城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(nèi)測(cè)試環(huán)境下的故障檢測(cè)智能化與自動(dòng)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(jié)構(gòu)方案，構(gòu)建集群環(huán)境下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，并根據(jù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)和子系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)分別制定處理方案，研究故障識(shí)別方案設(shè)計(jì)、故障標(biāo)簽庫(kù)設(shè)計(jì)和主動(dòng)式故障識(shí)別處理模塊設(shè)計(jì)等關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)。城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)CBTC系統(tǒng)的快速投產(chǎn)應(yīng)用具有良好的促進(jìn)作用。

　　關(guān)鍵詞：CBTC;故障分析;智能化;系統(tǒng)設(shè)計(jì);關(guān)鍵技術(shù);故障標(biāo)簽

　　引言隨著我國(guó)城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)(CommunicationBasedTrainControlSystem，CBTC)不斷應(yīng)用，該系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)方案越來越成熟。CBTC系統(tǒng)由聯(lián)鎖子系統(tǒng)(CI)、列車調(diào)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(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)(DCS)等構(gòu)成[1-2]。各子系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)進(jìn)行多種控制信息與采集信息的交互，子系統(tǒng)內(nèi)部完成自身邏輯功能運(yùn)算。

　　而在CBTC系統(tǒng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前，需要進(jìn)行全面的功能、數(shù)據(jù)、接口的測(cè)試驗(yàn)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(shí)期內(nèi)存在多條軌道交通線路面臨開通需求時(shí)，則項(xiàng)目中測(cè)試工作繁重，壓力巨大。為了提高測(cè)試效率，加快投產(chǎn)，同時(shí)保證測(cè)試質(zhì)量，研發(fā)一套能夠?qū)�測(cè)試過程中的問題進(jìn)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(shè)技術(shù)

　　陳靜梅[3]根據(jù)日志的時(shí)間特征、種類特征、嚴(yán)重等級(jí)、時(shí)空特征等方面分析了在城市軌道交通現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況下，對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行智能診斷的可行性，并系統(tǒng)地構(gòu)建了信號(hào)智能化維護(hù)模型。崔亦博等[4]設(shè)計(jì)了城市軌道交通CBTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，為CBTC系統(tǒng)的室內(nèi)測(cè)試環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。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(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)試環(huán)境對(duì)各接口之間維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，為測(cè)試提供了除實(shí)物設(shè)備動(dòng)作以外的觀測(cè)點(diǎn)，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(shè)計(jì)的地鐵信號(hào)系統(tǒng)室內(nèi)集成仿真測(cè)試平臺(tái)(FIVP)，引入了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的自動(dòng)化測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)ZC-CI，VOBC-CI等接口測(cè)試在室內(nèi)測(cè)試平臺(tái)上自動(dòng)化執(zhí)行，大大節(jié)省了測(cè)試時(shí)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(duì)于城市軌道交通CBTC系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試階段的故障定位自動(dòng)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(shù)據(jù)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(duì)于尋找故障的根源往往僅起到導(dǎo)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(gè)子系統(tǒng)所維護(hù)的通信數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)追蹤定位，這對(duì)于提高故障檢測(cè)的自動(dòng)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(shè)計(jì)

　　1.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在不影響城市軌道交通CBTC系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的情況下，城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“智能故障分析系統(tǒng)”)完成數(shù)據(jù)的采集與分析。在架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，利用交換機(jī)級(jí)聯(lián)狀態(tài)下的端口鏡像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CBTC系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)的獲取。利用VLAN劃分技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的隔離。智能故障分析系統(tǒng)利用抓包交換機(jī)對(duì)骨干網(wǎng)交換機(jī)和子系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像獲取，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CBTC系統(tǒng)骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而獲得較全面的數(shù)據(jù)，為故障分析與識(shí)別奠定基礎(chǔ)。其中，swi表示第i個(gè)交換機(jī)。集群環(huán)境下CBTC系統(tǒng)的搭建原理如下。

　　①CBTC各子系統(tǒng)，包括列車調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)(ATS)、聯(lián)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(tái)集群式管理服務(wù)器上，服務(wù)器之間數(shù)據(jù)通信采用3層交換機(jī)統(tǒng)一管理，如圖2中sw1和sw2所示，2臺(tái)交換機(jī)分別負(fù)責(zé)CBTC系統(tǒng)的a網(wǎng)和b網(wǎng)數(shù)據(jù)交互。②在集群服務(wù)器內(nèi)部，通過創(chuàng)建虛擬交換機(jī)及虛擬服務(wù)器，搭建CBTC系統(tǒng)，并對(duì)虛擬交換機(jī)劃分VLAN，實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)的有效隔離;外部交換機(jī)與服務(wù)器，如sw1，sw2，sw3，sw4與服務(wù)器之間通過Trunk方式配置連接，從而實(shí)現(xiàn)不同VLAN之間數(shù)據(jù)利用同一鏈路進(jìn)行跨交換機(jī)交互。③集群服務(wù)器與磁盤陣列之間通過光纖交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，光纖交換機(jī)FC-sw7所示。

