中国机车远程监测与诊断系统应用

黑龙江交通职业技术学院

铁道机车（电力机车）专业

毕业设计（论文）

毕业设计（论文）

中国机车远程监测与诊断系统应用

黑龙江交通职业技术学院

2020年12月

毕业设计（论文）

中国机车远程监测与诊断系统应用

摘 要

随着计算机与网络通信技术的快速发展及全球定位系统定位准确性的提高，使得铁路交通运输领域的监控、定位、展示逐步走向电子化、数字化和可视化。为适应我国铁路机务管理实际业务需要，中国铁路总公司(简称总公司)于2015年立项开展机车车辆安全运用技术研究——机车远程监测与诊断信息地面综合应用研究。机车数据通过铁路统一传输平台进入铁路内网，经过解析处理后存入地面综合应用子系统的数据库服务器中。综合考虑国家安全因素和国外系统应用车型单一等问题，国外系统不具备全路统一推广条件。中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）作为铁路机务信息系统的四大核心子系统之一，适应我国铁路机务管理实际业务需要，可实现对各车载系统的数据监视、地面实时故障报警、专家诊断分析、数据统计分析等功能，有利于提高列车的安全性能并指导列车运行，对铁路信息化建设具有重要意义。

关键词：机车；远程检测；诊断

Abstract

With the rapid development of computer and network communication technology and the improvement of Global Positioning System accuracy, the monitoring, positioning and display in the field of railway transportation are gradually moving towards electronization, digitization and visualization. In order to meet the practical needs of railway locomotive management in China, the China Railways Corporation launched a project in 2015 to study the Safe Operation Technology of locomotives and rolling stock -- The comprehensive ground application research of remote monitoring and diagnosis information of locomotives. The locomotive data enters the railway inner network through the railway unified transmission platform and is parsed and stored in the database server of the ground integrated application subsystem. Considering the national security factors and the single type of foreign system application vehicle, the foreign system does not have the conditions of unified promotion of the whole road. China locomotive remote monitoring and diagnosis system (CMD system) , as one of the four core subsystems of railway locomotive information system, adapts to the actual business needs of railway locomotive management in China, the system can realize the functions of data monitoring, ground real-time fault alarm, expert diagnosis and analysis, data statistical analysis and so on, which is helpful to improve the safety performance of the train and guide the train operation, it is of great significance to the construction of railway informatization.

Key Words: locomotive; remote detection; Diagnosis

目 录

第1章引言

现世界范围内信息化水平的提高已成为铁路信息技术发展的源动力。世界先进的铁路信息化技术主要体现在机车实时跟踪、综合调度、车地无线通信、机车远程监测与诊断等系统的研究与应用。国外铁路如北美铁路，机车的运用、检修分开且没有固定配属，主要依靠机车远程状态监测与故障诊断系统来辅助机车的管理和维修，提高了机车利用率。我国也正在加速铁路生产应用信息系统的建设，大力推进铁路信息化、智能化，提升铁路运输效率。铁道部提出了增加运力、优化机车运用的新策略，提出建立以集中配置机车，推行长交路、车循环、轮乘制，建立"大运用、大整备、大检修"新模式。“和谐号”大功率机车批量投入使用及与之相配套的五大检修基地的建设也同步启动，实施运用与检修分开的原则，逐步弱化机车配属。这将大大扩展机车运用区域，提高机车运用效率，增加铁路运输能力。因此，为了保障新的运输战略思想的实现，必须实时掌握机车的运用、检修情况，对机车车辆及时进行诊断和维护，保障机车车辆安全运行。通过建立一套适合我国机车运用检修管理的中国机车远程监视与诊断系统(Chinalocomo-tiveremoteMonitoringandDiagnosissystem，以下简称CMD)，及时掌握机车运用状况，实现对机车设备状态信息的远程集中监测，及时对机车设备进行诊断和维护，实现对机车设备故障进行预警，为推进机车设备状态修提供支持。

第2章CMD系统技术概述

中国机车远程监测与诊断系统(CMD系统)的设计遵循工业互联网理念,牢牢把握住工业互联网的三要素--智能装备、互联网络、大数据应用,打造出一个智能化机车铁路行业应用。通过车载LDP设备获取机车各设备信息,并通过多种传输手段将机车数据源源不断传到地面系统,实现车地一体化。地面系统通过大数据分析手段为机车的质量安全保驾护航。

