高速列车信息控制系统故障注入研究进展

　　摘要高速列车信息控制系统是确保整车运行安全的关键系统之一，也是高速列车高发故障的主要来源之一。实时故障诊断是提升系统运行可靠性和安全性的有效方案之一，故障注入作为检验其是否满足车载应用要求的关键技术，是实现安全、逼真模拟系统各类故障场景的重要手段。高速列车信息控制系统结构复杂，故障场景呈现出多种复杂特性，从而使实现其有效故障注入方法和技术面临诸多挑战，如故障位置不可访问、故障场景时空变迁特性复杂和系统级故障注入架构缺乏、仿真资源受限等。本文首先综述了故障注入研究现状，对比探讨了面向实时仿真的故障注入的研究意义;然后，分析了面向实时仿真高速列车信息控制系统故障注入存在的问题，并在此基础上给出了一些解决方案;最后，指出了高速列车信息控制系统故障注入未来的研究方向。

　　关键词故障注入，实时仿真，故障诊断，高速列车，信息控制系统

　　1引言

　　近年来，我国高速铁路发展迅速，取得了举世瞩目的进步，形成了具有中国特色的高铁技术体系，总体技术水平和应用水平居世界领先地位[1∼4]。作为高铁运营的载体、高端装备的代表，高速列车已成为现代轨道交通运输业最核心、最重要、最便捷的方式之一，是国民经济大动脉、大众化交通工具和现代城市运行的重要骨架。但高速列车运行时速高、运行环境恶劣以及长期运行可能导致的元部件老化等给高速列车运行带来严重的安全隐患[5∼7]。高速列车信息控制系统[8]涵盖高速列车牵引传动控制系统、制动控制系统、列车运行控制系统、网络控制系统等子系统，是高速列车的心脏(变流)、大脑(控制)和神经(网络)，高速列车正是在这些系统的共同作用下实现整车安全运行。实际运营中，信息控制系统也是高速列车高发故障的主要来源之一，其子系统中的任何故障或安全隐患若不能实时诊断并得到及时正确的处理，都有可能引发连锁事故甚至被迫停车，带来不好的经济和社会影响。

　　交通工程师论文范例：高速公路改扩建工程路基搭接技术研究

　　因此，为保障高速列车信息控制系统的运行安全，诸多可靠性技术、预防措施和安全保障体系的研究已引起广泛关注，如故障模式及影响分析等[9，10]。作为提升系统运行可靠性和安全性的有效方案之一，国内外学者围绕高速列车信息控制系统及其各子系统的实时故障诊断等方法和技术展开了大量的研究[11∼18]。其中，2015年国家自然科学基金委启动的重大项目“高速列车信息控制系统实时故障诊断与应用验证”，汇集了国内故障诊断领域知名的高校研究团队和高铁龙头研发企业组成的研究小组，就高速列车信息控制系统中间歇故障、复合故障和微小故障等的实时故障诊断问题开展深入研究[8，19∼21]。

　　国外针对高速列车故障诊断技术的研究起步较早，20世纪80年代德国西门子研制的ICE系列高速列车首次实现对整个列车全面诊断，开启了世界高速列车故障诊断系统研发及应用的大门。随着世界高速列车市场的快速扩张，日本川崎、法国阿尔斯通、加拿大庞巴迪、西班牙CAF等世界知名高速列车制造商也加大对高速列车实时故障诊断技术的研究和资助。为确保真实运营车运行的安全可靠，所有故障诊断算法在投入车载运行使用之前，需通过实验室仿真环境和现场试验车环境所搭建的应用验证平台的大量测试与验证。因此，应用验证平台的研制和使用可有效降低研发成本、缩短研制周期和车上调试时间、提升车载应用的可靠性。与在正常运行的应用验证平台不同，故障诊断技术的测试与验证需要在系统故障运行场景下进行。

　　然而，一方面，现有的高速列车信息控制系统应用验证平台大多以模拟、仿真、验证高速列车正常运行行为为主要目标[22∼24]，缺乏安全、逼真的模拟或复现实际故障场景的手段，现有面向正常运行行为的应用验证平台难以用于对系统中各种故障的发生、演变及其对整个系统运行状况的时空影响进行实时模拟仿真。另一方面，高速列车信息控制系统结构复杂且包含大量的元部件，故障种类多，故障机理及故障症状十分复杂，导致故障的发生在故障场景表征上具有多样性和相似性，在时间上存在随机性和偶然性，致使系统故障运行状态下的数据隐藏在系统正常运行状态下的海量数据之中，导致故障特征和症状难以从大数据中挖掘出来。

