机车车载安全防护系统应用研究

■ 刘峰 申宇燕 张瑞芳 延九磊 甘敦文

机车车载安全防护系统应用研究

■ 刘峰 申宇燕 张瑞芳 延九磊 甘敦文

机车车载安全防护系统（6A系统）是针对机车制动、防火、高压绝缘、列车供电、走行部、视频等机车重要部位采用实时监测、监视、报警并实现网络传输、统一固态存储和智能人机交互的安全监测平台。该平台具备首创的国内安全监测平台集成、独创的无线重联技术与主从机运行模式、系统的地面数据中心建设等关键技术特点，并在国内电力机车、内燃机车、调车机等车型实现工程化应用。最后通过一些应用案例验证6A系统安全监测的有效性。

机车车载安全防护系统；6A系统；中央处理平台；地面专家系统；无线重联；故障关联诊断

1 概述

1.1 机车安全监测产品现状

机车作为铁路运输过程中的重要移动装备，其安全性对列车运行起到至关重要的作用。近年来，各铁路局站段从自己的运用要求及实际情况出发，加装了机车关键部位视频监视及火灾警报系统、走行部检测装置、电力机车车顶绝缘检测装置等[1-4]。但这些监测设备都采用分布式独立安装，单独供电、单独诊断、单独显示，给司机现场操作与设备管理维护带来了极大不便；另外，我国机车车型多、分布广，电力/内燃、客运/货运、不同功率等级、不同速度等级、不同技术平台、不同运用地域等因素[2]，形成了对监控内容的不同需求，导致我国机车安全监测设备种类多、型号多、厂商多，迫切需要一个平台化的装置对这些监测设备进行综合集成。

1.2 研制6A系统的意义

基于我国机车安全监测产品运用现状，在原有安全监测设备基础上，整体重新设计，构建了机车车载系统、地面专家系统一体化的机车安全防护体系。6A系统具备高效传输、统一存储、智能化人机交互界面，6A系统地面专家系统将在线监测与离线地面综合评估结合起来，完成了机车安全防护体系的构建。

6A系统是国内首个包括空气制动安全监测子系统、机车防火监控子系统、机车高压绝缘检测子系统、机车列车供电监测子系统、机车走行部故障监测子系统和机车自动视频监控及记录子系统等六大类监测功能的机车车载安全设备，监测内容覆盖了机车90%以上的主要故障，已经在国内电力机车、内燃机车、调车机等车型实现工程化应用。解决了机车运用中突出的安全问题，对保障铁路机车的运行安全具有重要意义，有效提升了我国机车安全防护系统整体水平。

6A系统是我国首台集成空气制动、防护、视频、高压绝缘、列车供电、走行部等多项监测内容的平台化、一体化设备，产品的研制填补了国内相关领域空白；6A系统的使用可全面提升机车安全防护能力，节约开发成本、缩短研发周期，不同车型模块可动态配置，也为机车运用部门的操作和机车管理部门的监控提供了方便；进行机车安全监测系统集成，不仅可以建立有效的测试检验平台，带动整个机车安全监测行业乃至铁路行业的发展，还能形成国内统一的机车安全防护系统技术规范和标准。

2 机车车载安全防护系统

2.1 集成架构

6A系统包括中央处理平台和安全监测子系统，研究中央处理平台与子系统之间的接口关系，从而搭建系统的集成架构是对6A系统应用研究的关键。

6A系统集成架构见图1。机箱采用双层设计，上层是中央处理平台，下层是六大安全监测子系统，每个监控子系统设计成一个独立的插件板或插件箱，插入中央处理平台进行工作。各监控子系统在公用平台下，使用公用电源、网络、存储器、显示终端等设备，并使用统一设计的机箱、机柜，实现对机车环境的统一物理防护。

6A系统的产品设计与以往机车上所安装的多个独立监测设备有着本质的不同，它将每个监测子系统中所需要的供电、存储、显示、报警等功能集成到中央处理平台上，并通过定义全新的软硬件接口，使子系统能够共享中央处理平台的各项功能。

