CN110450819A - 一种基于非接触式数据采集的车载atc设备运维系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，包括：信号采集单元，采用非接触式传感器采集车载ATC设备的相关车载信息，并进行放大与模数转换后传输至所述车载端信息处理单元；车载端信息处理单元，收集车载ATC各子系统的行车日志，并与所述信号采集单元发送的车载信息进行整合存储，同时，将整合后的数据传输至车地无线通信单元；车地无线通信单元，将车载端信息处理单元整合后的数据传输至轨旁设备；轨旁设备，通过分类算法与预测算法对整合后的数据进行处理，实现故障的诊断和可能发生故障的预警。该系统可以在维持设备可靠性的基础上采集车载信息，同时，由轨旁设备对数据的分析可以实现故障的诊断和预警，提高了运维效率。

Description

一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统

技术领域

本发明涉及铁道科学技术领域，尤其涉及一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统。

背景技术

列车运行控制系统中，车载ATC(Automatic Train Control)设备行车日志记录着各子系统的整个运行周期的全部信息，分析行车日志也是监测车载设备和追查系统故障的重要手段。但既有的车载ATC设备对于列车接口、系统输入输出、列车测速传感器没有有效的监测及记录；而现行的运维手段中缺失这些信息会导致部分故障无法快速准确定位，故障责任无法精准划分，降低了运维的效率。为了更精准的诊断车载ATC设备的故障，提高运维工作的效率，就需要更全面地监测列车ATC设备的各种接口状态信息，包括ATP(Automatic Train Protection)安全输入接口、ATP非安全输入接口、ATP安全输出接口、ATP非安全输出接口、ATO(Automatic Train Operation)安全输入接口、ATO安全输出接口及ATO模拟输出接口、测速传感器供电接口、测速传感器输出接口、测速雷达通道供电接口、测速雷达通道供电接口等。

在车载ATC设备上实现电信号采集，必须考虑系统可靠性，因为车载ATC设备的安全等级要求为SIL-4(Safety Integrity Level-4)，对电信号的采集须在不影响系统可靠性的前提下进行。传统的电信号采集技术基本均为接触式的测量采集，此种测量方式与待测信号与电气接触，会为系统引入新的风险源，降低整个ATC系统的可靠性。因此选用合适的信号采集方式是信号采集的关键。

在信号系统的运营和维护中，主要的方法和手段还是依靠运维人员及其维修经验，能实现自动分析和故障预警的“智能运维系统”是未来的发展方向。实现智能运维就是要对车载ATC设备各子系统及关键零部件进行状态实时监测，在故障发生之前进行预警，从而降低系统故障率。列车的行车数据包含所有的行车数据的详细信息，其中隐含有大量的故障特征，因此分析行车日志也是目前运营维护中诊断故障的重要手段。目前主流信号厂商都已经实现了日志的在线存储与错误代码记录，维护人员结合错误报警信息对特定日志进行分析，可以基本实现故障的分析与定位。但是，由于日志的信息太过庞大，每列车每天的数据量多达数百兆。以目前维修人员的人力资源而言，仅能实现对出现故障的列车进行日志手动下载与简单分析，且人工分析严重依赖个人的经验和细致程度。

目前，在车载ATC运维系统研究方面主要有以下方案：

1、一种地铁列车综合监测系统(CN207123874U)，但是该方案，只有对各系统信息的存储，而没有监测车辆接口、输入输出、传感器信息；将数据记录于存储设备中而没有车地通信，运维人员对于日志的获取仍需要手动下载；同时只是对数据进行记录而没有分析和预警；

2、一种地铁列车信号系统在线监测与预警的装置(CN203825673U)。但是，该方案没有采集车辆接口、输入输出、传感器信息；没有实现行车数据的车地无线传输。

3、地铁车载控制器与列车管理系统的接口监测设备(CN203313212U)。但是，该方案未解决的问题：没有采集车辆接口、输入输出、传感器信息；缺少行车数据的传输；缺少对于行车数据的分析及故障预警。