　　此外，列车车载记录装置所记录的故障运行状态数据，存在明显的局限性，仅为特定工况条件下系统故障运行状态数据，无法保证待测故障诊断算法在其他不同工况条件下依然有效。因此，仅仅利用实际故障运行状态数据构建应用验证平台，对待测诊断算法进行测试验证的方案还不完备。通过上述分析可知，为推进实时故障诊断技术的车载应用，搭建专门用于实时故障诊断测试与验证的应用验证平台，亟需解决高速列车信息控制系统各类故障场景有效故障注入的难题。综上可知，面向实时仿真的高速列车信息控制系统中故障注入缺乏系统性方法和实现技术。本文首先综述了故障注入研究现状，然后，分析了面向实时仿真故障注入面临的问题与难点，并在此基础上从故障注入方法及其实时仿真的实现技术上给出了一些解决方案;最后，对高速列车信息控制系统故障注入未来的研究方向进行展望。

　　2研究现状

　　2.1故障注入

　　故障注入是20世纪70年代提出的一种故障仿真技术，当时并没有引起人们的注意，直到20世纪90年代才获得关注并迅速成为可靠性研究领域的一个热点[25]。故障注入本质是针对指定的故障类型，采用某种策略人为地将故障引入目标系统中，用于观察和分析目标系统在注入故障情况下的运行行为。常用的故障注入技术可分为3类[26∼28]:基于硬件、基于软件和基于仿真的故障注入。基于硬件注入的故障更接近于系统运行现场中发生的真实故障，但对集成度高、结构复杂且器件封装严密的系统进行故障模拟时，可能遇到故障位置不可访问的问题，导致许多硬件故障注入无法进行。

　　基于软件故障注入廉价且易于控制，但仅限于与软件有关的部分，研究表明，有2/3的故障无法通过软件故障注入完成[29]。基于仿真的故障注入覆盖故障类型广，可控性和可观测性高，成本较低，但模型开发耗时，故障可信度依赖于模型的准确性。国内外开展故障注入研究和应用的起源，主要是围绕军事装备、航天航空、核科学和高性能计算机中微电子设备、系统软件等的故障仿真问题。

　　在军事装备方面，文献[30]提出了一种基于全寿命周期数据的测试性验证试验优化设计与综合评估方法，并开发了具有通用性的导弹控制系统的故障注入与综合评估系统;文献[31]开发了基于CPCI工业控制计算机的故障注入系统，并应用该系统对某型导弹故障诊断系统的性能进行了静态测试验证。在航空航天领域，文献[32]针对长寿命无人航天器系统，采用基于VHDL的故障注入方法，解决了深亚微米技术中间歇性故障容错系统的可靠性评估问题。文献[33]针对飞行器中广泛部署的防碰应用程序，采用随机故障注入方式，模拟程序执行中暂时性故障，验证了所提一种程序级框架SymPLFIED。

　　围绕核环境中微电子设备的故障仿真问题，文献[34]开发了一个故障注入平台，用于评估Virtex-6FPGA对单粒子翻转(singleeventupset，SEU)或累积多个SEU的敏感性。文献[35]开发了一种基于VHDL的故障注入技术，用于分析间歇故障对复杂容错系统的影响。文献[36]提出了一种单比特错误(singlebiterror，SBE)故障注入框架，用于解决故障注入速度与SBE精度的折中与优化问题。文献[37]提出了一种新的故障注入方法，解决了COTS微处理器中SEU灵敏度的检测问题。在系统软件方面，文献[38]提出了一种面向非专门设计(off-the-shelf，OTS)软件的二进制级故障注入方法，用于评估OTS软件存在的风险。文献[39]提出一种分类算法用于提升现有软件故障注入的有效性。

