城軌列車故障仿真培訓系統的研究

劉夢成，孔繁虹

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

城軌列車故障仿真培訓系統的研究

劉夢成，孔繁虹

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

城軌列車故障仿真培訓系統用于培訓列車駕駛員對故障的處理能力，使得駕駛員可以從容應對列車駕駛過程中出現的故障。本文主要使用SQLite數據庫管理軟件來建立故障數據庫，基于電路模型反推故障現象，根據故障現象查詢故障原因，并給出合理的故障處理建議，運用 Qt軟件進行界面設計和編程實現。

故障仿真；數據庫；電路模型

地鐵是一個龐大的系統，包括機械系統、電氣系統、通信系統。實際運行的地鐵列車故障診斷，最早開始于機械設備故障診斷，即狀態監測與故障診斷。但最高效的解決方法還應是地鐵駕駛員通過在地鐵模擬駕駛器上獲得的培訓。本文主要針對地鐵列車電氣系統的故障狀況進行研究并模擬故障現象。故障仿真系統獨立于地鐵模擬駕駛器之外，又與模擬駕駛有著重要聯系，是模擬駕駛過程中不可或缺的重要環節。

以上海市地鐵3號線為仿真對象，依據該線路的電氣線路圖和相應的司機駕駛操作手冊，在介紹故障仿真界面實現的基礎上重點介紹如何實現故障仿真培訓系統的各項功能。優勢在于可以嚴格按照電氣線路圖的元器件連接情況來實現故障現象的觸發，故障的設置可以涉及到每一個電氣線路的元器件，更加切合實際情況。本文所設計的故障仿真培訓系統由兩部分組成：（1）供教員使用，且需要輸入密碼才可以登錄的故障設置系統；（2）供學員使用，指導學員依據故障現象進行故障處理。

1 故障數據庫

1.1 故障數據庫的建立

仿真系統中故障顯示即故障的現象，而故障的原因排查即故障的機理。基于故障現象和故障原因的關系考慮建立具有3張表格的數據庫，本文使用SQLite數據庫管理軟件來構建故障數據庫。

數據庫中一共包含3張表格，依次為：Elements_List（元件表），Faults_List（故障現象表）和Suggestions_List（故障處理建議表）。第1張元件表用來存儲電氣線路中的電子元器件，如斷路器、繼電器、接觸器等，針對輔助逆變器這種具有整體模塊性的元件直接以模塊化存儲，如相應車廂上的AUX。此外，該表格中需要包含連接第2張表的共用判斷元件，已有的元器件可以直接使用，如MP1_ S3（MP1車上的電弓升弓到位行程開關），沒有的元器件則考慮新建一個器件，如Doors_Open（虛擬元件），但教員在設置元器件狀態時，不允許更改虛擬元件的狀態，即需要保證該元件處于正常工作狀態（1值）。第2張故障現象表用來存儲共用的判斷元件及相應的故障現象。第3張故障處理建議表，用來存儲供學員排查故障原因和處理建議，考慮到故障現象所對應的故障原因具有發生概率的問題，此處存儲的故障原因僅是發生故障頻率較多的故障元器件，所以第3張表與前兩張表沒有鏈接關系，但是培訓機構可以根據已有的故障處理經驗去更改這張原因-建議表，不需要修改原程序，可以直接在數據庫中更改。

1.2 故障數據庫的實現

Qt軟件除了提供QSqlQuery類，還提供了3個更高級的類來訪問數據庫，分別是SQL查詢模型（QSqlQueryModel），SQL表格模型（QSqlTableModel）和SQL關系表格模型（QSqlRelationalTableModel）。本文使用SQL表格模型來實現對數據庫的增加、刪除、查詢、更改功能。

教員在設置完故障，培訓學員結束時，需要把數據庫中的數據，恢復到初始狀態，以備下次培訓時使用。正常狀態時元件的isOK值為1，故障狀態時元件的isOK值為0。通過使用SQL語言中Update語句實現復位功能，實現程序如下：

query.exec("update Elements_list set isOK='1' where isOK='0'")

2 基于電路模型顯示故障現象的模擬實現

實際的故障檢測系統中會實時采集地鐵車載狀態的數據，能有效監視地鐵列車行車過程中各種運行狀態量的變化過程，并基于這些故障數據進行分析，及時進行故障診斷和處理，并對這些故障數據進行存儲備份。本文中的地鐵列車故障仿真培訓系統分為教員故障設置系統和學員故障處理系統兩部分，它們之間共用同一個數據庫。