2.1CMD系统功能

CMD系统的总体设计思路是采用先进的车载信息采集技术、通信技术和计算机技术，把机车实时状态数据、故障信息等机车数据处理整合后，利用无线传输技术传至地面，通过防火墙后进入铁路内网进行分析处理，地面系统通过计算机技术对机车运用、检修等信息进行综合应用。系统主要功能有以下6点。

1)提高机车利用率

远程监测机车的运用情况，随时掌握机车的正常使用、备用状态，实时获得机车当前位置、速度等信息，便于机车集中调度，充分利用机车，提高机车的利用率。

2)及时了解机车的状态

远程监测机车的技术状态，随时掌握每台机车的状态是否完好，降低故障机车救援及维修成本，为机车的状态修提供技术支持。

3)提供机车故障诊断数据分析工具

通过系统获得机车设备故障相关的数据，结合智能分析与诊断技术方法，提供一个分析机车故障的工具给机车检修技术人员，能够有利于故障的分析工作。

4)辅助机车司机在途排除故障

为机车司机在途排除故障提供技术支持。在途机车一旦出现故障，通过该系统，检修中心的技术人员就可以接收到相应的信息，地面技术人员就可以找出该故障原因，指导司机排除故障。

5)建立机车数据档案及检修专家库

通过对存储的机车海量数据进行统计、分析处理、归类汇总，可建立机车完整的数据档案，指导机车的运用、检修和维护，建立机车的检修专家库。

6)车载数据的无线下载

机车回段入库后通过WLAN网络将LKJ、LDP等车载设备记录的全程数据文件下载到地面。

2.2CMD系统主要技术内容

1.支持机车运用精细化指挥和管理。CMD系统能够实现对全路机车运行轨迹的实时监控和记录，具有准确、真实、实时和自动化采集的特点，不受人为因素干扰，为运输调度指挥、机车运用管理和机车运用考核工作提供有力支持。

2.构建安全风险实时防控体系。CMD系统利用机车实时数据，实现对机车故障、非正常停车、司机错操、轴温异常、机车火灾等情况实时报警，使各级机务部门能够实时掌握线上运行异常情况，及时指导机车乘务员进行处置，防止事故发生或降低事故损失。

3.建立机车质量客观评价体系。CMD系统为每台机车建立质量信息库并对机车质量进行跟踪分析，能够对新造、检修机车质量进行评价考核；通过对全路机车质量信息大数据的挖掘分析，可以为机车技术改进、修程修制改革等提供决策支持。

4.实现全路机车资产的有效管理。基于CMD系统数据的客观性，可以真实地反映各铁路局机车资产的利用率，为总公司合理采购、配置机车动力提供决策支持。

5.建立专家智能分析与诊断系统。通过对机车状态、故障及安全信息的大数据分析，为机车状态修提供技术支持，为未来的智慧铁路运输提供数字化支撑。

科学技术创新方面，CMD系统已获得授权发明专利14项、软件著作权登记5项、集成电路布图设计1项、在国内期刊发表论文23篇。

技术经济指标方面，CMD系统设备装车计划覆盖全路和谐型机车，目前全路和谐型机车约10000台，计划总投资约16亿元，目前设备已装车6000余台，累计投资约9.6亿元，2018年底和谐型机车设备装车全部完成后，将对全路一半以上机车状态进行监控以及数据采集。

经济和社会效益方面，利用CMD系统实时数据结合故障智能在线诊断功能，辅助地面指挥人员对乘务员提供远程技术支持，可有效降低机车的机破率，实现安全风险防控关口前移。通过对机车的海量历史数据进行惯性故障和偶发性故障规律的大数据分析，不断丰富和积累机车检修经验，优化机车检修管理模式，推动由定期修向状态修的转变，从而保障机车能够正常运营，降低列车晚点率。

应用推广方面，2014年开始CMD系统陆续在全路和谐型机车上安装推广应用，目前累计装车数量6000余台，覆盖主要19种和谐车型，覆盖全路18个铁路局67个机务段。系统注册用户近1000人，实时在线用户500余人。

2.3CMD系统技术可行性

2.3.1车载系统发展

全路机车已全面普及专用LKJ监控装置，近1万台和谐型机车已全面采用网络化TCMS系统，部分交-直机车也已采用微机控制系统，数字化程度较高；机车车载安全防护系统（6A系统）是用于机车运用安全防护的一个系统平台，集成了6个与安全相关的子系统，已全面应用于和谐型机车。

