城市軌道交通CBTC智能故障分析系統(tǒng)設(shè)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(nèi)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(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)實現(xiàn)功能，并根據(jù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)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(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，研究故障識別方案設(shè)計、故障標(biāo)簽庫設(shè)計和主動式故障識別處理模塊設(shè)計等關(guān)鍵模塊設(shè)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(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;關(guān)鍵技術(shù);故障標(biāo)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(yīng)用，該系統(tǒng)的國產(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)之間實時進(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算。

　　而在CBTC系統(tǒng)實際現(xiàn)場應(yīng)用前，需要進(jìn)行全面的功能、數(shù)據(jù)、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(nèi)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(chǎn)，同時保證測試質(zhì)量，研發(fā)一套能夠?qū)�測試過程中的問題進(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)日志的時間特征、種類特征、嚴(yán)重等級、時空特征等方面分析了在城市軌道交通現(xiàn)場運營情況下，對信號設(shè)備進(jìn)行智能診斷的可行性，并系統(tǒng)地構(gòu)建了信號智能化維護(hù)模型。崔亦博等[4]設(shè)計了城市軌道交通CBTC系統(tǒng)仿真實驗室的建設(shè)方案，為CBTC系統(tǒng)的室內(nèi)測試環(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)計了系統(tǒng)架構(gòu)，從而實現(xiàn)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(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，為測試提供了除實物設(shè)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(shè)計的地鐵信號系統(tǒng)室內(nèi)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(xiàn)ZC-CI，VOBC-CI等接口測試在室內(nèi)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(nèi)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(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，實現(xiàn)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(shè)計

　　1.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　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)計方面，利用交換機級聯(lián)狀態(tài)下的端口鏡像技術(shù)，實現(xiàn)對CBTC系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)的獲取。利用VLAN劃分技術(shù)實現(xiàn)不同內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的隔離。智能故障分析系統(tǒng)利用抓包交換機對骨干網(wǎng)交換機和子系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)交換機內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像獲取，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對CBTC系統(tǒng)骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時也能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，從而獲得較全面的數(shù)據(jù)，為故障分析與識別奠定基礎(chǔ)。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。

　　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層交換機統(tǒng)一管理，如圖2中sw1和sw2所示，2臺交換機分別負(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)建虛擬交換機及虛擬服務(wù)器，搭建CBTC系統(tǒng)，并對虛擬交換機劃分VLAN，實現(xiàn)不同子網(wǎng)的有效隔離;外部交換機與服務(wù)器，如sw1，sw2，sw3，sw4與服務(wù)器之間通過Trunk方式配置連接，從而實現(xiàn)不同VLAN之間數(shù)據(jù)利用同一鏈路進(jìn)行跨交換機交互。③集群服務(wù)器與磁盤陣列之間通過光纖交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，光纖交換機FC-sw7所示。

　　sw3，sw4主要負(fù)責(zé)外部接口，與外部實物設(shè)備進(jìn)行連接，并分別通過sw1，sw2交換機與集群服務(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)測交換機，分別負(fù)責(zé)監(jiān)測網(wǎng)A和監(jiān)測網(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，利用虛擬交換機鏈路鏡像技術(shù)將同一臺服務(wù)器內(nèi)部各系統(tǒng)之間的交互數(shù)據(jù)上傳至實體交換機sw5，sw6，從而實現(xiàn)服務(wù)器內(nèi)部數(shù)據(jù)的獲取。

　　G0/0/1，G0/0/24分別表示交換機的1號和24號端口，作為交換機級聯(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，同時該口級聯(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)項目實際情況確定。

　　1.2 實現(xiàn)功能及軟件結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)的監(jiān)測獲取、數(shù)據(jù)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(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)大部分的接口測試對象;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)之間交互的報警信息。

　�、趯�這2類數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理。對于骨干網(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，以便于人對系統(tǒng)的當(dāng)前運行狀態(tài)進(jìn)行更直觀的了解[8]，另外，根據(jù)獲得的實時骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)，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(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用報警信息，結(jié)合對應(yīng)子系統(tǒng)定義的報警碼，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

　　2.1 故障識別方案設(shè)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(xiàn)在的運行狀態(tài)進(jìn)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(jìn)，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(jù)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(yīng)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(shè)計原理。通過檢查當(dāng)前時刻所有與列車升級相關(guān)的數(shù)據(jù)包字段，設(shè)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(xiàn)了非預(yù)期的現(xiàn)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(dǎo)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(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)計故障模式匹配算法，查找預(yù)先定義的故障標(biāo)簽庫來完成故障定位，并給出報警或提示信息。其中，故障標(biāo)簽由經(jīng)驗豐富的測試工程師或?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)簽庫設(shè)計

　　2.2.1 故障標(biāo)簽與子系統(tǒng)報警碼定義

　　故障標(biāo)簽是指根據(jù)測試經(jīng)驗，結(jié)合各子系統(tǒng)的報警碼，對一些常見的故障，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)簽由平臺故障碼和針對各子系統(tǒng)定義的報警碼共同構(gòu)成。在制定標(biāo)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(biāo)志性因素。將多個故 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。

　　在進(jìn)行實時數(shù)據(jù)分析時，若被分析的數(shù)據(jù)滿足故障標(biāo)簽庫中某個故障標(biāo)簽所定義的屬性，即可判定發(fā)生了該故障。故障標(biāo)簽是對人的判斷意識進(jìn)行固化模擬，故障標(biāo)簽庫的構(gòu)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(jù)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(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 警碼也根據(jù)具體的報警類型，選擇相關(guān)字段來定義報警號。

　　2.2.2 故障標(biāo)簽庫的構(gòu)建

　　在構(gòu)建故障標(biāo)簽庫時，按照城市軌道交通CBTC系統(tǒng)各子系統(tǒng)構(gòu)成，ZC，VOBC，CI，ATS均存在多個故障碼。若對這些故障碼進(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(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(jìn)行系統(tǒng)級的故障定位分析應(yīng)主要針對應(yīng)用邏輯故障碼展開。

　　3結(jié)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(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(biāo)簽庫的建立過程中均融合了具有豐富經(jīng)驗的測試人員以及行業(yè)專家的智慧，能夠適當(dāng)降低對測試人員的自身素質(zhì)要求。在后續(xù)的研究中，將重點針對故障標(biāo)簽庫的擴(kuò)充以及故障診斷智能算法的優(yōu)化設(shè)計方面進(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。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：白廣爭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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