2.2 中央处理平台和安全监测子系统

6A系统是将原有独立安全监测设备按照功能模块进行划分，将其中公用的部分提取出来，形成统一的中央处理平台（CPP）。

图1 6A系统集成架构

CPP是6A系统的核心，承担6A系统各监测子系统间的数据传输、数据管理、数据分析等工作，并对各子系统的数据进行大容量双备份存储。CPP通过以太网总线和CAN总线将各单元和6A监控子系统连接起来，构成一个整体，实现6A系统通信网络。

CPP工作原理：通过实时采集、接收各种车载运用安全监控设备的数据和报警信息，进行综合诊断分析，并保存记录各种原始数据；报警和状态信息及时发送到司机室显示屏，提示司机进行必要处理；为了保证管理运用检修部门及时掌握机车实际运行状态，避免和防止重大安全事故，机车运行过程中以无线方式将报警和状态信息发送到地面系统。

CPP集合以下六大子系统：机车空气制动安全监测子系统、机车防火监控子系统、机车高压绝缘检测子系统、机车列车供电监测子系统、机车走行部故障监测子系统、机车自动视频监控及记录子系统。各监控子系统遵照统一的6A系统通信协议及其定义的帧格式和数据编码，与CPP通信。

（1）机车空气制动安全监测子系统。当列车运行中，制动监测板卡从CAN总线获取速度和停放制动模块状态，如果监测到停放制动缸压力下降或监测到停放施加，则及时报警。

（2）机车防火监控子系统。使用火灾探头感应烟雾、热量、光等物理量，当超过限值时发出火灾报警信息，并及时通知CPP，由CPP在显示屏上自动切换至火情发生区域的视频图像。

（3）机车高压绝缘检测子系统。可以检测机车高压部件的绝缘状态。该子系统具备设备自身的短路保护，有网压时和升弓状态下自动锁闭检测功能及通过系统配备的钥匙开关，控制系统检测功能的启动等一系列功能。

（4）机车列车供电监测子系统。通过列车供电柜获取电压、电流、客车集控信号，供电钥匙等信息，通过CPP获取机车号、牵引客车车次、辅机工作状态等详细信息，通过漏电流检测模块获得漏电流信息，然后把信息综合形成完善的列车供电系统运行状态信息，为机车列供柜的运行、检修提供参考依据。

（5）机车走行部故障监测子系统。通过传感器采集轴承温度、振动冲击数据，齿轮、踏面振动冲击数据，机车车轴转速数据，以及车体和构架的振动数据，传输至走行部监测板卡，对数据进行诊断分析，并将诊断结果和过程数据通过CAN总线传送至CPP。

（6）机车自动视频监控及记录子系统。实时采集相关监控部位的视频图像，通过响应CPP的命令，向平台发送报警事件相关的视频图片。当机车防火监控子系统发现火情时，并可自动切换至火情发生区域的视频图像。

2.3 6A系统地面专家系统

地面专家系统以6A各子系统的监测数据为依据，对机车状态进行评价、对设备状态进行分析，发现并提示机车在运行中出现的问题或安全隐患。通过长期监测数据的积累，不仅可以对6A系统各模块的可靠性及稳定性做出统计和评价，还可以形成对6A各子系统全面而客观地统计与评价。

地面专家系统对车上运行过程中记录的数据进行存储、处理、查询、回放、分析和打印报表，地面数据服务器接收到车上传来的数据后，把数据解码保存到数据库中，同时根据本次运行的数据记录产生本次运行报告。保存到数据库中的数据可以供地面使用工作人员查询、分析和诊断使用。

地面专家系统是一种用数据和量化的方法去分析和诊断列车故障的自动化工具，处理数据的能力大、速度快；通过地面系统对运行过程中所发生的各种情况有详细的了解，进行故障确认，数据佐证，同时为机车故障判断和检修提供有力依据，从而做到对车辆运行状态的跟踪和动态质量控制。

3 机车安全监测技术深入研究

根据6A系统的总体集成方案，对6A系统平台集成、无线重联、关联诊断等关键技术进行深入研究。

3.1 安全监测平台集成

6A系统首创了系统中央处理平台，该平台已成为全路和谐型电力机车、内燃机车安全防护的核心装置。该技术有以下特点：

（1）创新了安全监测系统集成和车-地数据联合调度技术，攻克了大数据量远端数据传输的难关，使得运行机车的关键参数与大数据量的视频流均能实时直达中国铁路总公司，为机车的实时状态分析、安全运用、事故指挥救援等提供了坚实的技术保障。