鉴于现有技术所存在的各项缺陷，亟需设计一种能够对列车接口、系统输入输出、列车测速传感器信息进行非接触式测量和采集的监测，并对列车行车全周期日志进行整合，进而实现行车日志自动下载和故障预警的系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，极大的提高了运维效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，包括：信号采集单元、车载端信息处理单元、车地无线通信单元、以及轨旁设备；其中：

所述信号采集单元，用于采用非接触式传感器采集车载ATC设备的相关车载信息，并进行放大与模数转换后传输至所述车载端信息处理单元；

所述车载端信息处理单元，用于收集车载ATC各子系统的行车日志，与所述信号采集单元发送的车载信息整合为行车数据，并存储，同时，将为行车数据传输至车地无线通信单元；

所述车地无线通信单元，用于将行车数据传输至轨旁设备；

所述轨旁设备，用于通过分类算法与预测算法对行车数据进行处理，实现故障的诊断和可能发生故障的预警。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用的非接触式传感器因其非接触的特性，并不会对既有车载ATC设备的安全及非安全功能造成影响，可以在维持设备可靠性的基础上对信息进行采集，同时，由轨旁设备对数据的分析可以实现故障的诊断和预警，相较于人工收集日志并进行手动分析而言，运维效率大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的系统实现逻辑图；

图3为本发明实施例提供的非接触式测量示意图；

图4为本发明实施例提供的信号采集、放大及模数转换电路图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，系统所采用的非接触式传感器因其非接触的特性，并不会对既有车载ATC设备的安全及非安全功能造成影响，可以在维持设备可靠性的基础上对信息进行采集。同时系统在收集了既有ATC设备未监测到的盲区信息之外，还对其他子系统的日志进行收集和整理，经过整理后的行车日志不仅能反映子系统的工作状态，还能反映子系统的实际输入输出信息。车地无线通信能实现行车日志的自动收集。通过地面服务器对于行车日志的分析可以实现故障的诊断和预警，相较于人工收集日志并进行手动分析而言，运维效率大大提高。

该系统主要组成结构如图1所示，主要包括：信号采集单元、车载端信息处理单元、车地无线通信单元、以及轨旁设备；其中：

所述信号采集单元，用于采用非接触式传感器采集车载ATC设备的相关车载信息，并进行放大与模数转换后传输至所述车载端信息处理单元；

所述车载端信息处理单元，用于收集车载ATC各子系统的行车日志，与所述信号采集单元发送的车载信息整合为行车数据，并存储，同时，将行车数据传输至车地无线通信单元；

所述车地无线通信单元，用于将行车数据传输至轨旁设备；

所述轨旁设备，用于通过分类算法与预测算法对行车数据进行处理，实现故障的诊断和可能发生故障的预警。

此外，还包括电源供电单元，其主要通过电源模块为系统中上述单元供电。

整个系统的实现逻辑如图2所示，主要包括：数据采集、模数转换、数据处理及传输、行车日志收集、车地无线数据传输、地面数据处理和故障诊断及预警。

为了便于理解，下面针对图1所示的结构及工作过程做详细的介绍。

一、信号采集单元。

所述信号采集单元主要包括：非接触式电流传感器、增益放大器以及模拟量采集卡。

1、非接触式电流传感器。

本发明实施例中，所述非接触式电流传感器为磁通门传感器，用于对车载ATC设备中配线架中导线的实际电流大小进行非接触测量，即通过磁通门传感器测量导线周围的电磁场，从而在传感器线圈上产生感应电动势。

车载信号设备属于安全等级要求较高的系统，传统的接入式电信号采集方式多为串联或并联采集，在采集设备功能失效时会对被采集的信号及电路造成影响，引入了新的系统风险源。而利用非接触式电流传感器实现的非侵入式电信号采集与被采集电路没有电气接触，待测电流导线穿过传感器线圈从而得出待测电流大小，因而非侵入式电信号采集方式在安全性上有较大优势。非接触式列车车载设备电信号采集系统加装于列车车载ATC机柜中，系统采用磁通门传感器对车载ATC设备中配线架中导线的实际电流大小进行非接触测量，即通过磁通门传感器测量导线周围的电磁场，从而在传感器线圈上产生感应电动势，非接触式测量示意图如图3所示。