　　sw3，sw4主要負(fù)責(zé)外部接口，與外部實(shí)物設(shè)備進(jìn)行連接，并分別通過sw1，sw2交換機(jī)與集群服務(wù)器內(nèi)虛擬系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在以上搭建的CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用sw5，sw6作為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)交換機(jī)，分別負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)網(wǎng)A和監(jiān)測(cè)網(wǎng)B的數(shù)據(jù)：一方面通過鏡像sw1和sw2內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可獲得CBTC系統(tǒng)a網(wǎng)和b網(wǎng)服務(wù)器之間的交互信息以及外部設(shè)備與集群服務(wù)器之間的交互信息;另一方面，利用虛擬交換機(jī)鏈路鏡像技術(shù)將同一臺(tái)服務(wù)器內(nèi)部各系統(tǒng)之間的交互數(shù)據(jù)上傳至實(shí)體交換機(jī)sw5，sw6，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器內(nèi)部數(shù)據(jù)的獲取。

　　G0/0/1，G0/0/24分別表示交換機(jī)的1號(hào)和24號(hào)端口，作為交換機(jī)級(jí)聯(lián)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(jìn)行端口鏡像的目的端口，同時(shí)該口級(jí)聯(lián)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(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定。

　　1.2 實(shí)現(xiàn)功能及軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　智能故障分析系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)CBTC系統(tǒng)中通信數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)獲取、數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)、故障的智能分析、界面顯示及報(bào)警提示等功能。智能故障分析系統(tǒng)的工作流程如下。

　　①利用交換機(jī)的端口鏡像技術(shù)獲取CBTC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的通信數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分為骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)和子系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)2類。其中骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括VOBC與ZC，ZC與CBI，VOBC與CBI，以及VOBC與ATS之間的通信數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)囊括了CBTC系統(tǒng)大部分的接口測(cè)試對(duì)象;子系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)主要指各子系統(tǒng)內(nèi)部邏輯分析單元(LP)與維護(hù)終端(MT)之間交互的報(bào)警信息。

　�、趯�(duì)這2類數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理。對(duì)于骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過將通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為xml配置文件的方式，編制程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的自動(dòng)解包，并根據(jù)需要將相關(guān)信息進(jìn)行界面顯示，以便于人對(duì)系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更直觀的了解[8]，另外，根據(jù)獲得的實(shí)時(shí)骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)，可用于判斷CBTC各子系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通斷狀態(tài)，給出圖形化的報(bào)警顯示;對(duì)于子系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用報(bào)警信息，結(jié)合對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)定義的報(bào)警碼，以及當(dāng)前骨干網(wǎng)內(nèi)的信息，進(jìn)行故障的智能分析。

　　2 智能故障分析系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 故障識(shí)別方案設(shè)計(jì)

　　故障識(shí)別可分為查詢式故障報(bào)警和主動(dòng)式故障報(bào)警2種方式處理。

　　(1)查詢式故障報(bào)警是指測(cè)試員通過對(duì)現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行提問，從而查找出潛在的故障并給出報(bào)警的方式。查詢式故障報(bào)警的總體分析思路為：針對(duì)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(jìn)，縮小問題范圍，最終定位至某個(gè)模塊或者某條報(bào)文。報(bào)警的精確程度根據(jù)不同的故障類型，可以分為報(bào)文級(jí)故障或者字段級(jí)故障等。例如，非CTC列車在線路中運(yùn)行時(shí)，不能升級(jí)為CTC等級(jí)，則測(cè)試員通過向系統(tǒng)提問，由分析系統(tǒng)自動(dòng)查找列車不能升級(jí)的原因并給出相應(yīng)的提示，從而定位潛在的故障。以列車不升級(jí)CTC等級(jí)為例，描述查詢式故障報(bào)警的設(shè)計(jì)原理。通過檢查當(dāng)前時(shí)刻所有與列車升級(jí)相關(guān)的數(shù)據(jù)包字段，設(shè)計(jì)邏輯分析模塊，得出存在的故障根源。