　　3面向实时仿真的高速列车信息控制系统故障注入问题分析

　　本文主要考虑位置可访问的故障注入方法和位置不可访问的故障注入方法及其实现技术，位置可访问的故障，主要是指虚拟仿真对象发生的故障。在进行故障注入时，可以最大限度地利用分析、建模和试验过程中得到的大量输入输出变量，理论上可以通过对任意变量进行调理，或者直接替换模型的方式实现各种故障的注入与模拟。然而，高速列车信息控制系统结构复杂，自下而上分为元件级、部件级、子系统级和系统级4层。

　　相应的故障症状可能沿信号流方向在同层或邻近层进行传递，也可能自底向上逐层传递到部件层、子系统层乃至系统层，对系统的影响具有空间上的迁移特性;在老化的过程中，老化程度随着元器件使用时间的增加而逐渐加深，对系统的影响不仅具有空间上的迁移特性，还有时间上的演变特性，即具有时空上的变迁特性。故障的时空变迁特性导致高速列车信息控制系统故障的发生、发展和演变机理十分复杂，使得现有的故障注入方法难以解决高速列车信息控制系统中具有时空变迁特性的故障注入与模拟问题。位置不可访问的故障，主要是指实物对象发生的故障。对封装了的实物模块或部件进行测试时，无法开封、分解注入。直接对实物进行破坏性试验，可以实现实物的故障注入，但往往不具备可重复性，难以生成足够的测试数据，并且，针对同一对象不同种类不同程度的故障，需要进行不同的实物破坏性试验，显著提高了故障注入的成本。

　　此外，系统隔离保护的设置使故障症状变迁特性与无隔离性时不同，导致故障症状变迁关联、因果关系不同，给故障注入与模拟带来了困难。不同子系统运行状态和工作原理既有区别又相互影响。某一子系统发生故障不仅会造成本系统的不同元器件异常运行，也会通过各子系统间的联系进行传播并影响到其他子系统的运行状态。由于缺少系统级的故障注入体系架构，给高速列车信息控制系统各种故障的发生、演变及其对整车各子系统运行状况的时空影响的模拟带来困难。在高速列车信息控制系统实时仿真平台的某一时序路径中加入故障注入模块，会导致其他并行路径的时序紊乱，也会增加解算资源占用;对系统进行时序优化时，往往因其他路径时间裕量的增加而占用更多解算资源。而实时仿真平台的解算资源十分有限，扩展困难且价格昂贵，如何在现有解算资源的条件下实现高速列车信息控制系统各类故障的注入与模拟，也是故障注入实现所面临的难题。

　　4面向实时仿真的高速列车信息控制系统故障注入解决方案

　　4.1故障注入方法

　　4.1.1位置可访问的故障注入

　　针对位置可访问的故障，根据其故障特性可分为空间上具有迁移特性的故障和时空上具有变迁特性的故障。对于具有空间迁移特性的故障，若故障发生影响的是故障对象的输入输出变量，则使用基于信号调理的故障注入方法进行故障注入与模拟[55]。若故障发生影响的是故障对象的拓扑结构和机理模型，则使用基于模型替换故障注入方法进行故障注入与模拟[56∼58]。对于具有时空变迁特性的故障，故障发生不仅会影响故障对象的拓扑结构和机理模型，还会在机理模型中引入在时间上具有演变特性的参数，则使用基于信号调理和模型替换混合的故障注入方法进行故障注入与模拟[59]。

　　5高速列车故障注入研究趋势

　　在“走出去”“一带一路”“中国制造2025”等国家战略和部署的需求驱动下，作为我国高端轨道交通装备的代表，高速列车的智能化、数字化、集成化程度进一步提高。这必将进一步增强高速列车信息控制系统各子系统的内在联系和系统复杂性，致使故障场景更为复杂多样。这对实现更为安全、逼真模拟信息控制系统中复杂故障场景的故障注入提出了新的挑战。此外，国家“十三五”重点研发计划先进轨道交通重点专项中对时速400公里可变轨距高速列车的研制[70]，必将使高速列车运营里程和运营速度迎来新一轮提升，给高速列车信息控制系统运行的安全性提出更为严格的要求，为故障预测、健康管理等提升系统安全性可靠性的新方法和技术的车载应用验证研究带来了机遇和挑战。

　　作者：杨超1，2，彭涛1，2*，陶宏伟1，2，阳春华1，2，桂卫华

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