（2）解决了各种技术关节点特别是复杂系统网络的自适应构建等难题，各型机车安全防护的中央处理平台、监测子系统、传感器网络间的身份识别与故障自检技术可广泛推广应用于相关的应用领域，如客车动态编组信息识别问题。

（3）构建了中央处理平台及其子系统网络通信架构，该网络架构创新的在机车上实现了大数据流与突发事件实时数据流的有机融合，在发生突发事件时既能满足关键问题的实时响应要求，同时配套大数据视频流又能在相同时空架构基础上实现完整的时空配准与一致性分析。

3.2 无线重联技术

独创的无线重联技术与主从机运行模式攻克了重载运输的恶劣运行环境长期使用情况下大数据量信息互联的技术难点，为保障八轴机车安全完成重载运输提供了生动的可视操作环境与技术支撑。

在无火回送状态下，回送的机车一旦发生安全事故，直接影响与该机车相连的牵引机车和被牵引列车的运行安全，通过将无火回送状态机车安装的6A系统监测对象（制动、走行部、防火、视频、高压绝缘、列车供电）的状态发送至牵引机车的6A系统，司机通过查看牵引机车6A系统音视频显示终端，即可监测无火回送机车的运行状态，保障无火回送机车的运行安全。

无火回送工况下6A系统重联信息互通采用主从机的方式，主机为牵引机车，从机为无火回送机车。无火回送机车在低功耗模式下通过无线网络将6A系统的报警信息发送到主机上，通过司机的人机交互方式建立牵引机车与无火回送机车的网络互连通道，机车重联结构见图2。

无线重联控制器安装在6A系统主机柜内（主机箱外部），无线通信天线安装于一端司机室和二端司机室路况摄像头处。将6A系统设置为无线重联主从机后，主机显示屏上可以通过切换查看主机和从机的数据。

3.3 故障关联诊断

创新了机车监测联合诊断技术，将机车制动监测、走行部监测相结合，视频监测与防火监测联动，将司机操控与机车所经历的工况融合，构建了一体化的综合性机车车载安全防护体系。该体系以大数据分析为背景，将车载监控系统与地面专家系统的关键故障特征提取与数据弹性压缩技术相结合，实现了事件分析、特征提取关键状态的监控与分析整体有机结合。

拓展了运行机车多系统、多传感器、多信息融合诊断技术领域，该方法为机车安全防护提供了理论支撑，其对复杂动态多学科多系统综合问题的处理方法与工程集成模式为我国铁路自主创新做出了新的开拓。

图2 机车重联结构

6A系统采用多级诊断、逐级上报的方式实现对自身设备故障的诊断。六大监测子系统中，每个监测子系统负责诊断本系统内的自身设备故障，并将诊断结果上报至CPP主机，主机进行子系统间的关联诊断，并将结果上报至CPP显示屏，CPP显示屏通过界面显示和语音提示报告给司乘人员。故障诊断流程见图3。

监测诊断系统在结构上一般可分为三种：第一种为多个独立功能的监测设备；第二种为一个大型的多功能监测设备；第三种为“中央平台+监测模块”。第三种结构关系具备层次清晰、组态灵活、易于扩展、方便维修的优点，因此6A系统采用“中央处理平台+监控子系统”的形式。

3.4 地面数据中心建设

地面数据管理维护中心利用地面专家系统和数据库技术，通过铁路办公网络汇集车载监测系统数据，提供数据共享和各监测系统综合诊断分析，对各在途运行机车的状态进行评估。

建设6A系统地面数据中心，用于全路6A系统机车的远程支持、数据分析、报表汇总、状态跟踪等。为铁道管理部门对6A系统的全局管理做好服务，为运用单位对机车动态跟踪提供支持，为主机厂对机车状态评估提供参考。

