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高速列车运行安全监控技术

文档作者：陆啸秋1 赵红卫2 黄志平2 高枫2 文档来源： 1 铁道部运输局装备部 2 中国铁道科学研究院机车车辆研究所，		点击数：	更新时间： 2021年03月11日
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第31卷第2期
2011年4月
铁道机车车辆
RAILWAY LOCOMOTIVE＆CAR
V01．31 No．2
Apr． 2011
文章编号：1008—7842(2011)02一0034一04
高速列车运行安全监控技术
陆啸秋1，赵红卫2，黄志平2，高枫2
(1 铁道部运输局装备部，北京100844；
2 中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081)
摘要随着列车运营速度的不断提升，高速列车的运行安全监控技术变得越发重要。从高速动车组的设计、运
用和维修保障等方面出发介绍了高速动车组的安全保障体系，采用可靠性、冗余设计和诊断技术的车载安全技术，
采用GPRS的动车组远程传输系统信息化技术、数据库诊断及专家系统的地面数据库技术，综合故障维修安全保
障技术。以CRH。型动车组为例分别介绍了高速动车组的运行安全监控体系的构成，并提出了高速列车运行安全
监控体系的研究方向。
关键词高速动车组；安全监控；故障维修
中图分类号：U298．1+2 文献标志码：A
随着列车运营速度的不断提升，高速列车的运行安
全越来越受到列车的设计生产部门、运用管理部门及铁
路乘客的广泛关注。高速列车的运行安全性、可靠性和
可维护性是列车运行安全的重要保障。
世界铁路发达国家在本国铁路发展过程中都充分发
展了与本国铁路路网、机车车辆、运营管理相适应的安全
监控与防范体系，由于各国铁路发展时所处的历史技术
条件不同，所以每个国家所采用的安全监测方式和防范
手段也有所不同，各有特点。欧洲一些国家的高速动车
组上，采用了车载控制网络技术将安全相关的监控信息
集中到车载监控设备，该设备通过车地无线传输方式将
信息传输至地面，地面人员再根据故障信息分类组织维
修，从而大大提高了检修效率和动车组可用性。
我国已有的普通机车和客车的设计、检修和安全防
范体系已明显不适应高速的运营需求，因此为保障高速
动车组的运营安全，在动车组的设计、运用和维修中，各
级铁路部门综合采用了多种先进的控制与诊断技术，在
动车组的设计、生产和运用管理部门的协调配合下，共
同建立了较为完善的高速动车组的安全运行监控体系，
为高速动车组运营安全奠定了基础。
我国安全监控体系的特点是集车载安全诊断技术、
远程数据传输技术、地面安全诊断技术、维修安全保障
技术为基础的综合安全保障体系。高速动车组在设计
过程中开展安全性和可靠性研究，在运行中对系统和设
备状态进行监控，建立实时数据库和专家系统对故障进
行在线诊断，通过远程无线传输系统传输故障信息，进
行运行数据地面存储、数据积累和数据挖掘，建立地面
数据库和专家诊断系统对故障数据进行归纳和统计分
析，建立面向目标群的综合维修数据库，应用现场维修、
交互式维修和远程维修技术，建立以铁道部为中心的铁
道部、铁路局和动车所3级动车组安全维修保障和故障
防范体系。表1为高速列车运行安全监控体系结构。
表1高速列车运行安全监控体系结构
1车载安全诊断技术
车载安全是高速动车组运行安全监控体系中最为
重要的环节，也是其他环节安全监控目标实现的集中体
现和基础数据来源。车载安全诊断技术，采用可靠性和
冗余设计、安全环路等技术提高系统的设计安全性，应
用在线监测技术监视系统或设备的工作状态，提高运行
安全性，利用故障诊断与容错控制技术、信息处理技术
陆啸秋(1959一)男，江苏常州人，高级工程师(收稿日期：2010一12—24)
万方数据
第2期高速列车运行安全监控技术35
和故障诊断模型快速准确识别故障并判定故障位置，尽
可能在故障刚刚发生时就能识别，自动收集故障原因，
通过车载列车网络技术实现设备状态信息共享、故障信
息传输、故障信息集中显示和故障导向安全措施等安全
防护和导向安全策略。
为实现高速动车组的运行安全，车载系统对安全相
关系统进行了可靠性设计和安全保护，尤其在动车组速
度提升后为实现动车组运用安全，采用了多种监控和诊
断技术实现了对动车组高压、牵引、转向架系统的故障
在线识别和故障导向安全措施，例如封锁高压或牵引系
统输出、切除故障设备、自动实施保护制动及限速运行
等。下面以CRH。型动车组为例介绍高速动车组实现
的主要安全监控功能。
1．1高压系统监控功能
