王中尧

(1.中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车系统集成研究中心 吉林 长春 130000；2.大连交通大学电信学院 辽宁 大连 116033)

0 引言

我国动车组目前实行“计划预防修为主、事后维修补充”的维修体制，针对该体制在实际应用过程中存在的不足,结合动车组大数据的特点，运用人工智能等方法，实现故障预测、健康状态评估以及维修策略的决策与优化，以求延长高速动车组使用寿命，提高使用效率和降低运营维护成本[1]。京张高铁智能动车组作为我国自主研发的新型智能动车组，搭载了故障预测及健康管理系统PHM(Prognostic and Health Management，以下简称PHM系统)，能够为车辆提供更为精准高效的检修及运营维护建议。文中结合实际车辆运用需求，规定了基于TRDP和FTP扩展的PHM以太网数据传输规范[2]。

1 PHM系统架构

京张高铁智能动车组采用TCN以太网的网络控制系统架构，TCN以列车级总线WTB车辆级总线MVB作为控车网络[2]，以太网采用100BASE-TX，全双工模式作为维护网络。选择以太网作为PHM系统数据传输网络，一方面是PHM系统与各系统间的数据传输如出现问题，不会影响车辆实际运行，另一方面以太网速率快、带宽高的特点可以满足PHM系统传输类型复杂的数据。PHM系统网络拓扑结构图如图1所示[3]。

图1 PHM系统网络拓扑结构图

根据PHM系统通信特点，在IEC61375、OSA-CBM等有关标准基础上进行适当的扩展或设计，形成PHM系统通信协议规范，适用于与PHM系统有关的数据通信。为了满足对列车和各系统进行监测和故障诊断等需要，采用TRDP和FTP来进行PHM的数据通信[4]，实时性数据采用TRDP传输；文件采用具有断点续传功能的FTP传输。

2 PHM数据通信TRDP

该通信协议根据PHM数据通信特点和需要，PHM实时性数据只采用TRDP的PD(Process Data)来传输，在原PD-PDU基础上进行适当的扩展或设计。

2.1 PHM-PD

PHM系统的实时性数据采用TRDP的过程数据(PD)来传输，在原TRDP中，定义PD-PDU交换用来传输过程数据(PD)，定义为PHM-PD-PDU。PHM-PD-PDU是周期性发布的数据，被主动或被动地在一个发布者(Publisher)和多个订阅者(Subscribers)之间传送。

根据需要，该规范PD只采用Push(主动上送)模式。作为过程数据源(source)的发布者(Publisher)，周期性地将数据发送到一个或多个作为宿(sink)的订阅者(Subscriber)，订阅者直接接收数据，无须给出应答。点对点的主动上送(Push)是通过UDP单播实现的；点对多点的主动上送(Push)是通过UDP多播实现的。PHM-PD Push通信模式如表1所示[5]。

表1 PHM-PD Push通信模式

结合PHM数据通信需求，采用模式(部分)如图2所示，如对于一般过程数据，采用主动上送(Push)模式(点对点，宿知道源)，各系统周期性地向PHM系统推送数据。

图2 PHM-PD 主动上送模式(点对点，源知道宿)

PHM数据通信采用原IEC 61375-2-3标准中PD-PDU设计，报文格式如图3所示。

2.2 PHM-FDU

PHM某些特征提取需要相对准确的时间标签，为此在FDU(功能数据单元，function data unit)基础上[5]，增加时间戳设计等，形成PHM-FDU(见图4)，用以组装过程数据，方便构成PD-PDU数据帧。FDU包含两个部分：头(FDU header)和数据集(FDU dataset)。

图3 PHM数据通信PD-PDU报文

图4 PHM数据通信PHM-FDU结构

(1)FDU header：首部，16字节大小，第1个4字节用来对FDU进行唯一的标识；第2个4字节(帧总数DsFrameAll和帧序号DsFrameSeq)用来描述数据分包信息，最后8字节为时间戳(TIMEDT64)。首部结构如表2所示。

(2)FDU dataset：用户数据集，可以是部分、1个、多个过程变量，要求2字节对齐补零。其中，过程变量应配备检查变量，以掌控数据品质(如用于传感器失效标识)。数据集采用IEC-61375-1：1999的RTP数据集紧凑设计，兼容MVB的过程数据集。FDU dataset具体的数据格式和定义视具体功能而定。

