城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)設計

　　摘 要：為了提高城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)室內測試環(huán)境下的故障檢測智能化與自動化水平，分析城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)的硬件框架結構方案，構建集群環(huán)境下系統(tǒng)網絡拓撲結構，研究系統(tǒng)實現功能，并根據系統(tǒng)軟件結構設計圖，探討城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)的工作流程。針對骨干網數據和子系統(tǒng)內網數據分別制定處理方案，研究故障識別方案設計、故障標簽庫設計和主動式故障識別處理模塊設計等關鍵模塊設計。城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)的研發(fā)對CBTC系統(tǒng)的快速投產應用具有良好的促進作用。

　　關鍵詞：CBTC;故障分析;智能化;系統(tǒng)設計;關鍵技術;故障標簽

　　引言隨著我國城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)(CommunicationBasedTrainControlSystem，CBTC)不斷應用，該系統(tǒng)的國產化技術方案越來越成熟。CBTC系統(tǒng)由聯鎖子系統(tǒng)(CI)、列車調度監(jiān)督子系統(tǒng)(ATS)、車載控制子系統(tǒng)(VOBC)、區(qū)域控制子系統(tǒng)(ZC)和數據通信子系統(tǒng)(DCS)等構成[1-2]。各子系統(tǒng)之間實時進行多種控制信息與采集信息的交互，子系統(tǒng)內部完成自身邏輯功能運算。

　　而在CBTC系統(tǒng)實際現場應用前，需要進行全面的功能、數據、接口的測試驗證，包括系統(tǒng)是否滿足需求，是否存在安全隱患等。若在同一時期內存在多條軌道交通線路面臨開通需求時，則項目中測試工作繁重，壓力巨大。為了提高測試效率，加快投產，同時保證測試質量，研發(fā)一套能夠對測試過程中的問題進行快速智能故障分析定位的系統(tǒng)具有十分重要的意義。

　　城市交通論文范例： 城市軌道交通工程無縫線路鋪設技術

　　陳靜梅[3]根據日志的時間特征、種類特征、嚴重等級、時空特征等方面分析了在城市軌道交通現場運營情況下，對信號設備進行智能診斷的可行性，并系統(tǒng)地構建了信號智能化維護模型。崔亦博等[4]設計了城市軌道交通CBTC系統(tǒng)仿真實驗室的建設方案，為CBTC系統(tǒng)的室內測試環(huán)境奠定了基礎。張娟娟等[5]在分析CBTC車載子系統(tǒng)在線故障診斷系統(tǒng)功能需求的基礎上，設計了系統(tǒng)架構，從而實現對車載日志的快速獲取及智能分析。

　　孫曉光等[6]研發(fā)的CBTC系統(tǒng)測試環(huán)境對各接口之間維護數據進行監(jiān)測，通過數據監(jiān)測，為測試提供了除實物設備動作以外的觀測點，然而該系統(tǒng)在故障的診斷處理方面功能偏弱。李葉等[7]設計的地鐵信號系統(tǒng)室內集成仿真測試平臺(FIVP)，引入了點對點的自動化測試功能，實現ZC-CI，VOBC-CI等接口測試在室內測試平臺上自動化執(zhí)行，大大節(jié)省了測試時間，同樣該系統(tǒng)在故障分析診斷方面并未做深入的研究。

　　綜上分析，對于城市軌道交通CBTC系統(tǒng)室內測試階段的故障定位自動分析水平還有待深入研究。城市軌道交通CBTC系統(tǒng)的各子系統(tǒng)均具有數據記錄功能，用于故障后的分析和定位，然而這些信息主要是基于本子系統(tǒng)的接口及邏輯處理給出，具有片面性，對于尋找故障的根源往往僅起到導向作用，仍需要人工參與才能完成系統(tǒng)故障的定位。若將各個子系統(tǒng)所維護的通信數據信息進行整合，模擬人的故障判斷追蹤過程，并固化為邏輯判斷模塊，實現故障的自動追蹤定位，這對于提高故障檢測的自動化和智能化水平大有裨益。

　　1城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)設計

　　1.1系統(tǒng)架構設計

　　在不影響城市軌道交通CBTC系統(tǒng)通信網絡的情況下，城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)(以下簡稱“智能故障分析系統(tǒng)”)完成數據的采集與分析。在架構設計方面，利用交換機級聯狀態(tài)下的端口鏡像技術，實現對CBTC系統(tǒng)接口數據的獲取。利用VLAN劃分技術實現不同內網數據的隔離。智能故障分析系統(tǒng)利用抓包交換機對骨干網交換機和子系統(tǒng)內網交換機內的數據進行鏡像獲取，不僅能夠實現對CBTC系統(tǒng)骨干網數據監(jiān)測，同時也能夠對各子系統(tǒng)的內網數據進行監(jiān)測，從而獲得較全面的數據，為故障分析與識別奠定基礎。其中，swi表示第i個交換機。集群環(huán)境下CBTC系統(tǒng)的搭建原理如下。