本发明实施例中，非接触式电流传感器需准确反映待采集信号的大小，精度满足设计需求，同时，要设计非接触式电流传感器输出的处理电路，需将感应电动势放大到模拟量采集卡量程范围。

本发明实施例中，所述信号采集单元采集的车载ATC设备的相关车载信息主要包括：车载ATC设备的列车接口信息、系统输入输出信息、以及列车测速传感器信息；信息类型大致包括：ATP安全输入接口信息、ATP非安全输入接口信息、ATP安全输出接口信息、ATP非安全输出接口信息、ATO安全输入接口信息、ATO安全输出接口信息及ATO模拟输出接口信息。

示例性的，具体可以包括如下信息：全部车门关闭、列车完整性、ATO激活条件、强制门允许按钮、确认按钮、本端司机钥匙开关、远端司机钥匙开关、ATO启动按钮、制动已施加车门、紧急解锁、自动折返按钮、模式升级、模式降级、EB未激活输入、紧急制动、左门使能、右门使能、牵引使能、自动折返输出、门模式、左侧车门按钮、关左侧车门按钮、开右侧车门按钮、关右侧车门按钮、电源延迟关闭、ATO牵引命令、ATO制动命令、ATO模式、开左侧车门、关左侧车门、开右侧车门、关右侧车门、自动折返灯、ATO启动灯、ATO模拟输出、测速传感器供电接口、测速传感器输出接口、测速雷达供电接口、测速雷达输出接口等。

2、增益放大器。

所述增益放大器，用于对非接触式电流传感器输出的感应电动势进行电压放大。

本发明实施例中，增益放大器通过增益放大芯片及外围电路搭建的放大电路实现。对于毫安级别电信号的采集，磁通门传感器所输出的电压较小，为了消除传输衰变以及满足电压信号采集幅值的要求，因此需要对传感器输出的感应电动势通过增益放大电路进行电压放大，放大后的电压传输给模拟信号采集模块。通过调节增益放大电路的负反馈电阻分压器电阻比可以调节电路不同的放大倍数。放大倍数需根据待采集信号的大小来确定，放大后的电压信号需满足模拟信号采集模块的采集要求。

3、模拟量采集卡。

所述模拟量采集卡包括：模拟信号采集模块、模数转换模块和逻辑控制模块。

1)所述模拟信号采集模块，用于采集增益放大器输出的电压信号，将连续模拟电压信号采集为阶梯型连续电压信号，并将利用采样信号采集得到的电压采样值传输给模数转换模块。

2)所述模数转换模块，用于对阶梯型模拟电压信号进行模拟量到数字量的转换，并传输给车载端信息处理单元中的主控单元MCU(Main Controller Unit)。采样后的电压信号经过内部电压比较器即可得到数字电压信号，将数字电压信号存入内部寄存器，通过与内部寄存器相连的数据总线即可将数据信息传输给主控单元MCU。

3)所述逻辑控制模块，用于控制采集模块采样率，以及控制模数转换模块的量化幅值。不同的采样频率对应模拟信号不同的离散化程度。

信号采集、放大及模数转换电路图如图4所示。

二、车载端信息处理单元。

所述车载端信息处理单元主要包括：主控单元、串口调试模块、存储单元以及以太网通信模块。

1、主控单元。

所述主控单元，用于通过程序软件对所述信号采集单元发送的车载信息进行解析处理，同时，控制以太网通信模块采集车载ATC各子系统的行车日志，以及，将解析处理后的车载信息与行车日志整合为行车数据，并发送至存储单元与以太网通信模块。