2.3 过程变量组包

不同于经典TCN中表达过程状态的过程变量(如速度、制动命令)，对PHM系统来说，过程变量是主要用于列车监测数据，传输原始数据、特征值、故障信息等。过程变量通过ECN和ETB传输到PHM都需要打包成不同的数据帧，为了方便这些过程变量的划分、打包、传输、识别等，需要设计合理的数据帧格式。

由于PD-PDU数据报文中用户数据大小限制在1 432字节内，而PHM过程数据长度可能会大于1 432，需要进行分包设计。

表2 PHM-FDU首部元素

为了方便描述过程变量、功能数据单元到过程数据等的数据组织方式[6]，结合图 5进行说明，具体如下：

图5 过程变量、功能数据、过程数据帧关系

0：过程变量数据。假如现有编号为PV_556、PV_557、PV_558三种过程变量，分别为12 000字节、310字节、199字节。(PV_556为离散傅里叶变换特征图，每一点频率幅值为FLOAT型，在不包含其他信息情况下，特征数据为60*50*4字节=12 000字节。)

1：FDU打包。按照最大只能包含1 416字节，对过程变量进行划分，大于1 416字节，切分成多个数据包，例如：过程变量PV_556切分成9个部分(12 000=8*1 416+672)，结合FDU头，形成8个1 432字节的FDU和1个672字节的FDU。PV_557、PV_558分别打包成1个FDU。其中FDU对其数据集要求2字节对齐，PV_558原本199字节，需要进行1字节补零。

2/3/4：过程数据组包。组合1个或者多个FDU为1个过程数据包(PD-PDU)，按照1 432字节限制要求，PV_556的前8 个FDU结合PD header分别形成8个PD-PDU。PV_556剩余部分、PV_557、PV_558组合为1个PD-PDU，4字节对齐补零后大小为1 232字节(16+672+16+310+16+200+2=1 232=308*4字节)。

5：UDP打包。结合UDP头以及尾补充，PD-PDU被打包成1个UDP。

3 PHM数据通信FTP

PHM数据通信FTP采用RFC 959所规定的文件传输协议。

3.1 服务模型

本规范规定PHM系统作为FTP服务器端，其他系统(如走形部)为FTP客户端(见图6)。FTP主机之间同时建立2条连接来完成数据的传输工作，一为用于客户端和服务器之间命令和响应的通信的控制连接；二为用于传送数据信息的通信的数据连接。

图6 PHM-FTP服务模型示意图

3.2 FTP工作方式

为了方便其他系统文件上传至PHM系统，规定如下：

(1)PHM系统为FTP服务器端，FTP服务在整个工作期间一直运行；

(2)其他系统(如走行部)为FTP客户端，FTP服务默认是未启动的，按需启动。

(3)其他系统采用PD模式周期地向PHM系统主动上送(Push)有关FTP服务的报文，在此称为FTP-PDU，通过ComId(FTP服务专用)进行标识。FTP-PDU分为2种类型，一种包含文件信息(文件名、文件长度、文件数字签名MD5)；一种不包含文件信息。

(4)PHM系统接收FTP-PDU，根据网络通信条件和FTP当前状态进行相应的响应。

(5)FTP客户端(其他系统)发送“PORT”命令建立主动模式。FTP服务器端(PHM系统)在网络通信条件许可下，才向客户端的数据端口发起连接。

(6)FTP客户端上传文件到PHM系统，并具备断点上传能力。

(7)数据传输完成前，FTP服务器端(PHM系统)需进行文件一致性校验(通过MD5)，一致返回成功，不一致返回失败，并终止数据链接。

4 结论

目前，我国动车组检修是计划预防维修体制，盲目性维修问题尤为突出，造成人力、物力的浪费以及维修成本过高等一系列问题。上文提出基于大数据的京张高铁智能动车组 PHM 系统的架构方案和以太网传输规范，使PHM系统可处理更为精准、多元、复杂的数据类型，为建立动车组故障预测与健康管理系统提供参考，能更好地保障动车组运行安全，延长动车组使用寿命，降低动车组的维护成本，展现我国高速动车组的技术水平。