特别策划
1 研究背景
目前我国铁路里程的增长、轨道车辆的增多、运行速度的提升对轨道车辆和车载设备的可靠性、可用性、可维护性、安全性的要求也越来越高。铁路机车及其系统和设备的复杂性、综合化、智能化程度不断提高，其生命周期成本特别是维护和保障成本越来越高[1-2]。 人参多糖在信息化、科技化日益发展的今天，促进大数据、云计算、物联网的广泛应用成为引领行业创新发展的重要途径。铁路可以运用大数据、云计算等技术手段，通过可靠的数据和精准的决策方法，提高运营和管理水平；利用互联网技术和平台，可以创造新的价值、体现新的发展生态。 为了对机车的运行状态进行实时监控、远程诊断设备故障，国外机车上大多配备机车运行安全和设备质量监测系统，如西门子EFLEET系统、阿尔斯通ETRAIN系统、GE的RM&D系统、庞巴迪CC REMOTE
稀疏表示系统等。
通过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。
中国机车远程监测与诊断系统
（CMD系统）总体方案研究
申瑞源1，龚利2
（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 中国铁路信息技术中心，北京 100844）
摘 要：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。
关键词：机车；CMD；实时信息；LDP；远程监测；在线诊断
中图分类号：U26；TP277 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2017）03-0009-07ＤＯＩ：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.009
第一作者：申瑞源（1964—），男，中国铁路总公司运输局副局
长兼机务部主任。
通信作者：龚利（1975—），男，高级工程师，博士。
E-mail：***************
中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）总体方案研究 申瑞源 等
1.2 CMD系统技术可行性
1.2.1 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。
1.2.2 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（Long Term Evolution，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”。
1.2.3 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 CMD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CMD系统为核心，全面打造车地、动静、造修全面数据共享互动的机务大数据应用体系。
2.1 车载数据集成需求
2.1.1 数据采集
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。
2.1.2 数据处理
具备从获取的数据中识别事件的功能，在事件发生时能提取和记录相应的环境数据；具备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，应具备一定的自检功能。自检信息可发送给6A系统音视频显示终端或其他车载显示器。能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。
2.1.3 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
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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。
实时信息能采取定时传输方式、故障触发传输方式、数据点播方式、事件方式4种传输方式：
（1）定时传输通过时间周期性触发，传输周期可设置，传输内容包括关键的机车状态信息与基本信息，如机车速度、工况、机车位置、机车号、车次等信息；
（2）故障触发方式，故障发生时触发，传输内容包括机车故障和相关环境数据；
（3）数据点播传输由地面远程触发，根据地面综合应用子系统的指令传输相应类型的机车数据；
（4）事件触发方式为事件发生时触发，传输内容包括事件的相关信息、关键的机车状态信息（包括机车速度、工况、机车位置、机车号、车次等信息）与基本信息。
具备将6A系统视频信息传输到地面视频服务器的功能，视频的传输由远程控制命令点播触发，具备2种传输方式：
（1）视频流传输方式，可连续实时传输视频流信息，适用于无线网络畅通的情况；
（2）图片传输方式，以图片方式传输某通道的某一时刻画面，适用于无线网络带宽不足的情况。
外国男体具备北斗短报文通信的功能，采用周期性传输方式，把机车位置、故障、司机操作等关键信息发送至中国铁路总公司（简称总公司）的通信服务器。在机车控制电源关闭时，北斗/GPS板自动切换至机车蓄电池供电，能通过北斗短报文通信向地面发送机车位置信息和机车基本信息。
具有无线转储与人
工转储功能，转储数据
包括LDP、6A、TCMS
等的记录文件：
（1）当车载子系
统识别到合法的WLAN
网络时，与数据传输子
系统建立网络连接，从
相关存储单元中获取记录文件，并将记录文件传输给数据传输子系统，将记录文件自动转储到地面；情报分析
（2）人工转储由U盘插入触发，通过注册U盘进行手动转储，系统对证书进行认证后将自动转储记录文件到U盘，完成手动转储。
2.2 传输平台需求
