高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)故障注入研究進(jìn)展

　　摘要高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)是確保整車(chē)運(yùn)行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，也是高速列車(chē)高發(fā)故障的主要來(lái)源之一。實(shí)時(shí)故障診斷是提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性的有效方案之一，故障注入作為檢驗(yàn)其是否滿足車(chē)載應(yīng)用要求的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)安全、逼真模擬系統(tǒng)各類(lèi)故障場(chǎng)景的重要手段。高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障場(chǎng)景呈現(xiàn)出多種復(fù)雜特性，從而使實(shí)現(xiàn)其有效故障注入方法和技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，如故障位置不可訪問(wèn)、故障場(chǎng)景時(shí)空變遷特性復(fù)雜和系統(tǒng)級(jí)故障注入架構(gòu)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(duì)比探討了面向?qū)崟r(shí)仿真的故障注入的研究意義;然后，分析了面向?qū)崟r(shí)仿真高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)故障注入存在的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上給出了一些解決方案;最后，指出了高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)故障注入未來(lái)的研究方向。

　　關(guān)鍵詞故障注入，實(shí)時(shí)仿真，故障診斷，高速列車(chē)，信息控制系統(tǒng)

　　1引言

　　近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路發(fā)展迅速，取得了舉世矚目的進(jìn)步，形成了具有中國(guó)特色的高鐵技術(shù)體系，總體技術(shù)水平和應(yīng)用水平居世界領(lǐng)先地位[1∼4]。作為高鐵運(yùn)營(yíng)的載體、高端裝備的代表，高速列車(chē)已成為現(xiàn)代軌道交通運(yùn)輸業(yè)最核心、最重要、最便捷的方式之一，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、大眾化交通工具和現(xiàn)代城市運(yùn)行的重要骨架。但高速列車(chē)運(yùn)行時(shí)速高、運(yùn)行環(huán)境惡劣以及長(zhǎng)期運(yùn)行可能導(dǎo)致的元部件老化等給高速列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患[5∼7]。高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)[8]涵蓋高速列車(chē)牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)，是高速列車(chē)的心臟(變流)、大腦(控制)和神經(jīng)(網(wǎng)絡(luò))，高速列車(chē)正是在這些系統(tǒng)的共同作用下實(shí)現(xiàn)整車(chē)安全運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，信息控制系統(tǒng)也是高速列車(chē)高發(fā)故障的主要來(lái)源之一，其子系統(tǒng)中的任何故障或安全隱患若不能實(shí)時(shí)診斷并得到及時(shí)正確的處理，都有可能引發(fā)連鎖事故甚至被迫停車(chē)，帶來(lái)不好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。

　　交通工程師論文范例：高速公路改擴(kuò)建工程路基搭接技術(shù)研究

　　因此，為保障高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全，諸多可靠性技術(shù)、預(yù)防措施和安全保障體系的研究已引起廣泛關(guān)注，如故障模式及影響分析等[9，10]。作為提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性的有效方案之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)故障診斷等方法和技術(shù)展開(kāi)了大量的研究[11∼18]。其中，2015年國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)的重大項(xiàng)目“高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障診斷與應(yīng)用驗(yàn)證”，匯集了國(guó)內(nèi)故障診斷領(lǐng)域知名的高校研究團(tuán)隊(duì)和高鐵龍頭研發(fā)企業(yè)組成的研究小組，就高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)中間歇故障、復(fù)合故障和微小故障等的實(shí)時(shí)故障診斷問(wèn)題開(kāi)展深入研究[8，19∼21]。