CRH。型动车组高压系统保护包括网压、网流监视
保护、变压器原边电流过流保护、主变压器过流保护、主
变压器差分电流超限保护、滑板断裂监视保护、瓦斯继
电器报警保护、主变压器油流、油温监测保护等，具体监
视内容和保护措施详见表2。
表2 CRH，型动车组高压系统主要监测功能列表
序号监控内容保护措施
网流检测
网压检测
主变压器原边电流检测
接地电流检测
空载电流检测
车顶高压线路过流检测
滑板监视功能
8 主变压器温度和冷却装置检测
9 瓦斯继电器报警
当检测到网流超限时。分主断。封锁丰变压器和阴象限变流器
当检测到网，＆不在限值范围时，分主断，降弓
当检测到丰变压器原边电流超限时，分主断，封锁主变压器和四象限变流器
当宅变压器原边电流和接地电流之间的差值超限时，分宅断，封锁丰变压器和四象限变流器
当牵引系统／车载辅助电源未工作，主变压器原边电流超限时，分主断，封锁主变压器
网流和主变＆器原边电流之问的差值超限时。分丰断，封锁四象限变流器
受电弓装有自动降落设备，当滑板断裂时．软管会破裂，引发受电弓自动降下，与此同时，主
断路器断开。通过空气压力判断滑板状态，也町以引起降r)和分}断
采集辛变压器冷却装置的出入口油温．I监视变压器油位、冷却风扇的下作状态，当油温信号
不合理或冷却风痢故障时，通过降低变压器功率输出保护变腿器，共至导致分主断、网象限
变流器被封锁
当中央控制单元检测到瓦斯继电器报警时。会立刻分E断，封锁变压器
1．2 牵引系统监控功能
列车的中央控制单元通过车载网络向牵引控制单
元发送牵引系统相关的控制命令和设定值，处理牵引控
制单元反馈的状态信息。牵引控制单元输入输出通道
直接采集重要的牵引系统控制信号，采用模块化控制方
法实现对高速动车组牵引部件的控制、调整、监测和保
护。动车组牵引系统包括的主要监测功能列表见表3。
表3 cRH，型动车组牵引系统主要监测功能列表
1．3 转向架以及安全系统监控功能
列车网络控制系统具有轴温监测、轴抱死滑行检
测、运行稳定性检测、司机安全监测以及安全环路等安
全监测功能。转向架以及安全系统监控功能见表4。
万方数据
铁道机车车辆第31卷
表4 cRH3型动车组转向架以及安全系统检测功能
1．4 控制系统故障导向安全功能
高速列车网络控制系统承担整个列车的控制、监视
与诊断功能，如果列车网络控制系统故障将严重影响列
车的正常运行及安全，因此CRH。型动车组对控制系
统的通信通道故障及设备故障进行设计，并实现了多种
冗余控制策略及故障导向安全功能，网络控制系统的可
靠性和安全性得到进一步提高。例如主要列车控制设
备如中央控制单元、网关、网络管理器采用冗余设计，重
要的输入输出设备如司机牵引控制手柄和速度控制手
柄的输入采集，wTB和MVB网络通信采用双通道冗
余控制等，提高了动车组运行可靠性和安全性。
2远程数据传输技术
由于高速动车组投入运营时间不长，各种运营管理
经验还比较欠缺，为了解动车组在整个运行过程中可能
出现的各种情况，对牵引系统、制动系统或其他系统在
不同气候条件、不同工况下的运行状态进行安全监控，
对实时运行数据进行了远程传输；针对高速动车组综合
保障过程中，异地资源利用率低、故障及维修信息无法
共享、故障诊断时间长、现场维修处理不及时或不得当，
设计人员必须到现场等问题，对故障数据进行了远程传
输。
CRH。型动车组使用了基于GPRS无线传输技术
的远程数据传输系统，根据动车组运行速度提高，无线
通信状态不稳定等特点，制定了无线传输系统的通信协
议，并设置了多种缓存和纠错机制，保证了无线数据传
输的可靠性，满足了动车组运用管理检修部门对运行动
车组动态跟踪监控、远程技术支持和故障应急指导，并
即时组织维修的实际运用需求。
如图1远程监控与诊断系统方案所示，在CRHs型
动车组的司机室安装了车载无线传输设备，在动车组检
修运用所部署接收处理服务器，当车载设备监测到影响
动车组安全运行或设备发生异常、故障报警时，自动启
动报警实时发送机制，将故障信息通过GPRS实时发
送出去，故障信息包含发生故障动车组的车次、车厢号、
车号、故障发生时间、发生故障设备类型、故障描述、故
障相关数据等。定时信息包括动车组的车次、车厢号、
车号、时间、监测项类型、监测项状态。当系统工作正常
时，定时通过GPRS向地面发送各系统主要数据特征
信息和GPs定位信息。动车组到站后，通过在车站架
设的WLAN设备与天线，把车载无线传输设备所监测
到的实时记录数据下载到服务器，通过自动导入程序把
数据放人数据库保存，并通过地面专家系统进行进一步
综合诊断，以便于分析和查找事故原因，摸清故障规律。
图l动车组远程监控与诊断系统方案
3数据库综合诊断与应用技术
采用数据库对实时接收和记录数据进行存储、处
