高速列車信息控制系統(tǒng)故障注入研究進展

　　摘要高速列車信息控制系統(tǒng)是確保整車運行安全的關鍵系統(tǒng)之一，也是高速列車高發(fā)故障的主要來源之一。實時故障診斷是提升系統(tǒng)運行可靠性和安全性的有效方案之一，故障注入作為檢驗其是否滿足車載應用要求的關鍵技術，是實現(xiàn)安全、逼真模擬系統(tǒng)各類故障場景的重要手段。高速列車信息控制系統(tǒng)結構復雜，故障場景呈現(xiàn)出多種復雜特性，從而使實現(xiàn)其有效故障注入方法和技術面臨諸多挑戰(zhàn)，如故障位置不可訪問、故障場景時空變遷特性復雜和系統(tǒng)級故障注入架構缺乏、仿真資源受限等。本文首先綜述了故障注入研究現(xiàn)狀，對比探討了面向實時仿真的故障注入的研究意義;然后，分析了面向實時仿真高速列車信息控制系統(tǒng)故障注入存在的問題，并在此基礎上給出了一些解決方案;最后，指出了高速列車信息控制系統(tǒng)故障注入未來的研究方向。

　　關鍵詞故障注入，實時仿真，故障診斷，高速列車，信息控制系統(tǒng)

　　1引言

　　近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅速，取得了舉世矚目的進步，形成了具有中國特色的高鐵技術體系，總體技術水平和應用水平居世界領先地位[1∼4]。作為高鐵運營的載體、高端裝備的代表，高速列車已成為現(xiàn)代軌道交通運輸業(yè)最核心、最重要、最便捷的方式之一，是國民經濟大動脈、大眾化交通工具和現(xiàn)代城市運行的重要骨架。但高速列車運行時速高、運行環(huán)境惡劣以及長期運行可能導致的元部件老化等給高速列車運行帶來嚴重的安全隱患[5∼7]。高速列車信息控制系統(tǒng)[8]涵蓋高速列車牽引傳動控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、列車運行控制系統(tǒng)、網絡控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)，是高速列車的心臟(變流)、大腦(控制)和神經(網絡)，高速列車正是在這些系統(tǒng)的共同作用下實現(xiàn)整車安全運行。實際運營中，信息控制系統(tǒng)也是高速列車高發(fā)故障的主要來源之一，其子系統(tǒng)中的任何故障或安全隱患若不能實時診斷并得到及時正確的處理，都有可能引發(fā)連鎖事故甚至被迫停車，帶來不好的經濟和社會影響。

　　交通工程師論文范例：高速公路改擴建工程路基搭接技術研究

　　因此，為保障高速列車信息控制系統(tǒng)的運行安全，諸多可靠性技術、預防措施和安全保障體系的研究已引起廣泛關注，如故障模式及影響分析等[9，10]。作為提升系統(tǒng)運行可靠性和安全性的有效方案之一，國內外學者圍繞高速列車信息控制系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)的實時故障診斷等方法和技術展開了大量的研究[11∼18]。其中，2015年國家自然科學基金委啟動的重大項目“高速列車信息控制系統(tǒng)實時故障診斷與應用驗證”，匯集了國內故障診斷領域知名的高校研究團隊和高鐵龍頭研發(fā)企業(yè)組成的研究小組，就高速列車信息控制系統(tǒng)中間歇故障、復合故障和微小故障等的實時故障診斷問題開展深入研究[8，19∼21]。

　　國外針對高速列車故障診斷技術的研究起步較早，20世紀80年代德國西門子研制的ICE系列高速列車首次實現(xiàn)對整個列車全面診斷，開啟了世界高速列車故障診斷系統(tǒng)研發(fā)及應用的大門。隨著世界高速列車市場的快速擴張，日本川崎、法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪、西班牙CAF等世界知名高速列車制造商也加大對高速列車實時故障診斷技術的研究和資助。為確保真實運營車運行的安全可靠，所有故障診斷算法在投入車載運行使用之前，需通過實驗室仿真環(huán)境和現(xiàn)場試驗車環(huán)境所搭建的應用驗證平臺的大量測試與驗證。因此，應用驗證平臺的研制和使用可有效降低研發(fā)成本、縮短研制周期和車上調試時間、提升車載應用的可靠性。與在正常運行的應用驗證平臺不同，故障診斷技術的測試與驗證需要在系統(tǒng)故障運行場景下進行。

　　然而，一方面，現(xiàn)有的高速列車信息控制系統(tǒng)應用驗證平臺大多以模擬、仿真、驗證高速列車正常運行行為為主要目標[22∼24]，缺乏安全、逼真的模擬或復現(xiàn)實際故障場景的手段，現(xiàn)有面向正常運行行為的應用驗證平臺難以用于對系統(tǒng)中各種故障的發(fā)生、演變及其對整個系統(tǒng)運行狀況的時空影響進行實時模擬仿真。另一方面，高速列車信息控制系統(tǒng)結構復雜且包含大量的元部件，故障種類多，故障機理及故障癥狀十分復雜，導致故障的發(fā)生在故障場景表征上具有多樣性和相似性，在時間上存在隨機性和偶然性，致使系統(tǒng)故障運行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)隱藏在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的海量數(shù)據(jù)之中，導致故障特征和癥狀難以從大數(shù)據(jù)中挖掘出來。

