城市軌道交通CBTC系統實時故障定位方法*

白廣爭 鄭澤熙 馮浩楠 許展瑛 劉海祥 范 楷

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,100081,北京)

CBTC(基于通信的列車控制)系統由ATS(列車自動監控)系統、CI(計算機聯鎖)系統、ZC(區域控制器)系統、VOBC(車載控制器)系統和DCS(數據通信子系統)共同構成,系統構成相對復雜。在運行過程中,若有某一模塊發生故障,往往會有多個子系統報警,僅從系統表現出來的故障現象較難確定故障問題來源。不同子系統通過自身邏輯判斷提供一定的報警信息,此時需要有經驗的維護人員歸納這些信息,同時結合子系統之間實時傳輸的接口數據信息進行綜合判斷,才能確定故障發生的來源。這不僅需要維護人員耗費較長的時間進行問題分析,而且其自身也需具有較高的技術水平。因此,設計一套針對CBTC系統進行實時故障診斷定位的分析系統具有重要的應用價值。

將模式匹配應用在故障定位領域是一種有效的方法。文獻[1]研究了在設備資源受限情況下,基于云服務器輔助計算策略,完成對模式端和數據庫端兩方的安全模式匹配協議設計,并通過設計功能函數實現對模式的檢測。文獻[2]通過對文本關鍵信息進行模糊化預處理,基于WM(Wu-Manber)算法進行中文信息的初步匹配,最后進行多模式匹配。文獻[3]將模糊理論應用于網絡故障的實時故障監測,結合模糊理論與數據挖掘方法,建立關聯規則知識庫,再利用模糊匹配對告警信息進行模糊推理,以達到定位故障的目的。

在進行故障模式匹配過程中,現有文獻研究均沒有考慮時間約束對故障模式匹配的影響。而在實際應用中,從通信網絡上采集到的多方實時數據需要考慮其時間要求,即滿足時間要求的數據才能參與模式匹配,傳統的字符串模糊匹配算法難以解決該問題。鑒于此,針對系統網絡監測數據,本文提出一種基于時間約束的實時故障監測定位方法,以實現城市軌道交通基于CBTC系統的快速故障診斷和定位。本文研究可為CBTC系統的集成測試、故障運維等提供借鑒。

1 CBTC系統實時故障定位方法設計思路

假設在某一時刻,CBTC系統突發故障,針對各子系統的報警信息分別構建數據序列,例如ZC報警數據序列、VOBC報警數據序列、CI報警數據序列、各子系統之間實時通信數據序列等。當特定故障發生時,故障診斷系統結合預先制定好的故障模式庫中的不同故障模式,利用故障識別定位算法進行故障模式匹配。在設計模式匹配算法過程中,需要考慮時間約束的問題:

1) 同一數據序列內信息之間的時間約束性。對于同一數據序列,將其中的數據信息與故障的對應子模式進行匹配時,模式中各字符的出現時機與順序只有滿足給定的時間約束,才被認為該故障子模式匹配成功;不滿足時間約束的字符,認為其并不處于同一故障狀態下,則不滿足模式匹配規則。通信周期越長、通信數據量越大,則待匹配字符之間的干擾字符數量越大,數據序列與故障模式之間的ED(編輯距離)越大[4-5];反之,則數據序列與故障模式之間的ED越小。

2) 不同數據序列之間相關信息的同步性。對于CBTC系統,當從不同子系統分別獲得數據信息后,會形成多個數據序列。不同數據序列內的信息在參與某一特定故障模式匹配時,只有同一時期內出現的信息才能進行匹配。不同時期產生的信息,即使能夠匹配成功,但不具有實際意義?！巴粫r期”的定義是由系統的響應周期、通信周期等參數共同決定的。例如,當其中一個子系統發生故障后,另一個子系統的響應時間為t,則進行該故障模式匹配時,t時間域內的信息均屬于“同一時期”。

