王文龙

(广州地铁集团有限公司， 510330，广州//工程师)

车载信号设备是城市轨道交通信号系统的重要组成部分之一，其故障对列车安全正常运营影响巨大。以广州地铁2、8号线为例，车载故障次数占信号全部故障的60%以上，而这其中有50%左右的故障不明原因。缺乏设备运行状态的监测手段是造成故障排查困难的不利因素之一。这使得故障分析缺少足够的依据，不能保障故障得到完全的处理。

面对现阶段的运营生产情况和故障排查时遇到的困难，本文提出设计一种车载设备故障捕捉分析系统(以下简称“捕捉系统”)，以实时采集存储车载ATO(列车自动运行)、ATP(列车自动保护)报文数据，采集存储20 mA电流环信号以及车载设备电气接口模拟量和开关量等参数，并对这些数据进行解析和处理，捕捉故障过程中的故障现象和数据信息。在车载信号设备发生故障时，维护人员可查看存储和记录的数据，了解故障时的设备状态和运行参数，提高故障排查和处理效率。

1 捕捉系统设计与实现

1.1 系统架构

捕捉系统由车载工作站、PCI(外设组件互联)串口扩展卡、模拟量隔离采集板、开关量隔离采集板、报文隔离串口板、MVB(多功能车辆总线)网卡、数据服务器、显示终端等组成，如图1所示。模拟量隔离采集板、开关量隔离采集板、报文隔离串口板通过PCI串口扩展卡连接安装在车载工作站内，MVB网卡直接安装在车载工作站内。车载工作站部署在列车车载机柜中，负责数据采集和存储。数据服务器部署在维修值班室，负责解析和处理从车载工作站下载的数据，再通过VGA(视频图形阵列)线传输并在显示终端上呈现分析结果。

图1 捕捉系统架构

1.2 车载ATO和ATP报文解析

1.2.1 采集连接方式

列车车载机柜预留一个ATO串口，为不影响原系统正常使用，设计了一个转换模块将此串口一分为二，其中一个连接至车载工作站，另一个仍作预留的ATO串口。车载ATP报文数据采集连接方式同理。

1.2.2 报文信息解析

首先，通过获取大量串口数据并进行大数据挖掘处理，得出报文有效数据；然后，对报文有效数据的各字符进行更改替换;最后,将更改替换前后反映出的结果进行对比，查找规律分析获取报文信息内容。

以车载ATO报文为例，某时刻获取的报文为：

02 EE 41 48 E1 1F 00 00 22 01 C9 16 61 81 27 01 05 B7 6C 44 39 00 00 44 39 00 00 C7 13 10 82 41 1D FE 9B 40 C7 13 10 82 41 CB 10 82 C5 A3 0A 03

该报文解释为：该时刻、该列车在轨道区段T0512(其IAK编号为5)以5.115 m/s(18.414 km/h)的速度运行。该列车进入此轨道区段后，接收到第一条K报文(短报文)时进行位置同步，同步时刻的里程计读数(即参考读数)和位置(即参考位置)分别为14 660、8.130 m，而当前时刻的里程计读数和位置分别为14 686、9.169 m，如图2所示。

图2 某时刻接收到某车载ATO报文时的列车位置

1.3 模拟量电参数测量分析

捕捉系统采集的模拟量共有3路，分别为1路20 mA电流环电流量、2路24 V测速电机供电电压量。具体采集方案是：利用电流传感器对20 mA电流环电流进行非接触式检测，将传感器输出的电流信号转换成电压信号；利用高输入阻抗的电压跟随放大电路对测速电机供电电压进行分压采样并通过光耦进行传输。处理过的电压与电流信号经过AD(模数)转换芯片进行处理后送到单片机，由单片机编码后通过串口发送给车载工作站进行数据存储。数据服务器对模拟量电参数进行解码、处理和分析，并绘制图形结果。

某时间段的模拟量数据结果如图3 b)、c)所示。根据图3 b)，在A阶段，电流环电流逐渐增大至15 mA左右，列车快速牵引，列车速度逐渐增大，与图3 a)快速牵引对应；在B阶段，电流环电流逐渐减小至4 mA左右，列车缓慢牵引，列车速度仍继续增大，与图3 a)缓慢牵引对应；在C阶段，电流环电流在2～4 mA(输出等效值为0)范围，列车惰行，与图3 a)惰行对应；在D阶段，电流环电流先增大至12 mA左右,再减小最后迅速降至0，列车制动并停车，与图3 a)制动对应。测速电机电压测量值显示,该时间段电机供电正常。

1.4 开关量电参数采集分析

捕捉系统采集的开关量均为电压量，共有22路，分别为6路24 V电压量、2路48 V电压量、14路110 V电压量。具体采集方案是：利用高输入阻抗的电压分压、比较电路，将电压信号通过光耦隔离传输后送到单片机，由单片机编码后通过串口发送给车载工作站进行数据存储。数据服务器对开关量电参数进行解码、处理和分析，并绘制图形结果。

a) 速度曲线

某时间段广州地铁2号线广州南站至嘉禾望岗上行的开关量部分数据结果如图4所示。数据分析以左门释放、右门释放，ATP接收、ATP发送、折返操作为例进行说明。

(1)左门释放、右门释放。在06:49:47—07:41:20时间段，出现14个单独左门释放信号、9个单独右门释放信号、1个既左门释放又右门释放信号。这与该段运营时间内，列车在广州南站、东晓南、飞翔公园、白云公园、白云文化广场、萧岗、江夏、黄边、嘉禾望岗等站到站单独开右门，在公园前站到站开左右门，在其他站单独开左门的情况完全相符。

(2)ATP接收、ATP发送和折返操作。在07:41:20时刻稍前，出现ATP接收、ATP发送信号，随后出现折返操作信号。这与该时刻附近，列车在嘉禾望岗终点站到站后，两个车头ATP开始通信并执行自动折返操作的情况完全相符。

图4 某时间段开关量部分数据结果

1.5 MVB报文解析

西门子MVB符合TCN(列车通信网络)标准，车载设备占用逻辑端口连接到MVB中，实现与车辆设备的数据通信和交换。将车载工作站内的MVB网卡的另一端连接到MVB中，并配置应用环境和物理参数，根据西门子定义的MVB信号表，读取和解析MVB报文。

以广州地铁A 4车型为例，某时刻0x1FE端口地址获取的MVB报文为：

DD0079020201010000002017000020180000000 0000000000000000000000000

该报文解释为：该时刻，广州地铁2号线2A017018列车(主用司机室在017车)限速为0(其实际情况为停车状态)，列车总重为242 t，该列车的开左门按钮和开右门按钮均被按下2次，关左门按钮和关右门按钮均被按下1次。

2 结语

捕捉系统已应用在广州地铁2号线2A027028车上。运营部门利用该系统采集和分析的数据，能够监测设备的运行状态和报文数据；在发生故障时通过提取系统数据，可对故障进行分析和排查，提升故障处理效率。另外，在获取大量数据后形成大数据库，将有利于跟踪设备状态，并依据这些历史数据进行故障预测分析，提升设备维护水平。这是系统后续可深入研究和增强的内容。