车载设备的微机化、网络化程度不断提高，实时采集机车状态信息、机车安全信息和机车监测信息，为机车运用、检修和维护提供数据支持。

2.3.2信息传输技术发展

移动通信技术不断发展，经过GSM、3G发展到第四代（4G）的长期演进技术（LongTermEvolution，LTE），其在铁路沿线的高覆盖率，保证车载大量数据的实时传输，从而实现地面综合应用系统实时展示车载数据及视频。北斗系统具有极强的抗同频、宽频、多径干扰能力，抗衰落能力强，具备各种气象条件、地质条件下的全天候高性能；卫星通信具有广域覆盖、远距离传输的特点，对于无法获得互联网接入的地区，具有不可替代的作用。通过北斗系统、卫星通信技术，可以实现机车远程定位，动态跟踪“人车图”。

2.3.3地面综合大数据技术发展

大数据的快速发展，已成为一大新兴产业，其中大数据分析、云数据库等技术日趋完善。基于长期积累的大量机车故障报警数据及机车运行状态数据，通过如状态预测/外推、基于统计回归、基于相似性等的研究方式、方法，建立相关分析模型，分析车载设备（部件）失效阀值，以预测设备（部件）质量状态。现在各种技术条件已经成熟，研制实现机车动静态信息采集、传输、地面诊断分析的车-地一体化平台系统已经水到渠成。

2.4CMD系统主要目标及需求分析

CMD系统需整合构建面向机务信息化、智能化发展的大数据应用核心平台，具有先进传感及微机网络技术的交流传动机车，整合最新卫星定位和无线通信网络技术的车载数据集成传输装置，综合“人车图”信息满足运用、整备、检修需求的大数据应用平台，构成代表世界最前沿的工业互联网技术实例，即“智能装备+互联网络+大数据应用”，也可以说是“互联网+机车装备及运用维修”。具有建立在TCMS，6A，LKJ等系统几百个实时检测数据项的感知能力；具有建立在3G/4G，GPS、北斗、WLAN等多种技术应用和铁路车号自动识别系统（ATIS）、LKJ等多源数据集成商的车地传输和时空定位能力；具有全面提升信息流通、辅助决策和流程综合优化的大数据应用能力。以CMB系统为核心，全方面打造车的、动静、造修全面数据共享互动的机务大数据应用体系。

车载数据集成需求：车载设备实现对机车状态、故障信息及安全信息的采集、处理、记录，包括扩展系统的统一授时、文件统一自动下载、机车履历电子化，具备机车状态的感知能力。具备对地面综合应用子系统点播请求的响应功能，包括发送频率、发送信息类型、履历信息更新等合法命令响应。具备配置文件的更新及管理功能，禁止非法配置文件的导入。具备对地面系统的远程访问进行控制及认证功能，禁止非法登录。根据通信协议，向地面综合应用子系统定时传输重要的机车状态信息、机车安全信息、机车监测信息，包含机车基本运行信息、司机操作命令信息等。

TCMS，6A等。具备对包括来自其他系统的文件数据的处理能力，包括文件数据的缓存、文件数据的压缩等。

数据传输与转储：数据传输与转储分实时信息的传输、视频信息的传输、北斗短报文信息的传输与记录文件的转储，能根据不同需求采取不同策略，将数据传输至数据传输子系统。数据传输采用的移动通信制式支持CDMA2000、WCDMA、GPRS、4G等。

2.5本章小结

本章节主要是中国机车远程监测与诊断系统(CMD系统)进行阐述，主要介绍中国机车远程监测与诊断系统的技术特点，以及该技术的可行性，对CMD系统的基本情况进行概述之后，再进行研究。

第3章机车远程监测与诊断系统设计方案

3.1CMD系统架构（图1）

CMD系统由车载子系统、数据传输子系统和地面综合应用子系统组成。车载子系统为整车信息平台，采集、汇总机车安全信息、机车监测信息、机车状态信息，完成不同系统间的信息共享和统一传输。LKJ、TCMS、6A及其他系统通过网络接口板与车载主机LDP连接，北斗通信天线和WLAN/3G/定位天线实现数据的无线发送。CMD车载子系统主要完成对机车状态信息、机车安全信息和机车监测信息的采集、存储、传输。通过机车与地面的双向数据交互，实现对在途机车的远程实时监测与故障诊断，为机车运用、检修和维护提供数据支持。数据传输子系统的网络由无线和有线两部分组成。无线网络目前依托GSMGPRS/3G、GSM-RGPRS、WLAN、北斗，具备向LTE升级的条件，主要完成车地数据传输；有线网络利用已有的铁路综合IT网络，主要完成总公司、铁路局、机务段/检修段三级网络范围内的数据传输。