　�、貱BTC各子系統(tǒng)，包括列車調度監(jiān)督子系統(tǒng)(ATS)、聯鎖子系統(tǒng)(CI)、區(qū)域控制子系統(tǒng)(ZC)、車載VOBC和DCS分布在多臺集群式管理服務器上，服務器之間數據通信采用3層交換機統(tǒng)一管理，如圖2中sw1和sw2所示，2臺交換機分別負責CBTC系統(tǒng)的a網和b網數據交互。②在集群服務器內部，通過創(chuàng)建虛擬交換機及虛擬服務器，搭建CBTC系統(tǒng)，并對虛擬交換機劃分VLAN，實現不同子網的有效隔離;外部交換機與服務器，如sw1，sw2，sw3，sw4與服務器之間通過Trunk方式配置連接，從而實現不同VLAN之間數據利用同一鏈路進行跨交換機交互。③集群服務器與磁盤陣列之間通過光纖交換機實現數據交互，光纖交換機FC-sw7所示。

　　sw3，sw4主要負責外部接口，與外部實物設備進行連接，并分別通過sw1，sw2交換機與集群服務器內虛擬系統(tǒng)進行數據交互。在以上搭建的CBTC系統(tǒng)基礎上，利用sw5，sw6作為數據監(jiān)測交換機，分別負責監(jiān)測網A和監(jiān)測網B的數據：一方面通過鏡像sw1和sw2內傳輸的數據，可獲得CBTC系統(tǒng)a網和b網服務器之間的交互信息以及外部設備與集群服務器之間的交互信息;另一方面，利用虛擬交換機鏈路鏡像技術將同一臺服務器內部各系統(tǒng)之間的交互數據上傳至實體交換機sw5，sw6，從而實現服務器內部數據的獲取。

　　G0/0/1，G0/0/24分別表示交換機的1號和24號端口，作為交換機級聯狀態(tài)下端口鏡像的源端口和目的端口。例如，sw1的G0/0/24口即為sw1進行端口鏡像的目的端口，同時該口級聯sw5的G0/0/24口，作為sw5中G0/0/1口的源端口，sw5的G0/0/1口為目的端口，具體端口選擇可根據項目實際情況確定。

　　1.2 實現功能及軟件結構設計

　　智能故障分析系統(tǒng)軟件主要完成對CBTC系統(tǒng)中通信數據的監(jiān)測獲取、數據解析與存儲、故障的智能分析、界面顯示及報警提示等功能。智能故障分析系統(tǒng)的工作流程如下。

　�、倮�用交換機的端口鏡像技術獲取CBTC系統(tǒng)網絡中的通信數據，這些數據分為骨干網數據和子系統(tǒng)內網數據2類。其中骨干網數據主要包括VOBC與ZC，ZC與CBI，VOBC與CBI，以及VOBC與ATS之間的通信數據，這些數據囊括了CBTC系統(tǒng)大部分的接口測試對象;子系統(tǒng)內網數據主要指各子系統(tǒng)內部邏輯分析單元(LP)與維護終端(MT)之間交互的報警信息。

　�、趯�這2類數據分別進行處理。對于骨干網數據，通過將通信協議轉換為xml配置文件的方式，編制程序，進行數據包的自動解包，并根據需要將相關信息進行界面顯示，以便于人對系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)進行更直觀的了解[8]，另外，根據獲得的實時骨干網數據，可用于判斷CBTC各子系統(tǒng)之間的實時通斷狀態(tài)，給出圖形化的報警顯示;對于子系統(tǒng)內網數據，利用報警信息，結合對應子系統(tǒng)定義的報警碼，以及當前骨干網內的信息，進行故障的智能分析。

　　2 智能故障分析系統(tǒng)關鍵模塊設計

　　2.1 故障識別方案設計

　　故障識別可分為查詢式故障報警和主動式故障報警2種方式處理。

　　(1)查詢式故障報警是指測試員通過對現在的運行狀態(tài)進行提問，從而查找出潛在的故障并給出報警的方式。查詢式故障報警的總體分析思路為：針對所提問題，首先考慮最直接的影響因素，并采用二分法的思想，逐層排除推進，縮小問題范圍，最終定位至某個模塊或者某條報文。報警的精確程度根據不同的故障類型，可以分為報文級故障或者字段級故障等。例如，非CTC列車在線路中運行時，不能升級為CTC等級，則測試員通過向系統(tǒng)提問，由分析系統(tǒng)自動查找列車不能升級的原因并給出相應的提示，從而定位潛在的故障。以列車不升級CTC等級為例，描述查詢式故障報警的設計原理。通過檢查當前時刻所有與列車升級相關的數據包字段，設計邏輯分析模塊，得出存在的故障根源。