　　國(guó)外針對(duì)高速列車(chē)故障診斷技術(shù)的研究起步較早，20世紀(jì)80年代德國(guó)西門(mén)子研制的ICE系列高速列車(chē)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)列車(chē)全面診斷，開(kāi)啟了世界高速列車(chē)故障診斷系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用的大門(mén)。隨著世界高速列車(chē)市場(chǎng)的快速擴(kuò)張，日本川崎、法國(guó)阿爾斯通、加拿大龐巴迪、西班牙CAF等世界知名高速列車(chē)制造商也加大對(duì)高速列車(chē)實(shí)時(shí)故障診斷技術(shù)的研究和資助。為確保真實(shí)運(yùn)營(yíng)車(chē)運(yùn)行的安全可靠，所有故障診斷算法在投入車(chē)載運(yùn)行使用之前，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)車(chē)環(huán)境所搭建的應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)的大量測(cè)試與驗(yàn)證。因此，應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)的研制和使用可有效降低研發(fā)成本、縮短研制周期和車(chē)上調(diào)試時(shí)間、提升車(chē)載應(yīng)用的可靠性。與在正常運(yùn)行的應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)不同，故障診斷技術(shù)的測(cè)試與驗(yàn)證需要在系統(tǒng)故障運(yùn)行場(chǎng)景下進(jìn)行。

　　然而，一方面，現(xiàn)有的高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)大多以模擬、仿真、驗(yàn)證高速列車(chē)正常運(yùn)行行為為主要目標(biāo)[22∼24]，缺乏安全、逼真的模擬或復(fù)現(xiàn)實(shí)際故障場(chǎng)景的手段，現(xiàn)有面向正常運(yùn)行行為的應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)難以用于對(duì)系統(tǒng)中各種故障的發(fā)生、演變及其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的時(shí)空影響進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬仿真。另一方面，高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且包含大量的元部件，故障種類(lèi)多，故障機(jī)理及故障癥狀十分復(fù)雜，導(dǎo)致故障的發(fā)生在故障場(chǎng)景表征上具有多樣性和相似性，在時(shí)間上存在隨機(jī)性和偶然性，致使系統(tǒng)故障運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)隱藏在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的海量數(shù)據(jù)之中，導(dǎo)致故障特征和癥狀難以從大數(shù)據(jù)中挖掘出來(lái)。

　　此外，列車(chē)車(chē)載記錄裝置所記錄的故障運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，無(wú)法保證待測(cè)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(shí)際故障運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)待測(cè)診斷算法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證的方案還不完備。通過(guò)上述分析可知，為推進(jìn)實(shí)時(shí)故障診斷技術(shù)的車(chē)載應(yīng)用，搭建專(zhuān)門(mén)用于實(shí)時(shí)故障診斷測(cè)試與驗(yàn)證的應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)，亟需解決高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)各類(lèi)故障場(chǎng)景有效故障注入的難題。綜上可知，面向?qū)崟r(shí)仿真的高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)中故障注入缺乏系統(tǒng)性方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。本文首先綜述了故障注入研究現(xiàn)狀，然后，分析了面向?qū)崟r(shí)仿真故障注入面臨的問(wèn)題與難點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上從故障注入方法及其實(shí)時(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)技術(shù)上給出了一些解決方案;最后，對(duì)高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)故障注入未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

　　2研究現(xiàn)狀

　　2.1故障注入

　　故障注入是20世紀(jì)70年代提出的一種故障仿真技術(shù)，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的注意，直到20世紀(jì)90年代才獲得關(guān)注并迅速成為可靠性研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)[25]。故障注入本質(zhì)是針對(duì)指定的故障類(lèi)型，采用某種策略人為地將故障引入目標(biāo)系統(tǒng)中，用于觀察和分析目標(biāo)系統(tǒng)在注入故障情況下的運(yùn)行行為。常用的故障注入技術(shù)可分為3類(lèi)[26∼28]:基于硬件、基于軟件和基于仿真的故障注入�；�于硬件注入的故障更接近于系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)生的真實(shí)故障，但對(duì)集成度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且器件封裝嚴(yán)密的系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬時(shí)，可能遇到故障位置不可訪問(wèn)的問(wèn)題，導(dǎo)致許多硬件故障注入無(wú)法進(jìn)行。