　　(2)主動(dòng)式故障報(bào)警是指系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了非預(yù)期的現(xiàn)象，而主動(dòng)給出提示的故障報(bào)警方式。例如，CTC列車在正常運(yùn)行過程中故障降級(jí)，智能故障分析系統(tǒng)能夠主動(dòng)查找導(dǎo)致降級(jí)的根源并給出報(bào)警，從而提高測(cè)試效率。主動(dòng)式故障報(bào)警是通過網(wǎng)絡(luò)抓包，并根據(jù)通信協(xié)議解析，獲得各子系統(tǒng)邏輯部所產(chǎn)生的故障碼信息，將這些故障碼匯總后，結(jié)合骨干網(wǎng)內(nèi)獲得的部分信息作為輔助條件，通過設(shè)計(jì)故障模式匹配算法，查找預(yù)先定義的故障標(biāo)簽庫(kù)來完成故障定位，并給出報(bào)警或提示信息。其中，故障標(biāo)簽由經(jīng)驗(yàn)豐富的測(cè)試工程師或?qū)＜腋鶕?jù)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(biāo)簽庫(kù)設(shè)計(jì)

　　2.2.1 故障標(biāo)簽與子系統(tǒng)報(bào)警碼定義

　　故障標(biāo)簽是指根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合各子系統(tǒng)的報(bào)警碼，對(duì)一些常見的故障，分析故障的標(biāo)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(biāo)簽由平臺(tái)故障碼和針對(duì)各子系統(tǒng)定義的報(bào)警碼共同構(gòu)成。在制定標(biāo)簽的過程中，模擬人對(duì)故障的分析判斷過程，提取針對(duì)確定故障的標(biāo)志性因素。將多個(gè)故 障分別定義故障標(biāo)簽，并將這些標(biāo)簽匯總，最終形成故障標(biāo)簽庫(kù)。

　　在進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析時(shí)，若被分析的數(shù)據(jù)滿足故障標(biāo)簽庫(kù)中某個(gè)故障標(biāo)簽所定義的屬性，即可判定發(fā)生了該故障。故障標(biāo)簽是對(duì)人的判斷意識(shí)進(jìn)行固化模擬，故障標(biāo)簽庫(kù)的構(gòu)建也是一個(gè)需要不斷完善深入的過程。各子系統(tǒng)的報(bào)警碼定義格式根據(jù)子系統(tǒng)的具體情況確定。例如，ZC子系統(tǒng)報(bào)警碼由系統(tǒng)自定義的模塊號(hào)和報(bào)警號(hào)共同組成;車載子系統(tǒng)報(bào)警碼則根據(jù)具體的故障原因，選擇所需檢查的字段定義組成;聯(lián)鎖子系統(tǒng)報(bào) 警碼也根據(jù)具體的報(bào)警類型，選擇相關(guān)字段來定義報(bào)警號(hào)。

　　2.2.2 故障標(biāo)簽庫(kù)的構(gòu)建

　　在構(gòu)建故障標(biāo)簽庫(kù)時(shí)，按照城市軌道交通CBTC系統(tǒng)各子系統(tǒng)構(gòu)成，ZC，VOBC，CI，ATS均存在多個(gè)故障碼。若對(duì)這些故障碼進(jìn)行任意組合，則可能出現(xiàn)組合爆炸的現(xiàn)象，但實(shí)際上針對(duì)某一特定的故障，其故障報(bào)警碼組合 是確定的，即并非任意的故障碼組合均具有測(cè)試分析意義。為此，針對(duì)各子系統(tǒng)的故障碼進(jìn)行分析分類，這些故障碼可分為：子系統(tǒng)自身產(chǎn)生的應(yīng)用邏輯故障碼、程序執(zhí)行過程錯(cuò)誤故障碼、提示信息類故障碼。其中，程序執(zhí)行過程錯(cuò)誤故障碼、提示信息類故障碼對(duì)于集成測(cè)試均不具有分析意義。進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的故障定位分析應(yīng)主要針對(duì)應(yīng)用邏輯故障碼展開。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　智能故障分析系統(tǒng)的研發(fā)，能夠使測(cè)試人員更加直觀地了解CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，更快地發(fā)現(xiàn)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(bào)文比對(duì)來定位故障，減少分析時(shí)間，降低測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)由于邏輯判斷功能和故障標(biāo)簽庫(kù)的建立過程中均融合了具有豐富經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人員以及行業(yè)專家的智慧，能夠適當(dāng)降低對(duì)測(cè)試人員的自身素質(zhì)要求。在后續(xù)的研究中，將重點(diǎn)針對(duì)故障標(biāo)簽庫(kù)的擴(kuò)充以及故障診斷智能算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行展開，從而進(jìn)一步提升故障分析系統(tǒng)的智能化水平。

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　　作者：白廣爭(zhēng)1,2，馮浩楠1,2，滕達(dá)1,2，崔亦博1,2，李亮1,2，郜洪民1,

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