本发明实施例中，所述信号采集单元发送的车载信息为数据报文形式，因而，需要进行解析以获得相应的车载信息；同时，还按照时间序列格式将数据存储在存储单元。

2、串口调试模块。

所述串口调试模块，可以实现软件开发、功能测试、数据传输的功能，可以通过RS232接口与计算机相连，在系统投入运行之前，实现主控单元内程序软件的编写，以及实现程序软件的逐项测试，同时还可以作为数据传输的备用接口实现数据的读取。

3、存储单元。

存储单元与主控单元MCU相连用于存储MCU传输过来的信息数据。存储器可以采用大容量的存储设备，默认存储格式为时间间隔200ms的实现序列格式。同时也可修改MCU主控程序设置不同时间间隔的数据采样及数据存储格式。

4、以太网通信模块

所述以太网通信模块，用于在主控单元的控制下采集车载ATC各子系统(例如，ATP系统)的行车日志，以及将行车数据发送至车地无线通信单元。

在传输数据时，可以通过网络交换机将系统与各子系统相连，利用UDP通信协议即可实现数据的有线传输。

三、车地无线通信单元

所述车地无线通信单元主要包括：车载无线通信单元与地面无线通信单元；其中：车载无线通信单元、地面无线通信单元各自通过网口对应的与车载端信息处理单元、轨旁设备通信；车载无线通信单元与地面无线通信单元之间通过无线方式通信。

本发明实施例中，车地无线传输功能可以通过既有的车地无线通信网络实现，既有无线通信网络由轨旁骨干网络和车地无线通信网络构成。轨旁骨干网络为轨旁地面处理服务器提供接入数据传输通道，实现彼此双向通信；车地无线通信系统可以为轨旁地面服务器与车载ATC之间提供数据传输通道。利用既有无线通信网路实现数据传输省去重新搭建通信网络的麻烦，行车数据传输与原始车地通信互不干扰，实用便利性大大提高。车地无线通信单元采用802.11无线传输协议对行车数据进行无线下载。系统有线接口符合IEEE802.3以太网标准，无线传输符合IEEE 802.11无线局域网(WLAN)标准。

四、轨旁设备

所述轨旁设备主要包括：地面服务器与人机界面。

1、地面服务器

所述地面服务器，用于处理行车数据并存储、并进行故障诊断与预警，包括：对所述行车数据进行解析并进行可读性文件的转换，并按照时间以及列车编号进行数据存储；同时，根据故障库中的故障筛选原则进行分析并结合分类算法，实现既有故障的诊断及可能发生的故障的预警。

具体来说：1)数据处理主要通过地面服务器中的软件实现。数据处理的过程主要包含补充参考值、程序配置参数、数据清洗、筛选异常项、添加辅助信息5个子项。每一子项的分析，都建立了相应的结果模板，作用主要在于存放筛选结果，再通过调用原始数据，得到分析该异常所需的辅助信息；地面服务器中存放了行车相关的固定数据信息，如应答器安装位置、错误原因代码表、线路地图数据等。规则库对行车数据中的检查项进行逐一检查，最终筛选和过滤出所需的信息。2)故障诊断及预警同样通过地面服务器中的软件实现。行车数据是根据各子系统的报文整理而成，同一故障所对应的不同故障现象之间也有先后次序，所以故障特征的提取就不是单纯的数据筛选，其中包括关键列的查找、特征范围阈值的确定。根据故障分类表，每一条故障都对应着分类表中的不同状态，将每条故障的特征提取出来即可得到故障训练集。利用软件中的分类算法可以实现对既有故障的诊断，利用预测算法可以实现对于设备状态信息的预测，从而实现故障预警。

2、人机界面

所述人机界面，用于系统的运行参数设置及地面服务器处理结果的显示。

本发明实施例上述系统，可以实现：1)车载ATC设备接口、系统输入输出、列车测速传感器信息(统称车载信息)的采集及处理；2)车载信息与既有行车日志的整合及预处理；3)车地无线通信方案的构建，实现数据高效实时传输；4)车载信息和行车日志整理与分析、实现故障的诊断和可能发生故障的预警。