数据传输平台需求包括在途数据传输和入段数据传输两部分。机车在途运行时，把车载子系统采集的机车状态信息、机车安全信息、机车监测信息及视频数据等实时信息通过GSM GPRS/3G/4G、GSM-R GPRS 传输到地面服务器，机车位置信息、机车安全信息通过北斗传输到地面服务器；地面服务器把指令信息通过GSM GPRS/3G/4G、GSM-R GPRS发往车载子系统。机车入段后，通过WLAN实现车地非实时信息双向传输。可以利用WLAN将LDP记录数据、6A数据、LKJ 数据、TCMS数据等车载设备的记录数据、机车电子履历等大容量信息发送到无线转储服务器，同时把转储结果信息写入段数据服务器。数据传输子系统部署见图1。
2.3 地面综合应用
CMD系统地面综合应用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。
“人车图”关联在一起，机务共享信息发布。对在途机车设备进行状态监测、远程诊断和故障排除，预估机车质量状态，定位故障并确定修程，提高整备检修效率，及时发现和处置司机错误操作和运行异常情况，实现安全风险实时防控。
图1 数据传输子系统部署
在途机车位置数据
实时数据
视频数据
指令信息
地
面
服
务
器
铁路综合IT网
机
务
段
数
据
中
心
建设部干部学院
服
务
器
LDP记录数据
6A数据
LKJ数据
TCMS数据
升级配置文件
入
段
机
车
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机车实时动态主要实现监测机车在线运行过程中的实时状态信息、故障报警，通过电子地图定位机车当前所在位置和线路信息。通过CMD系统的机车远程定位功能，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，对运输调度指挥、机车运用管理和相关机车运用考核工作提供有力支持。
实时监控在途机车并掌握在途机车故障信息，远程合理处置在途机车的非正常运行情况，构建安全风险实时防控体系。CMD系统通过采集LKJ、6A、TCMS 数据，实现对机车故障、司机错操、非正常停车、轴温异常、机车火灾等的实时报警，使总公司、铁路局、机务段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，防止发生事故或控制事故后果、降低事故损失。
通过采集的机车状态信息、机车安全信息及机车监测信息等实时信息，及时了解机车的设备状态，建立机车质量客观评价体系。通过CMD系统可以为每台机车建立质量信息库。通过对单台机车质量的跟踪分析，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；通过使用CMD系统远程实时监控在途机车故障报警信息，可以实现提前提票报修。机车回段后通过WLAN自动连接下载、上传，下载的机车数据由检修车间数据分析人员负责分级，对于发现的故障通过整备系统提票报修。
实现对全路机车动力资源的有效管理。总公司机务部门可通过CMD系统实现对全路机车使用情况的有
效监控。基于CMD系统采集数据的客观性，可真实反映各铁路局机车资产的利用率，使机车有偿占用考核成为可能，并为总公司合理采购、配置机车动力提供决策支持。
质量深度分析数据综合应用为机车故障诊断提供数据分析工具。实现对机车状态、故障信息及安全信息的采集、处理、记录，扩展系统的统一授时、文件的统一自动下载、机车履历的电子化等功能，建立专家智能诊断系统，机车关键信息记录与分析系统，为机车状态修提供技术支持。通过CMD系统地面综合应用系统建立起机车运用的全数字化综合应用管理平台，为未来的智慧铁路运输提供数字化支撑。
2.4 安全性需求
在途机车实时信息数据和视频点播数据通过GSM GPRS/3G/4G、GSM-R GPRS传输到总公司通信服务器，传输过程中通过公共网络时容易被窃取，系统需对机车下发的数据进行加密处理。回段机车的车载记录数据通过机务段WLAN网络传输到数据中心服务器，WLAN网络也较易被入侵，在链接到WLAN网络时需进行认证，避免非法终端接入；通过防火墙对WLAN网络和铁路内网进行隔离，确保接入的终端只能传入车载记录数据，不会窃取铁路内网数据。
3 CMD系统架构及关键技术特点
3.1 CMD系统架构
CMD系统架构见图2。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GSM GPRS/3G、GSM-R GPRS、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。
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
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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
车载子系统架构见图3。
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 CMD系统架构
图3 车载子系统架构
CMD系统总公司用户
CMD系统铁路局用户
总公司级机务信息平台
MQ 服务器通信服务器数据库服务器应用服务器地图服务器邢源高
报表服务器
局级机务信息平台
MQ服务器数据库服务器应用服务器
段级机务信息平台（CMD数据中心）
WLAN转储服务器
MQ 服务器
数据库服务器
应用服务器
TCMS/LDP 服务器6A平台服务器6A走行服务器
机务段用户机务段用户机务段用户TCMS/LDP 分析岗6A平台分析岗6A走行分析岗
CMD车载系统
数据传输平台（TSC1）数据采集平台（LDP）机车安全信息LKJ2000
TAX
CMD地面系统
机车状态信息TCMS
中央控制单元牵引控制单元制动控制单元辅助控制单元
…
…
机车监测信息6A系统
空气制动安全监测
防火监控
高压绝缘检测列车供电监测
走行部故障监测
自动视频监控及记录
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