根據以上分析,設計基于時間約束的故障識別定位算法,以提高CBTC系統的實時故障快速監測定位與現場恢復能力。

2 基于時間約束的故障定位算法

2.1 模式定義及匹配規則

根據實際問題,對模式定義及匹配規則進行說明。

2.1.1 總模式和子模式

1次完整的匹配對應1個總模式,總模式匹配成功,即完成了模式對象的匹配過程。1個總模式由K個子模式組合而成,第n個總模式的第j個子模式稱為sn,j(1≤n≤N,1≤j≤K),該子模式對應一個實時數據序列,每個總模式的K個子模式對應K個實時數據序列。子模式sn,j中的字符在數據序列中出現時均具有時間屬性,出現的時機和順序受時間約束。多個總模式共同構成模式庫。

2.1.2 子模式sn,j匹配規則

子模式sn,j匹配規則為:①sn,j由xn,j個報警信息組成;②sn,j中的各報警信息在數據序列中可以不相鄰;③sn,j中的各報警信息在數據序列中必須按順序且全部出現;④sn,j中的第m個報警信息sn,j,m與第m+1個報警信息sn,j,m+1之間的時間間隔不超過規定時間t0,則有:

tn,j,m+1-tn,j,m≤t0

(1)

1≤m

式中:

tn,j,m+1——報警信息sn,j,m+1出現的時刻。

同時滿足上述4個規則,該子模式sn,j匹配成功。

2.1.3 總模式匹配規則

總模式匹配規則為:①對于某一確定的總模式n,其所包含的各個子模式sn,j均匹配成功;②對于總模式n,sn,j的第1個字符sn,j,1出現的時刻必須分布在某一確定的時間圍欄T內,即tn,j,1∈T(tn,j,1為sn,j的第1個報警信息sn,j,1的出現時刻)。時間圍欄T=[tn,j0,1-t1,tn,j0,1+t1],其中:tn,j0,1為總模式n第j0個子模式sn,j0的第1個報警信息sn,j0,1的出現時刻;t1為設定常數。

同時滿足上述2個規則,總模式n匹配成功。

2.1.4 相似度

假設總模式n1中所包含的報警字符在總模式n2中均按順序出現,則稱n1包含于n2,記為n1?n2。通過定義相似度R提高故障模式的識別準確度。故障模式n發生的相似度Rn表示總模式n在與實時報警字符序列進行匹配時,所能夠實現匹配的字符數。根據定義,若在實時獲取的報警字符序列中同時出現了故障模式n1和n2,且Rn2≥Rn1,即所發生的故障與模式n2的相似度更高,故認為發生的是故障模式n2。

2.2 故障定位算法設計

根據模式定義及匹配規則,設計模式匹配算法。

步驟1 將故障模式庫中所有總模式的相似度初始化為0;選定第1個子模式對應的數據序列作為第1個待匹配對象;選取該數據序列的第1個字符,假定該字符為γstr1,1,則該字符的發生時刻為t1,1。

步驟2 根據γstr1,1,在模式庫中搜索所有總模式中第1個子模式sn,1的首字符,選出sn,1的首字符sn,1,1與γstr1,1匹配成功的所有總模式,進而初步篩選出第1個子模式的首字符匹配成功的總模式集合A。若集合A非空,A={a1,a2,…,ap}(1≤p≤N),則返回該集合,并轉至步驟3;否則,刪除步驟1中所選數據序列中的第1個報警信息,并轉至步驟1。

步驟3 根據t1,1計算時間圍欄T,T=[t1,1-t1,t1,1+t1]。

步驟4 在時間圍欄T內,針對集合A中的總模式集合,任意選取一個總模式ai(1≤i≤p),在除第1個子模式外的ai中的其他各子模式所對應的數據序列中逐個搜索sai,j,1(1≤j≤K且j≠1),其中sai,j,1為總模式ai的第j個子模式的首字符。若在時間圍欄T內,存在任意j使得sai,j,1搜索失敗,則從集合A中刪除ai;否則,將ai加入集合B。遍歷集合A中所有ai。