本发明实施例上述系统，主要获得了如下有益效果：

1)在不影响列车安全功能的情况下，实现了对列车ATC系统的车辆接口和输入输出单元进行非接触式采集。

2)存储模块所记录的与车辆接口与输入输出信息有利于运维人员精准定位故障，划分故障责任。

3)自动采集列车接口和输入输出信息，从而进行存储，同时可以通过以太网通信模块收集其他子系统的状态信息。

4)车地无线通信网络可以实现行车数据的自动收集，减少运维人员的劳动强度。

5)系统的分类算法与预测算法可以实现既有故障的诊断和可能发生故障的预警，提高运维效率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，其特征在于，包括：信号采集单元、车载端信息处理单元、车地无线通信单元、以及轨旁设备；其中：

所述信号采集单元，用于采用非接触式传感器采集车载ATC设备的相关车载信息，并进行放大与模数转换后传输至所述车载端信息处理单元；

所述车载端信息处理单元，用于收集车载ATC各子系统的行车日志，与所述信号采集单元发送的车载信息整合为行车数据，并存储，同时，将为行车数据传输至车地无线通信单元；

所述车地无线通信单元，用于将行车数据传输至轨旁设备；

所述轨旁设备，用于通过分类算法与预测算法对行车数据进行处理，实现故障的诊断和可能发生故障的预警。

2.根据权利要求1所述的一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，其特征在于，所述信号采集单元包括：非接触式电流传感器、增益放大器以及模拟量采集卡；其中：

所述非接触式电流传感器为磁通门传感器，用于对车载ATC设备中配线架中导线的实际电流大小进行非接触测量，即通过磁通门传感器测量导线周围的电磁场，从而在传感器线圈上产生感应电动势；

所述增益放大器，用于对非接触式电流传感器输出的感应电动势进行电压放大；

所述模拟量采集卡包括：模拟信号采集模块、模数转换模块和逻辑控制模块；所述模拟信号采集模块，用于采集增益放大器输出的电压信号，将连续模拟电压信号采集为阶梯型连续电压信号；所述模数转换模块，用于对阶梯型模拟电压信号进行模拟量到数字量的转换；所述逻辑控制模块，用于控制采集模块采样率，以及控制模数转换模块的量化幅值。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，其特征在于，所述信号采集单元采集的车载ATC设备的相关车载信息包括：车载ATC设备的列车接口信息、系统输入输出信息、以及列车测速传感器信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，其特征在于，所述车载端信息处理单元包括：主控单元、串口调试模块、存储单元以及以太网通信模块；其中：

所述主控单元，用于通过程序软件对所述信号采集单元发送的车载信息进行解析处理，同时，控制以太网通信模块采集车载ATC各子系统的行车日志，以及，将解析处理后的车载信息与行车日志整合为行车数据，并发送至存储单元与以太网通信模块；

所述串口调试模块，用于实现主控单元内程序软件的编写，以及实现程序软件的逐项测试；

所述以太网通信模块，用于在主控单元的控制下采集车载ATC各子系统的行车日志，以及将行车数据发送至车地无线通信单元。

5.根据权利要求1所述的一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，其特征在于，所述车地无线通信单元包括：车载无线通信单元与地面无线通信单元；其中：

车载无线通信单元、地面无线通信单元各自通过网口对应的与车载端信息处理单元、轨旁设备通信；

车载无线通信单元与地面无线通信单元之间通过无线方式通信。

6.根据权利要求1所述的一种基于非接触式数据采集的车载ATC设备运维系统，其特征在于，所述轨旁设备包括：地面服务器与人机界面；其中：

所述地面服务器，用于处理行车数据并存储、并进行故障诊断与预警，包括：对所述行车数据进行解析并进行可读性文件的转换，并按照时间以及列车编号进行数据存储；同时，根据故障库中的故障筛选原则进行分析并结合分类算法与预测算法，实现既有故障的诊断及可能发生的故障的预警；

所述人机界面，用于系统的运行参数设置及地面服务器处理结果的显示。