理、查询，对故障信息进行统计和分类处理、综合故障诊
断和数据挖掘等技术实现故障诊断专家系统。用数据
和量化的方法分析和诊断故障，相对于人工处理大大提
高了工作效率。对历史数据的保存和检索也非常方便，
在处理各种故障的时候有了历史数据的对照，对以前的
故障情况有全面的了解，有利于对动车组运行状态和设
备质量进行深层次的跟踪和动态质量控制。
利用无线传输系统传输至地面数据库的数据，使用
基于B／S架构的网站系统，用户可以通过网页查看到
当前运行动车组的司机操作状态、运行位置、高压、牵
引、制动、辅助、安全环、门、空调、照明等系统的主要参
数，便于监控动车组的安全运行工况。
用户可以通过网页查询到未恢复／已恢复的故障、
故障详细描述、处置建议等，系统提供了按时间范围、列
万方数据
第2期高速列车运行安全监控技术37
号、车号、故障代码、故障级别、子系统、是否恢复、是否
维修模式等条件进行组合查询(图2，图3)。
图4故障分布规律统计页面
用户还可以通过网页，查看动车组全程运行的位置
及回放，以直观的图形方式查看数据曲线图，包括速度、
网压、网流、牵引变压器、变流器、电机等主要部件温度
变化曲线。
利用地面综合数据库，能够存储动车组的各种故障
信息，迅速便捷地查找故障说明及故障维修建议，根据
维修分类和级别组织维修。在数据基础上进行故障分
类汇总，便于对频发故障进行跟踪和调查，分析故障原
因找到相应的处理方案，识别不符合可靠性要求的部
件、并在设计和维修中改进，进一步提高质量、提高列车
可靠性和可用性。
4维修安全保障技术
在高速动车组运用过程中，尤其在动车组投入运用
的初期是大量故障的爆发期，需要对动车组的故障及时
分析和排除。在铁路运用管理部门的大力组织下，每个
月的故障情况及故障维修情况都及时进行分类统计汇
总，故障发生的次数及波及的影响大为下降，随着安全
监控地面数据库技术的应用，对故障数据的归纳、统计、
分析和深入数据挖掘变得更为便捷，对动车组的故障维
修起到促进作用。
可靠性理论和现代维修理论认为，大型复杂系统发
生故障后，如果能够得到及时更换和维修，则经过一段
时间的运用后，其故障率会保持相对平稳。对高速动车
组进行状态修，对故障进行及时检查和排除尤为重要。
由于高速动车组是一个大型的复杂系统，故障的排除有
时需要多专业人员相互配合。为实现对动车组的及时
维修，提高动车组的可用性，一方面需要提高维修人员
的素质，并增加对人员的操作培训，另一方面还需要先
进的维修技术支持系统提供保障。
国外交互式诊断维护系统主要应用于军事和航空
领域，其应用既实现了智能化的交互也实现了网络化的
集成，可指导实现交互式的故障诊断、隔离、维修，并实
现多系统的信息共享和互操作。针对这种情况，目前研
制开发出CRH。型动车组维修人员交互式技术手册。
目前交互式电子手册还处于第一代，可通过文字或图片
方式向维修人员提供维修帮助和故障案例。下一代交
互式电子手册，将采用多种交互方式可有效提高交互效
率，具有更强的稳定性和准确性，通过对交互信息任务
流的合理组织和作业人员意图的智能化理解，使系统能
够更快、更准的锁定故障的原因和解决方法，并提供交
互式故障诊断功能、数据安全功能和维修R志功能等。
目前交互式维修系统在CRH。型动车组武广线联
调联试试验和武广线运营中，为动车组管理及运用部门
及时掌握动车组状态、动车组设备故障情况提供了有效
(下转第8l页)
万方数据
第2期牵引变流器中支撑电容器研究81
西南交通大学，2008．
[3]张玉成．单相电压型PwM整流器研究[D]．武汉：华中
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Study of the Dc—Link Capacitor fOr Traction ConVerter
CHEN Y砬咒一户i挖g，XJN Li，Lf Z矗。咒g一^口o
(Technology Center，Zhuzhou CSR Electric Co．，Ltd．，Zhuzhou 412001 Hunan，China)
A．bstract：This paper provides the sufficient principle and methods for the parameters choosing of the support capacitor in the traction
converter． First，the parameters calculation principle of the support capacitor i5 introduced in detail with the example of pulse rectifier，