　　此外，列車車載記錄裝置所記錄的故障運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，存在明顯的局限性，僅為特定工況條件下系統(tǒng)故障運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，無法保證待測故障診斷算法在其他不同工況條件下依然有效。因此，僅僅利用實際故障運行狀態(tài)數(shù)據(jù)構建應用驗證平臺，對待測診斷算法進行測試驗證的方案還不完備。通過上述分析可知，為推進實時故障診斷技術的車載應用，搭建專門用于實時故障診斷測試與驗證的應用驗證平臺，亟需解決高速列車信息控制系統(tǒng)各類故障場景有效故障注入的難題。綜上可知，面向實時仿真的高速列車信息控制系統(tǒng)中故障注入缺乏系統(tǒng)性方法和實現(xiàn)技術。本文首先綜述了故障注入研究現(xiàn)狀，然后，分析了面向實時仿真故障注入面臨的問題與難點，并在此基礎上從故障注入方法及其實時仿真的實現(xiàn)技術上給出了一些解決方案;最后，對高速列車信息控制系統(tǒng)故障注入未來的研究方向進行展望。

　　2研究現(xiàn)狀

　　2.1故障注入

　　故障注入是20世紀70年代提出的一種故障仿真技術，當時并沒有引起人們的注意，直到20世紀90年代才獲得關注并迅速成為可靠性研究領域的一個熱點[25]。故障注入本質是針對指定的故障類型，采用某種策略人為地將故障引入目標系統(tǒng)中，用于觀察和分析目標系統(tǒng)在注入故障情況下的運行行為。常用的故障注入技術可分為3類[26∼28]:基于硬件、基于軟件和基于仿真的故障注入。基于硬件注入的故障更接近于系統(tǒng)運行現(xiàn)場中發(fā)生的真實故障，但對集成度高、結構復雜且器件封裝嚴密的系統(tǒng)進行故障模擬時，可能遇到故障位置不可訪問的問題，導致許多硬件故障注入無法進行。

　　基于軟件故障注入廉價且易于控制，但僅限于與軟件有關的部分，研究表明，有2/3的故障無法通過軟件故障注入完成[29]。基于仿真的故障注入覆蓋故障類型廣，可控性和可觀測性高，成本較低，但模型開發(fā)耗時，故障可信度依賴于模型的準確性。國內外開展故障注入研究和應用的起源，主要是圍繞軍事裝備、航天航空、核科學和高性能計算機中微電子設備、系統(tǒng)軟件等的故障仿真問題。

　　在軍事裝備方面，文獻[30]提出了一種基于全壽命周期數(shù)據(jù)的測試性驗證試驗優(yōu)化設計與綜合評估方法，并開發(fā)了具有通用性的導彈控制系統(tǒng)的故障注入與綜合評估系統(tǒng);文獻[31]開發(fā)了基于CPCI工業(yè)控制計算機的故障注入系統(tǒng)，并應用該系統(tǒng)對某型導彈故障診斷系統(tǒng)的性能進行了靜態(tài)測試驗證。在航空航天領域，文獻[32]針對長壽命無人航天器系統(tǒng)，采用基于VHDL的故障注入方法，解決了深亞微米技術中間歇性故障容錯系統(tǒng)的可靠性評估問題。文獻[33]針對飛行器中廣泛部署的防碰應用程序，采用隨機故障注入方式，模擬程序執(zhí)行中暫時性故障，驗證了所提一種程序級框架SymPLFIED。

　　圍繞核環(huán)境中微電子設備的故障仿真問題，文獻[34]開發(fā)了一個故障注入平臺，用于評估Virtex-6FPGA對單粒子翻轉(singleeventupset，SEU)或累積多個SEU的敏感性。文獻[35]開發(fā)了一種基于VHDL的故障注入技術，用于分析間歇故障對復雜容錯系統(tǒng)的影響。文獻[36]提出了一種單比特錯誤(singlebiterror，SBE)故障注入框架，用于解決故障注入速度與SBE精度的折中與優(yōu)化問題。文獻[37]提出了一種新的故障注入方法，解決了COTS微處理器中SEU靈敏度的檢測問題。在系統(tǒng)軟件方面，文獻[38]提出了一種面向非專門設計(off-the-shelf，OTS)軟件的二進制級故障注入方法，用于評估OTS軟件存在的風險。文獻[39]提出一種分類算法用于提升現(xiàn)有軟件故障注入的有效性。

