摘要：故障预测与健康管理(PHM)是把监测系统各部件的健康状态信息进行汇总、分析评估、故障诊断及预测的技术，理念核心是状态维修。结合PHM理论、相关标准和构建原则，从实际应用出发，提出一种用于铁路列车网络控制系统TCN网关的故障监测和诊断方法，以降低设备运维成本，保证故障处理实时可靠，维护列车稳定运行。
关键词：故障预测;健康管理;自监测;
Abstract：Fault prediction and health management(PHM) is a technology to summarize, analyze,evaluate, diagnose and predict the health status information of each component of the monitoring system.Its core concept is condition-based maintenance.Combining PHM theory, relevant standards and construction principles and starting from practical application,we propose a fault detection and diagnosis method for TCN gateway of railway train network control system to reduce equipment operation and maintenance costs,ensure real-time and reliable troubleshooting,and maintain smooth operation.
Keyword：fault prediction; health management; self-monitoring;
根据IEC61375-1标准[1],绞线式列车总线WTB[2]用于列车重联编组，多功能车辆总线MVB[3]用于车辆内设备通信。某型动车组(网络拓扑结构如图1)TCN网关是车载电子设备，实现WTB/MVB协议转换。该网关由2组硬件完全相同、互为冗余的板卡组成，激活网关失效后，备用网关冗余切换为激活网关。网关的5种板卡中，任一板卡硬件或软件失效，都可能会影响列车的正常运行。网关的自监测技术可以监测自身板卡软硬件状态，完成故障诊断和健康管理。
1 自监测理论框架
TCN网关自监测框架的建立主要参照IEEE1856[4]、ISO13374[5]标准，以数据整合和多维度评价为PHM构建原则。该框架按层次分为故障感知层、故障分析层和策略实施层，包括数据采集、特征提取、状态监测、健康评估、异常处理5个功能模块，如图2所示。故障感知层对采集的硬件数据和软件运行情况进行特征提取；故障分析层对提取特征在与期望值做比较和判断(状态监测)后，完成健康评估，记录可能出现的问题和软硬件监测异常情况；策略实施层以保证设备和车辆稳定运行为前提，根据故障等级进行异常处理。
2 网关典型故障分析
网关的PHM模型以典型故障为基础建立和完善[6,7],通过分析典型故障，可深入了解问题原因，提高故障定位精度。网关典型故障包括线缆故障、硬件故障和软件故障。
(1)外接线缆故障：
包括WTB/MVB线缆故障、WTB/MVB线缆与网关接口故障。WTB/MVB线缆与网关接口故障主要发生在网关与WTB/MVB线缆连接处，是由连接或器件导致的虚断问题。网关通过接收WTB/MVB数据帧判断通信质量，统计丢帧、错帧、数据超时等信息，做相应记录，指示故障和预测故障。
(2)网关硬件故障：
包括元器件失效问题、电路老化问题或接触导致的通信问题。
(3)网关软件故障：
网关软件包括系统软件、通信协议软件、上位机软件及应用软件。通过监测软件运行情况，定位软件漏洞，实时处理故障。
图1 某型动车组网络拓扑
图2 自监测框架
3 网关自监测硬件模型
对网关硬件实施自监测技术，具体来说，是在WTB/MVB通信板卡作为WTB/MVB协议分析仪采集数据基础上，以CPU控制板卡为PHM中枢单元和故障诊断发起对象去监测其余板卡，备份网关通过监测CPU控制板卡完成网关单元自监测闭环。硬件自监测模型如图3所示。
图3 硬件自监测模型
以对CPU控制板卡和WTB通信板卡间背板通信监测为例说明：WTB通信板卡开辟一段测试背板内存空间，起始地址0x70000,CPU控制板卡向该地址空间分别写入数据0x0000、0x5555、0xaaaa、0xffff, 再依次读出校验，作为背板通信判据维度之一，实现对地址线、数据线、控制线信号数据采集。CPU控制板卡对采集数据提取信号电平，与已知数据模型库(如图4)对比确定电平是否正常(状态监测),作出健康评估确定故障等级，根据故障等级进行策略实施。
图4 与模型库进行状态对比
4 网关自监测软件实施
对网关软件和硬件自监测都是在搭建硬件架构基础上通过软件实现，自监测软件用于实现对各板卡硬件和软件监测。CPU控制板卡软件实施流程如图5所示。
图5 CPU控制板卡PHM实施流程
CPU控制板卡的应用软件除主任务外，包括硬件监测、软件监测、状态监测、健康评估和异常处理等任务。以监测WTB通信板卡软件运行为例：CPU定时采集WTB通信板卡生命信号变量作为对软件运行特征提取，正常状态下生命信号每个周期会变化，状态监测时提取的变量保持不变则为异常，根据生命信号状态是否恢复、保持时间长短，形成WTB通信板卡运行状态的健康评估，若保持时间过长就认为WTB通信板卡异常实施复位恢复的策略。
5 仿真和验证
结合PHM理论，按照硬件设计模型和软件执行流程对TCN网关升级，在实验室用故障注入方法，完成仿真验证。分别以网关硬件和软件问题为例，说明TCN网关自监测技术实施效果，如图6所示。
图6 WTB通信板卡故障注入
(1)WTB板卡硬件故障仿真：
仿真器1用于控制WTB通信板卡FPGA,待网关启动后，通过仿真器1注入无背板内存访问控制功能的比特流文件模拟WTB接口处硬件故障，CPU控制板卡串口打印“SRAM error, no 0x55!no 0xAA!”,WTB板卡硬件故障被正确识别。
(2)WTB板卡软件故障仿真：
仿真器2用于控制WTB通信板卡MCU,待网关启动后，通过仿真器2停止MCU程序运行。CPU控制板卡串口先是打印“WTB Life Signal Cannot Check”,1.5 s后打印“WTB Board Run Over”,WTB通信板卡软件故障被预测并正确诊断。
6 结论
本文结合列车网络控制系统TCN网关使用场景和PHM技术，从应用角度提出部件自身实现故障预测和健康管理方法。通过构建网关PHM模型，搭建硬件和软件自监测架构，实现对网关运行异常的处理机制，并通过实验室仿真验证。该方法可为其余部件开发PHM功能提供借鉴，而引进更先进算法增加故障预测、加强诊断精度及搭建大数据平台是未来工作重点研究方向。
参考文献
[1]IEC61375.Part 1:Train Communication Networks[S].
[2]GBT28029.2- -2020 轨道交通电子设备列车通信网络(TCN)第2-1部分:绞线式列车总线(WTB)[S].
[3]GBT28029.9- -2020 .轨道交通电子设备列车通信网络(TCN)第3-1部分:多功能车辆总线(MVB)[S].
[4]IEEE 1856- -2017.EE Standard Framework for Prognostics and Health Management of Electronic Systems[S].
[5]ISO 13374- -2007.Part 2:Condition monitoring and diagnostics of machines[S].
[6]范家铭基于PHM技术的高铁车载通信装备健康监测智能分析理论与方法的研究[D].北京:北京交通大学, 2020.
[7]李召.列车通信网络故障诊断与健康管理方法研究[D].北京:北京交通大学, 2020.