　　(2)主動式故障報警是指系統(tǒng)在正常運行過程中，出現了非預期的現象，而主動給出提示的故障報警方式。例如，CTC列車在正常運行過程中故障降級，智能故障分析系統(tǒng)能夠主動查找導致降級的根源并給出報警，從而提高測試效率。主動式故障報警是通過網絡抓包，并根據通信協議解析，獲得各子系統(tǒng)邏輯部所產生的故障碼信息，將這些故障碼匯總后，結合骨干網內獲得的部分信息作為輔助條件，通過設計故障模式匹配算法，查找預先定義的故障標簽庫來完成故障定位，并給出報警或提示信息。其中，故障標簽由經驗豐富的測試工程師或專家根據系統(tǒng)需求定義，提取共性，并制定統(tǒng)一的規(guī)則來完成。

　　2.2故障標簽庫設計

　　2.2.1 故障標簽與子系統(tǒng)報警碼定義

　　故障標簽是指根據測試經驗，結合各子系統(tǒng)的報警碼，對一些常見的故障，分析故障的標志屬性，從而形成的一條用于判斷該故障原因的規(guī)則。故障標簽由平臺故障碼和針對各子系統(tǒng)定義的報警碼共同構成。在制定標簽的過程中，模擬人對故障的分析判斷過程，提取針對確定故障的標志性因素。將多個故 障分別定義故障標簽，并將這些標簽匯總，最終形成故障標簽庫。

　　在進行實時數據分析時，若被分析的數據滿足故障標簽庫中某個故障標簽所定義的屬性，即可判定發(fā)生了該故障。故障標簽是對人的判斷意識進行固化模擬，故障標簽庫的構建也是一個需要不斷完善深入的過程。各子系統(tǒng)的報警碼定義格式根據子系統(tǒng)的具體情況確定。例如，ZC子系統(tǒng)報警碼由系統(tǒng)自定義的模塊號和報警號共同組成;車載子系統(tǒng)報警碼則根據具體的故障原因，選擇所需檢查的字段定義組成;聯鎖子系統(tǒng)報 警碼也根據具體的報警類型，選擇相關字段來定義報警號。

　　2.2.2 故障標簽庫的構建

　　在構建故障標簽庫時，按照城市軌道交通CBTC系統(tǒng)各子系統(tǒng)構成，ZC，VOBC，CI，ATS均存在多個故障碼。若對這些故障碼進行任意組合，則可能出現組合爆炸的現象，但實際上針對某一特定的故障，其故障報警碼組合 是確定的，即并非任意的故障碼組合均具有測試分析意義。為此，針對各子系統(tǒng)的故障碼進行分析分類，這些故障碼可分為：子系統(tǒng)自身產生的應用邏輯故障碼、程序執(zhí)行過程錯誤故障碼、提示信息類故障碼。其中，程序執(zhí)行過程錯誤故障碼、提示信息類故障碼對于集成測試均不具有分析意義。進行系統(tǒng)級的故障定位分析應主要針對應用邏輯故障碼展開。

　　3結束語

　　智能故障分析系統(tǒng)的研發(fā)，能夠使測試人員更加直觀地了解CBTC系統(tǒng)的運行狀態(tài)，更快地發(fā)現CBTC系統(tǒng)中存在的缺陷，提高系統(tǒng)的故障定位能力，避免通過人工逐幀報文比對來定位故障，減少分析時間，降低測試人員的勞動強度。同時由于邏輯判斷功能和故障標簽庫的建立過程中均融合了具有豐富經驗的測試人員以及行業(yè)專家的智慧，能夠適當降低對測試人員的自身素質要求。在后續(xù)的研究中，將重點針對故障標簽庫的擴充以及故障診斷智能算法的優(yōu)化設計方面進行展開，從而進一步提升故障分析系統(tǒng)的智能化水平。

　　參考文獻：

　　[1]白廣爭.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)互聯互通運營測試平臺研究[J].鐵道運輸與經濟，2019，41(4)：113-117.BAIGuangzheng.AResearchonCBTCInterconnection/IntercommunicationOperationTestPlatformforUrbanRailTransit[J].RailwayTransportandEconomy，2019，41(4)：113-117.

　　[2]馮浩楠，范楷，段宏偉，等.城市軌道交通信號系統(tǒng)互聯互通協議框架研究[J].城市軌道交通研究，2018，21(11)：63-68.FENGHaonan，FANKai，DUANHongwei，etal.StudyontheInterconnectionProtocolFrameworkforUrbanRailTransitSignalSystem[J].UrbanMassTransit，2018，21(11)：63-68.

　　[3]陳靜梅.CBTC信號系統(tǒng)智能化故障分析[J].都市快軌交通，2021，34(1)：144-148.CHENJingmei.IntelligentFaultAnalysisofCBTCSignalSystem[J].UrbanRapidRailTransit，2021，34(1)：144-148.

　　作者：白廣爭1,2，馮浩楠1,2，滕達1,2，崔亦博1,2，李亮1,2，郜洪民1,

轉載請注明來自發(fā)表學術論文網：http:///jjlw/27795.html