络结构选择不同的网络接入模块，以满足不同车型的需要。对于没有采用微机网络控制系统的机车或者动车，可以对其进行必要的信息化改造，通过串行总线的方式扩展其他动车和机车状态检测和诊断设备（接地诊断装置、智能电度表、辅机保护装置等）。
四、地面分析处理系统
1.设计思想。地面分析处理系统是一套功能多样化的地面软件的集合体，由多个子软件系统组成，为机务工作提供一种科学有效的信息化工具，系统实现主要有2个目标：一方面为机务管理工作提供科学的管理手段，搭建一个高效、快速、直观的信息平台；另一方面为机车的安全高效运行、机车日常检修、故障的在线诊断提供技术上的支持。由于不同工作人员分布在不同的现场，使用不同的设备终端，因此采用基于Internet技术的分布式结构，采用B/S模式，不同的人员根据各自的权限通过WEB浏览进入相应的子系统，其网络结构如图1所示。系统开发采用J2EE技术平台，模块化设计，借助ORACLE数据库进行数据的存储与传输，整个系统采用浏览器/服务器模式将分布在不同地域的系统资源连接在一起。地面子软件系统包括地面数据转发系统、地面在线数据处理系统、列车在线监测系统、运行曲线分析系统、基于向量机数据挖掘技术的专家支持系统、离线数据处理系统、离线数据分析系统等，系统结构如图3所示。
五、系统应用效果
由于系统采用了分布式架构，车载实时信息在配属铁路局落地后除了进入该铁路局数据库供应用系统使用外，还通过数据传输系统向铁道部和相关铁路局转发以供铁道部级和相关铁路局应用系统使用，这样的分布式架构使得应用服务器负载均衡性好，避免全路用户集中访问一台服务器所带来的系统响应时间长，易造成网络瓶颈等问题，用户可以根据所处的组织机构访问相应单位的应用服务器。为了充分提高系统的使用性能，通过对JVM 参数进行合理设置(例如适当调大PERM 区和NEW 区，打开多线程垃圾收集)、数据库性能调优(例如对某些容量达到几百兆和数百万行的大表合理建立索引来减少系统I/O 量，调整系统性能影响最大的SQL语句及调整数据高速缓存保障其最大命中率)和应用服务器性能调优(如尽量开启本地I/O，合理设置服务器的并发连接数)等措施解决这一问题。CMD 系统铁道部级地面综合应用子系统支持1 000 人同时在线访问，铁路局级地面综合应用子系统支持500 人同时在线访问。在正常情况下，所有操作系统平均响应时间小于5 s，系统最大响应时间不大于10 s。图4给出基于B/S 模式的客户端界面，现场车载设备采集到的故障信息由车载主机通过GPRS 无线网络传输落地后，经铁路内外网安全平台进入铁路内网并经铁路统一传输平台传送至目的地服务器。根据该故障信息，诊断推理机通过搜索相应的知识库进行诊断推理，并将诊断推理得出的结果通过客户端页面显示。图5 展示了基于B/S 的电子地图功能。从中可以看出，针对某故障信息，用户可以通过电子地图功能对该机车进行定位，进而获知该机车所在位置、运行速度、前方信号机等状态信息，这样，地面人员就可以根据故障的严重程度来决定是让该机车去就近的检修基地还是用维修段进行检修，检修单位也可事先知道该故障并做好准备，降低机车在库时间，从而提高运输安全性和检修效率。
论文作者:张成林
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2017/12/29
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