　　3面向實時仿真的高速列車信息控制系統(tǒng)故障注入問題分析

　　本文主要考慮位置可訪問的故障注入方法和位置不可訪問的故障注入方法及其實現(xiàn)技術，位置可訪問的故障，主要是指虛擬仿真對象發(fā)生的故障。在進行故障注入時，可以最大限度地利用分析、建模和試驗過程中得到的大量輸入輸出變量，理論上可以通過對任意變量進行調理，或者直接替換模型的方式實現(xiàn)各種故障的注入與模擬。然而，高速列車信息控制系統(tǒng)結構復雜，自下而上分為元件級、部件級、子系統(tǒng)級和系統(tǒng)級4層。

　　相應的故障癥狀可能沿信號流方向在同層或鄰近層進行傳遞，也可能自底向上逐層傳遞到部件層、子系統(tǒng)層乃至系統(tǒng)層，對系統(tǒng)的影響具有空間上的遷移特性;在老化的過程中，老化程度隨著元器件使用時間的增加而逐漸加深，對系統(tǒng)的影響不僅具有空間上的遷移特性，還有時間上的演變特性，即具有時空上的變遷特性。故障的時空變遷特性導致高速列車信息控制系統(tǒng)故障的發(fā)生、發(fā)展和演變機理十分復雜，使得現(xiàn)有的故障注入方法難以解決高速列車信息控制系統(tǒng)中具有時空變遷特性的故障注入與模擬問題。位置不可訪問的故障，主要是指實物對象發(fā)生的故障。對封裝了的實物模塊或部件進行測試時，無法開封、分解注入。直接對實物進行破壞性試驗，可以實現(xiàn)實物的故障注入，但往往不具備可重復性，難以生成足夠的測試數(shù)據(jù)，并且，針對同一對象不同種類不同程度的故障，需要進行不同的實物破壞性試驗，顯著提高了故障注入的成本。

　　此外，系統(tǒng)隔離保護的設置使故障癥狀變遷特性與無隔離性時不同，導致故障癥狀變遷關聯(lián)、因果關系不同，給故障注入與模擬帶來了困難。不同子系統(tǒng)運行狀態(tài)和工作原理既有區(qū)別又相互影響。某一子系統(tǒng)發(fā)生故障不僅會造成本系統(tǒng)的不同元器件異常運行，也會通過各子系統(tǒng)間的聯(lián)系進行傳播并影響到其他子系統(tǒng)的運行狀態(tài)。由于缺少系統(tǒng)級的故障注入體系架構，給高速列車信息控制系統(tǒng)各種故障的發(fā)生、演變及其對整車各子系統(tǒng)運行狀況的時空影響的模擬帶來困難。在高速列車信息控制系統(tǒng)實時仿真平臺的某一時序路徑中加入故障注入模塊，會導致其他并行路徑的時序紊亂，也會增加解算資源占用;對系統(tǒng)進行時序優(yōu)化時，往往因其他路徑時間裕量的增加而占用更多解算資源。而實時仿真平臺的解算資源十分有限，擴展困難且價格昂貴，如何在現(xiàn)有解算資源的條件下實現(xiàn)高速列車信息控制系統(tǒng)各類故障的注入與模擬，也是故障注入實現(xiàn)所面臨的難題。

　　4面向實時仿真的高速列車信息控制系統(tǒng)故障注入解決方案

　　4.1故障注入方法

　　4.1.1位置可訪問的故障注入

　　針對位置可訪問的故障，根據(jù)其故障特性可分為空間上具有遷移特性的故障和時空上具有變遷特性的故障。對于具有空間遷移特性的故障，若故障發(fā)生影響的是故障對象的輸入輸出變量，則使用基于信號調理的故障注入方法進行故障注入與模擬[55]。若故障發(fā)生影響的是故障對象的拓撲結構和機理模型，則使用基于模型替換故障注入方法進行故障注入與模擬[56∼58]。對于具有時空變遷特性的故障，故障發(fā)生不僅會影響故障對象的拓撲結構和機理模型，還會在機理模型中引入在時間上具有演變特性的參數(shù)，則使用基于信號調理和模型替換混合的故障注入方法進行故障注入與模擬[59]。

　　5高速列車故障注入研究趨勢

　　在“走出去”“一帶一路”“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略和部署的需求驅動下，作為我國高端軌道交通裝備的代表，高速列車的智能化、數(shù)字化、集成化程度進一步提高。這必將進一步增強高速列車信息控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)的內在聯(lián)系和系統(tǒng)復雜性，致使故障場景更為復雜多樣。這對實現(xiàn)更為安全、逼真模擬信息控制系統(tǒng)中復雜故障場景的故障注入提出了新的挑戰(zhàn)。此外，國家“十三五”重點研發(fā)計劃先進軌道交通重點專項中對時速400公里可變軌距高速列車的研制[70]，必將使高速列車運營里程和運營速度迎來新一輪提升，給高速列車信息控制系統(tǒng)運行的安全性提出更為嚴格的要求，為故障預測、健康管理等提升系統(tǒng)安全性可靠性的新方法和技術的車載應用驗證研究帶來了機遇和挑戰(zhàn)。

　　作者：楊超1，2，彭濤1，2*，陶宏偉1，2，陽春華1，2，桂衛(wèi)華

轉載請注明來自發(fā)表學術論文網：http:///dzlw/23537.html