步驟5 若集合B非空,B={b1,b2,…,bq}(1≤q≤p),則返回該集合,并轉至步驟6;否則,刪除步驟1所選的數據序列中的第1個字符,并轉至步驟1。

步驟6 對集合B中的總模式b1按以下過程進行匹配:在[tb1,j,m-1,tb1,j,m-1+t0](1

步驟7 在集合B中繼續搜索“包含”步驟6中已完成匹配字符sb1,j,m(1≤j≤j1,1≤m

步驟8 若C不為空集,則選取其中相似度最大的故障模式作為匹配成功的模式進行報警,并將各實時數據序列中已參與匹配的字符刪除,轉至步驟1;否則,表示沒有完成匹配,則刪除步驟1所選的數據序列中的第1個字符,并轉至步驟1。

在步驟6—步驟8中,通過有效利用每一次匹配成功部分的信息,避免了算法的回溯搜索。當模式庫中的一個總模式n與數據序列中的數據進行匹配時,若匹配過程中的某個字符sn,j,ml(1≤n≤N,1≤j≤K,1≤ml

3 CBTC數據監測系統構建與算法驗證

3.1 CBTC數據監測系統構建

CBTC數據監測系統架構示意圖如圖1所示。CBTC系統的各子系統之間通過骨干網交換機交互接口應用數據,各子系統內的不同模塊(或終端)之間,通過子系統交換機實時交互報警數據等信息。利用交換機的端口鏡像技術,設計交換機級聯方案,將骨干網交換機內的數據和各子系統內部交換機上的通信數據分別鏡像到抓包交換機,再對抓包交換機做端口鏡像,將所有數據匯總至上層數據處理服務器,并以此作為故障檢測模型的原始輸入數據。

注:圖中將CBTC系統的所有終端均以PC(個人計算機)終端作為示意代替;ATS為列車自動監控;TIU為車載接口單元。

CBTC數據監測系統架構設計從物理上保證了數據獲取通道的暢通性。在此基礎上,設計CBTC數據監測系統的軟件部分,包括抓包模塊[6]和故障識別模塊。故障識別模塊識別流程示意圖如圖2所示。

圖2 故障識別模塊識別流程示意圖

3.2 算法驗證

利用所提故障定位算法及CBTC數據監測系統,在重慶軌道交通9號線的CBTC系統上進行算法驗證。所提故障定位算法在CPU(中央處理器)為Intel? Xeon? Silver 4116,主頻為2.2 GHz,24線程12核心,內存為16 GiB的服務器上連續運行,內存及CPU占用率始終維持在較低水平。

CBTC數據監測系統的故障標簽庫規模為2 046條,隨機選取故障標簽庫中的5條故障,作為待測案例。通過人工對CBTC數據監測系統植入相應的故障狀態,使得所提故障定位算法能夠實時識別出系統內發生的故障,并提供正確的故障定位報警提示。故障定位耗時記錄如表1所示。

表1 故障定位耗時記錄

4 結語

根據CBTC系統的系統架構、應用數據傳輸原理及系統參數,結合測試經驗,設計了一套能夠進行實時快速故障定位的方法。所提CBTC系統實時故障定位方法在針對具有時間約束的故障診斷定位方面具有普適性,尤其適用于大型分布式軟件多點監測控制系統的故障檢測及智能故障診斷。根據模式匹配規則設計了故障定位算法,運用了已完成有效匹配信息的繼承方法,能夠有效避免故障模式的回溯搜索過程。經CBTC數據監測系統驗證,所提算法能夠快速完成CBTC系統的故障定位功能。所提CBTC系統實時故障定位方法無論在測試階段還是在現場運營階段均能發揮重要作用,其不僅降低了系統測試和故障運維的技術難度,通過快速故障定位,大大減少了故障恢復時間。