图1 CMD系统架构

地面综合应用子系统采用总公司一级部署，总公司、铁路局、机务段三级应用。在总公司部署的CMD地面综合应用子系统分别由业务功能、数据处理中心、运行维护管理组成。业务功能包括实时监测、专家诊断、数据中心、数据管理、跨局运用、故障/事件、车载设备、履历管理8个业务功能模块；数据处理中心以基础编码库、业务数据库、管理数据库为数据基础，搭建后台数据处理系统，为综合服务平台提供数据支持；运行维护管理主要包括地面应用系统中的用户管理、权限管理、基础编码管理模块，保证系统正常运行。

3.2车载子系统（图2）

3.2.1数据采集

通过以太网接口、RS485接口采集TCMS数据，通过以太网采集6A系统数据，通过RS485或以太网采集LKJ数据，通过无线网络获取地面综合应用子系统的远程数据，采集的数据应包括：

（1）机车状态信息：从TCMS采集的机车信息，包括司机操作、机车工况、机车故障、设备工作状态、通信状态、控制等信息；

（2）机车监测信息：从6A系统采集的检测信息，包括机车空气制动安全监测、机车防火监控、机车高压绝缘检测（如配置）、列车供电监测（如配置）、机车走行部故障监测、机车自动视频监控及记录等信息；

（3）机车安全信息：从LKJ采集的安全信息，包括司机号、信号机、车站、公里标、列车管压力、进出站等信息；

（4）定位信息：包括经纬度、海拔、速度、时间信息。

3.2.2数据处理

（1）地面点播数据处理：对地面综合应用子系统点播请求的响应，包括发送频率、发送信息类型、履历信息更新等合法命令的响应；对地面系统的远程访问进行控制及认证，禁止非法登录。

（2）事件识别与处理：从获取的数据中识别事件的功能，在事件发生时，应能提取和记录相应的环境数据，事件可配置。

（3）故障数据识别与处理：从获取的数据中识别机车故障的功能，在故障发生时，应能提取和记录相应的环境数据，并通过数据传输子系统实时向地面综合应用子系统报警及传送相应数据。

（4）数据分发处理：根据应用需求，对数据进行加工，并分发给相关车载系统，如显示器、TCMS、6A系统等。

（5）文件数据处理：对包括来自其他系统的文件数据的处理能力，包括文件数据的缓存、压缩等处理。

图2车载子系统

3.2.3数据记录

将TCMS、6A、LKJ、机车履历数据及处理后的相关信息进行记录，并确保事件分析时数据的同步性及一致性。数据存储包括以下几类：

（1）事件发生前后的环境数据；

（2）故障发生前后的环境数据；

（3）全程运行数据；

（4）自检信息、访问事件；

（5）司机操作及相应的状态信息等，该信息保存在防护记录器内；

（6）机车全生命周期的造、修、用履历信息，该信息保存在防护记录器内。

3.3数据传输子系统（图3）

（1）远程数据传输：CMD系统实时数据采用3G/4G/北斗等无线传输技术，实现了车地数据通信，车载LDP通过3G/4G每10s一包、北斗每分钟一包的频率下发数据，保证了数据的实时性。

（2）北斗卫星导航系统定位：CMD系统采用我国自行研制的全球卫星导航系统——北斗卫星导航系统为机车定位，与GPS系统相比，北斗系统有斜轨道卫星，在有遮挡物复杂地形、地表的定位信号更强、精度更高，且北斗系统支持短报文传讯功能，CMD系统利用短报文功能将车载设备所搜集的关键状态信息下发至地面，与通过3G传输通道形成“双保险”。确保复杂地形数据的稳定传输。

（3）WLAN智能转储：CMD系统采用目前已十分成熟的WLAN无线网络技术，实现车载记录文件自动转储，WLAN无线网络部署在机务段整备场，机车进入无线网络后自动连接并对车载LKJ、TCMS、6A系统等记录文件进行全自动转储，全程无需人为干预，自动将文件存储在整备场文件转储服务器，各平台分析软件可自行获取，车载记录文件WLAN智能转储为整个自动化处置闭环提供了先决条件。

图3数据传输子系统

3.4地面综合应用子系统（图4）

地面综合应用子系统的目标是实现机车动静态信息采集、传输、地面诊断分析的车-地一体化平台，能够实现机车远程定位、动态跟踪“人车图”、机车状态远程监测和故障诊断、预估机车质量状态、司机错操和运行异常远程报警等功能。

图4地面综合应用子系统

展望未来中国机车远程监测与诊断系统的发展。中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）的设计遵循工业互联网理念，牢牢把握住工业互联网的三要素——智能装备、互联网络、大数据应用，打造出一个智能化机车铁路行业应用。通过车载LDP设备获取机车各设备信息，并通过多种传输手段将机车数据源源不断传到地面系统，实现车地一体化，地面系统通过大数据分析手段为机车的质量安全保驾护航。