针对数据库中海量数据进行特征提取和统计分析，研究基于主元分析的数据解耦办法，建立基于动态贝叶斯网络的统计识别框架，利用序列蒙特卡洛方法构建相应的系统模型。挖掘出海量数据潜在联系的模式（相关、趋势、聚类、轨迹和异常），对数据进行深入分析，回归预测，发现其潜在的模式特征及变化趋势，从而对机车运用状态做出预测。

图3 6A系统关联故障诊断流程

4 应用案例

6A系统投入运用以来，在安全事故防护、路外与机车运行相关事故分析、机车运行质量评价等方面发挥了较大作用，如停放制动意外施加引起的脱轨事故防范与分析、内燃机车动力间火灾防控、电力机车电器火灾防控、运行机车走行部轴承固死的及时报警等。

4.1 停放制动异常施加故障

2013年10月24日晚，北京机务段HXD3C0747机车担当补机时6A系统报“停放制动异常施加”故障（见图4）。

8：50—8：54，4 min内集中报警6次“停放制动异常施加”。经过对6A系统数据导入分析，发现此刻对应机车在北京站外线挂车底，正进行顶送作业。9：14—9：25，11 min内报警3次“停放制动异常施加”，对应司机在北京站开出后发现异常后停车。

通过地面专家系统对6A系统数据的制动运行曲线进行分析（见图5），可以看到机车在此时间段的运行速度、列车管压力及停放缸压力变化。8：50—8：55时速度大于5 km/h，同时停放缸压力为零，机车属于1、6轴抱闸运行（图5中画圈部分），因此6A系统报警“停放制动异常施加”。

图4 6A系统报停放制动异常施加故障

图5 HXD3C0747停放制动异常施加报警时刻制动运行曲线

从图6可看出，8：58：38—5：58：44，停放缸压力从545 kPa降到0，对应操作应该是司机关闭了B40．06塞门，即切除停放制动缸作用，据司机描述切除后同时到车下对1、6轴卡钳进行了人工缓解作业，此时停放缸不再产生制动作用。

9：14：10机车重新启动，9：14：44运行速度为6 km/h，停放缸压力为0，6A系统认为满足报警条件，即进行报警“停放制动异常施加”，其实此时停放缸已经被切除，停放缸不具有任何制动作用。

4.2 走行部超温报警

2013年12月30日，HXD3C0609机车运行至兰考区间在22：12时6A系统报警：3轴2位升温报警；22：16再次报警：3轴2位超温报警（见图7）。

HXD3C0609机车发生升温报警产生机破事件后，司机依照6A系统提示实施常用制动主动停车，机车回库后发现3轴车轮擦伤（见图8，经分析是3轴电机轴承抱死造成事故和报警），避免了危及机车行车安全的重大事故发生。

5 结束语

提出了机车车载安全防护系统的架构设计，并对CPP及六大安全监测子系统等模块功能进行简要描述，系统阐述首创国内安全监测平台的集成、独创的无线重联技术与主从机运行模式、系统的地面数据中心建设等关键技术特点，并通过典型报警案例分析验证6A系统安全监测的有效性。

图6 停放制动异常施加报警解除时刻制动运行曲线

图8 3轴车轮擦伤

[1] 吴忠，宋红霞．机车安全状态监测信息平台研究与设计[J]．电力机车与城轨车辆，2011，34(3)：57-60．

[2] 唐献康，李均良．机车安全信息综合监测装置的研制[J]．机车电传动，2000(4)：22-25．

[3] 黄采伦，樊晓平，陈特放．列车故障在线诊断技术及应用[M]．北京：中国铁道出版社，2006．

[4] 孙苑，李熙．基于MVB总线的机车安全监测系统设计[J]．铁路计算机应用，2007(4)：22-20．

刘 峰：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，研究员，北京，100081/ 100094

申宇燕：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，副研究员，北京，100081/ 100094

张瑞芳：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，副研究员，北京，100081/ 100094

延九磊：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，副研究员，北京，100081/ 100094

甘敦文：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，副研究员，北京，100081/ 100094

责任编辑 高红义

U268.2

A

1672-061X（2015）02-0017-05

铁道部科技研究开发计划项目（2012J010-A）。

所获奖项：2014年度中国铁道学会科学技术奖特等奖。