　　基于軟件故障注入廉價(jià)且易于控制，但僅限于與軟件有關(guān)的部分，研究表明，有2/3的故障無(wú)法通過(guò)軟件故障注入完成[29]。基于仿真的故障注入覆蓋故障類(lèi)型廣，可控性和可觀測(cè)性高，成本較低，但模型開(kāi)發(fā)耗時(shí)，故障可信度依賴(lài)于模型的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展故障注入研究和應(yīng)用的起源，主要是圍繞軍事裝備、航天航空、核科學(xué)和高性能計(jì)算機(jī)中微電子設(shè)備、系統(tǒng)軟件等的故障仿真問(wèn)題。

　　在軍事裝備方面，文獻(xiàn)[30]提出了一種基于全壽命周期數(shù)據(jù)的測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合評(píng)估方法，并開(kāi)發(fā)了具有通用性的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的故障注入與綜合評(píng)估系統(tǒng);文獻(xiàn)[31]開(kāi)發(fā)了基于CPCI工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的故障注入系統(tǒng)，并應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)某型導(dǎo)彈故障診斷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試驗(yàn)證。在航空航天領(lǐng)域，文獻(xiàn)[32]針對(duì)長(zhǎng)壽命無(wú)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(shù)中間歇性故障容錯(cuò)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估問(wèn)題。文獻(xiàn)[33]針對(duì)飛行器中廣泛部署的防碰應(yīng)用程序，采用隨機(jī)故障注入方式，模擬程序執(zhí)行中暫時(shí)性故障，驗(yàn)證了所提一種程序級(jí)框架SymPLFIED。

　　圍繞核環(huán)境中微電子設(shè)備的故障仿真問(wèn)題，文獻(xiàn)[34]開(kāi)發(fā)了一個(gè)故障注入平臺(tái)，用于評(píng)估Virtex-6FPGA對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)(singleeventupset，SEU)或累積多個(gè)SEU的敏感性。文獻(xiàn)[35]開(kāi)發(fā)了一種基于VHDL的故障注入技術(shù)，用于分析間歇故障對(duì)復(fù)雜容錯(cuò)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[36]提出了一種單比特錯(cuò)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(wèn)題。文獻(xiàn)[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(cè)問(wèn)題。在系統(tǒng)軟件方面，文獻(xiàn)[38]提出了一種面向非專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)(off-the-shelf，OTS)軟件的二進(jìn)制級(jí)故障注入方法，用于評(píng)估OTS軟件存在的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[39]提出一種分類(lèi)算法用于提升現(xiàn)有軟件故障注入的有效性。

　　3面向?qū)崟r(shí)仿真的高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)故障注入問(wèn)題分析

　　本文主要考慮位置可訪問(wèn)的故障注入方法和位置不可訪問(wèn)的故障注入方法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，位置可訪問(wèn)的故障，主要是指虛擬仿真對(duì)象發(fā)生的故障。在進(jìn)行故障注入時(shí)，可以最大限度地利用分析、建模和試驗(yàn)過(guò)程中得到的大量輸入輸出變量，理論上可以通過(guò)對(duì)任意變量進(jìn)行調(diào)理，或者直接替換模型的方式實(shí)現(xiàn)各種故障的注入與模擬。然而，高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自下而上分為元件級(jí)、部件級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)4層。

　　相應(yīng)的故障癥狀可能沿信號(hào)流方向在同層或鄰近層進(jìn)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(duì)系統(tǒng)的影響具有空間上的遷移特性;在老化的過(guò)程中，老化程度隨著元器件使用時(shí)間的增加而逐漸加深，對(duì)系統(tǒng)的影響不僅具有空間上的遷移特性，還有時(shí)間上的演變特性，即具有時(shí)空上的變遷特性。故障的時(shí)空變遷特性導(dǎo)致高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)故障的發(fā)生、發(fā)展和演變機(jī)理十分復(fù)雜，使得現(xiàn)有的故障注入方法難以解決高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)中具有時(shí)空變遷特性的故障注入與模擬問(wèn)題。位置不可訪問(wèn)的故障，主要是指實(shí)物對(duì)象發(fā)生的故障。對(duì)封裝了的實(shí)物模塊或部件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，無(wú)法開(kāi)封、分解注入。直接對(duì)實(shí)物進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物的故障注入，但往往不具備可重復(fù)性，難以生成足夠的測(cè)試數(shù)據(jù)，并且，針對(duì)同一對(duì)象不同種類(lèi)不同程度的故障，需要進(jìn)行不同的實(shí)物破壞性試驗(yàn)，顯著提高了故障注入的成本。