and is conformed by the computer simulation；then five common choosing design methods for the support capacitor are introduced，
which include circuit analysis method，simulation method，estimation method，energy calculation method as well as experimental meth—
od．
1始y words：traction converter；support capacitor；secondary f．1ter capacitor；PWIⅥconverter；secondary resonant circuit
搴搴秘鹞秘零零秘零秘秘秘零秘零零撰秘零祭零零鹞秘鹕祭零秘零秘祭零零零祭秘零零零祭祭零鹋祭零秘秘鹞祭祭祭零
(上接第37页)
的安全监控手段，并通过故障维修指导和故障检查和验
证步骤的有效提示等功能，提高了动车组的故障检修合
格率。
5结束语
为实现确保高速动车组运行安全的目标，必须建立
建全覆盖设计制造、运行监控、运营维护、升级改进等全
部过程的高速列车运行安全监控体系。需要一系列的
先进技术，如车载安全诊断技术、远程数据传输技术、地
面安全诊断技术、维修安全保障技术及可靠性保障措施
等支撑条件。
高速列车运行安全监控体系还应该建全和完善包
括安全性标准、安全性保证方法、安全性验证方法、安全
性评估模型等内容，为列车设计制造商、设备供应商、生
产集成商、各级运营管理单位提供参考依据，建立和完
善高速列车运行安全性评价指标和评价方法，真正为中
国高速动车组的运行安全提供技术保障和基础。
参考文献
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Highspeed Train Running Safety Monitoring Technology
LU X如。一qi“1，ZHAO Ho咒g一硼8i 2，HU_ANG Z^i一户i咒g 2，GAo FP以g
2
(1 Equipment Department，Transportation Bureau of MOR，Be巧ing 100844，China；
2 Locomotive&amp;amp;Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Be巧ing 100081，China)
Abstract：With the increase of train operation speed，running safety monitoring techn0109y of high speed train has gradually become
more important．From the design，application，maintenamce and other aspects，this article introduces high speed E】V【V’s safety guaran—
tee system，which adopts the fbIlowing techniques：onboard safety technology with reliabiIity，redundancy design and diagnostic tech—
nology；infomation technology of EMU’s longdistance wireless transmission system with GPRS；ground database tecchnology of data—
base diagnostic and expert system；comprehensive fault maintenance safety guarantee techology．
This article takes for example CRH3 EMU，introduces the structure of CRH3’s running safety monitoring system and proposes re—
search objectives and development trend．
Key words：high speed EMU；safety monitoring；fault maintenance
万方数据

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