近年来，我国列车不断向高速、重栽方向的发展，对机车的安全性能要求也越来越高．传统的机车车载故障诊断装置只能进行单机集巾式在线监测与车戟诊断，即使通过usB接口将数据转晰到地面分析系统，也还存在以下不足：

（1）监控与诊断的方式受到技术条件的限制．不能及时将故障信息传送至地面，而要等到机车回库后方能获得故障信息进行分析，无法满足实时性璎求．

（2）系统的开放性不足，故障信息、诊断知议难以共享，制约了管理部门、维修部门、司乘人员、诊断专家之间的相互交流与提高。

（3）尽管有车载故障诊断系统的技术支持，但司乘人员只能解决一些简单的故障诊断问题，一旦设备出现新的或者较严敢的故障时。无法快速有效地利用地面远程盘持加以解决。

目前国外的先进机车大多配备了车载信息化系统，如西门子生产的机车装配了EFLEET系统，阿尔斯通生产的机午装配了ETRAlN系统，GE公司生产的机车装配rRM＆D系统。这屿信息化系统都具备机车运行数据记录和下载转储功能，时机车故障及时问记录的分析和譬家诊断功能、机车GPS定位功能等。但这屿信息系统均面向特定的牟型，系统接口不统一，不具备通用性．很难实现信息共享；另外，基于数措安全性的考虑，不能采用外方的传输系统。因此，研究和设计一套基于计算机技术、网络技术、无线通信技术和专家系统技术的机牟远程监测与敞障诊断系统，以提高网络环境下障诊断的可靠性和效率极其现实意义。

随着CMD系统建设的不断推进，CMD系统车载子系统已经在和谐型机车上批量装车应用，目前已装车4000多台。车载子系统的统一平台、统一接口、统一数据传输方式给CMD系统地面子系统提供了可靠的数据源，已支撑起地面各项实际应用工作，如各类机车车载数据的实时下发支撑起地面“人车图”跟踪管理理念；故障、事件信息下发支撑起在途机车故障诊断与排除及机务段整备检修工作；WLAN环境下文件下载实现机务段自动文件转储等。为CMD系统的进一步建设打下了坚实基础。CMD系统车载子系统以总公司发布的《机务信息化总体规划》为参考依据，结合国内外铁路行业应用需求，建立统一的车载信息系统平台。车载信息系统平台采用标准化硬件设计，具有高可靠性、高兼容性，既能保证在不同构造机车上安装使用，又能方便日后功能扩展，同时技术先进，数据采集与处理机制 优越，能有效支撑CMD系统建设的功能需求。随着CMD系统建设的进一步推进，车载子系统将朝着实现更深层次应用功能的方向发展，LDP采集能力将会进一步增强，车地数据传输带宽也会得到进一步提升，同时车载子系统作为车载设备统一服务平台、旅客商业服务平台也将成为可能。

3.5本章小结

本章节主要是进行车远程监测与诊断系统的设计分析，本设计首先是进行CMD系统的框架设计，先介绍CMD系统的整个框架。其次，分析CMD系统的主要三大系统，即车载子系统、数据传输子系统、地面综合应用子系统，这三大系统为CMD系统主要系统，从这三大系统着手进行系统设计，将该系统的特点突出。

结束语

机务信息化是铁路信息化的重要组成部分，机务信息化建设应符合铁路信息化的总体要求，在总公司的统一组织下，坚持“五统一”（统一领导、统一规划、统一标准、统一建设、统一管理），遵循自上而下规划设计、自下而上开展建设，上下结合、一次规划、分步实施、急用先干，边建设、边整合、边完善，适用、实用、好用、通用的原则。随着铁路改革的不断深化和机务事业的不断发展，机务信息化在某些应用领域已经取得一定效果。作为机务信息化建设的基础性、战略性工程，加快CMD系统的建设和应用，将推动机务信息化突破发展困境，带来机务运用、安全和经营管理的全新变化。统一规划和启动CMD、ATIS机务部分、机务运行信息自动采集子系统的建设工作并进一步巩固完善，全面建成覆盖全路、规范统一、功能强大、信息共享、互联互通的铁路机务管理信息系统。

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机车乘务员工作不足与整改措施

关于中国新国货消费行为监测与商业趋势研究报告的读后感

等待的应用与创新

资源应用与教学情况登记册

数控技术与应用专业求职信