　　此外，系統(tǒng)隔離保護(hù)的設(shè)置使故障癥狀變遷特性與無(wú)隔離性時(shí)不同，導(dǎo)致故障癥狀變遷關(guān)聯(lián)、因果關(guān)系不同，給故障注入與模擬帶來(lái)了困難。不同子系統(tǒng)運(yùn)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(huì)造成本系統(tǒng)的不同元器件異常運(yùn)行，也會(huì)通過(guò)各子系統(tǒng)間的聯(lián)系進(jìn)行傳播并影響到其他子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。由于缺少系統(tǒng)級(jí)的故障注入體系架構(gòu)，給高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)各種故障的發(fā)生、演變及其對(duì)整車(chē)各子系統(tǒng)運(yùn)行狀況的時(shí)空影響的模擬帶來(lái)困難。在高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的某一時(shí)序路徑中加入故障注入模塊，會(huì)導(dǎo)致其他并行路徑的時(shí)序紊亂，也會(huì)增加解算資源占用;對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化時(shí)，往往因其他路徑時(shí)間裕量的增加而占用更多解算資源。而實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的解算資源十分有限，擴(kuò)展困難且價(jià)格昂貴，如何在現(xiàn)有解算資源的條件下實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)各類(lèi)故障的注入與模擬，也是故障注入實(shí)現(xiàn)所面臨的難題。

　　4面向?qū)崟r(shí)仿真的高速列車(chē)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(wèn)的故障注入

　　針對(duì)位置可訪問(wèn)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(shí)空上具有變遷特性的故障。對(duì)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(duì)象的輸入輸出變量，則使用基于信號(hào)調(diào)理的故障注入方法進(jìn)行故障注入與模擬[55]。若故障發(fā)生影響的是故障對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和機(jī)理模型，則使用基于模型替換故障注入方法進(jìn)行故障注入與模擬[56∼58]。對(duì)于具有時(shí)空變遷特性的故障，故障發(fā)生不僅會(huì)影響故障對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和機(jī)理模型，還會(huì)在機(jī)理模型中引入在時(shí)間上具有演變特性的參數(shù)，則使用基于信號(hào)調(diào)理和模型替換混合的故障注入方法進(jìn)行故障注入與模擬[59]。

　　5高速列車(chē)故障注入研究趨勢(shì)

　　在“走出去”“一帶一路”“中國(guó)制造2025”等國(guó)家戰(zhàn)略和部署的需求驅(qū)動(dòng)下，作為我國(guó)高端軌道交通裝備的代表，高速列車(chē)的智能化、數(shù)字化、集成化程度進(jìn)一步提高。這必將進(jìn)一步增強(qiáng)高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和系統(tǒng)復(fù)雜性，致使故障場(chǎng)景更為復(fù)雜多樣。這對(duì)實(shí)現(xiàn)更為安全、逼真模擬信息控制系統(tǒng)中復(fù)雜故障場(chǎng)景的故障注入提出了新的挑戰(zhàn)。此外，國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃先進(jìn)軌道交通重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)中對(duì)時(shí)速400公里可變軌距高速列車(chē)的研制[70]，必將使高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)里程和運(yùn)營(yíng)速度迎來(lái)新一輪提升，給高速列車(chē)信息控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性提出更為嚴(yán)格的要求，為故障預(yù)測(cè)、健康管理等提升系統(tǒng)安全性可靠性的新方法和技術(shù)的車(chē)載應(yīng)用驗(yàn)證研究帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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

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