針對復雜的地鐵列車的電氣線路，所有諸如斷路器、繼電器等元件定義為基本類Element，而元件是否正常工作不僅與狀態值相關，還與其輸入有關。從而在Element中定義QList ＜Element*＞類型的類成員inputElements，使用鏈表結構來存儲輸入的元件，構成輸入元件集。而元件的輸入關系有兩種：相互之間為“與”關系的輸入，直接使用QList下的append()函數進行添加；相互之間為“或”關系的輸入，額外添加虛擬的“node”節點來實現。部分程序如下：

void addOneInput(Element *e) {

this-＞inputElements.append(e);

}

void addAllToOneInput(QList＜Element *＞ eList) {

Element *n=new Element("node", eList);

this-＞inputElements.append(n);

}

以上海地鐵3號線列車上110 V永久電壓得電為例，考慮到需要顯示故障現象，基于電路模型的元器件邏輯關系如圖1所示。

圖1 110 V永久電壓得電與否的示意圖

其中Line_506表示110 V永久電壓的電源線，MP_S3表示列車升弓到位開關，TC_AUX表示TC車上輔助逆變器模塊，M_AUX表示M車上輔助逆變器模塊，node表示引入的用于表示“或”關系的節點，PEVCB表示列車永久電壓斷路器，BATCB表示列車永久電源斷路器。MP_S3，PEVCB，BATCB，TC_AUX或者M_AUX，同時得電，才可以使得Line_506線得電，也就是獲得110 V永久電壓。110 V永久電壓的獲得既可以通過TC車的輔助逆變器獲得，也可以通過M車的輔助逆變器獲得，所以兩者之間是“或”的關系。所以其電路模型可以通過如下的程序來實現：

line_506-＞addOneInput(mp_s3);

line_506-＞addOneInput(pevcb);

line_506-＞addOneInput(batcb);

QList＜Element *＞ tc_m_aux;

tc_m_aux.append(tc_aux);

tc_m_aux.append(m_aux);

line_506-＞addAllToOneInput(tc_m_aux);

其中，line_506存儲Line_506，mp_s3存儲元件MP_S3，pevcb存儲元件PEVCB，batcb存儲元件BATCB，tc_aux存儲元件TC_AUX，同理m_aux存儲模塊元件M_AUX。

3 依據故障現象查詢故障原因及建議功能實現

數據庫第3張表是Suggestions_List表，實現的功能是查詢故障原因并給出相應的建議。例如，對于列車的開門故障原因和建議列表如圖2所示，其實現是通過使用SQL語言中SELECT DISTINCT語句查詢故障現象“faults”列，并添加到ComboBox控件中，以供學員自己去選擇故障，然后系統會自動根據“faults”去數據庫中查找到該故障現象對應的故障原因及相應的描述、位置、處理建議。

圖2 故障數據庫中Suggestions_List表

4 仿真實現及結果

教員通過輸入登錄名和密碼登錄故障設置系統，如圖3所示。通過界面中Button控件可以選擇相應的表格對數據庫進行操作，實現增加、刪除、查詢、修改功能。其中控件元件庫，故障現象庫和故障處理庫分別對應數據庫中的Elements_List（元件表），Faults_List（故障現象表）和Suggestions_List（故障處理建議表）。

圖3 教員故障設置系統

本文以地鐵司機按下開門按鈕（左門或右門），地鐵列車的左門或右門均無法打開這一故障現象為例，進行仿真。

教員在開始進行故障設置前，先點擊“復位初始值”Button控件，復位所有元器件的狀態值，然后再通過更改設置元器件的狀態值（0或1）進行故障設置，1表示元件處于正常工作的狀態，0表示元件處于故障狀態，如圖3中所示，設置DOCB（車門開斷路開關）處于非正常工作狀態（0值）即故障狀態。教員通過選擇相應的元件庫，找到需要設置故障的元件，更改狀態值，從而依據程序中設計的電路模型去模擬電路的邏輯關系，顯示出故障現象。除了以上的故障設置方式，教員還可以通過查詢功能（點擊“查詢”Button控件或者直接按鍵盤上的Enter鍵）實現快速查找到希望設置故障的元器件，從而進行故障設置，如圖4所示。

圖4 快速查找元器件的功能

教員設置好故障后，學員系統中學員通過點擊Button控件“顯示故障現象”，在空白區域顯示故障的現象，圖5所示故障現象為：司機按下DOPB_A開左門或DOPB_B開右門所有門不打開，其余的如110 V列車啟動后電壓、升弓是否到位的狀態，則都顯示為正常工作狀態。

為了達到培訓目的，學員需要手動選擇故障類型，通過Button控件查詢故障原因。

在查詢到可能的故障原因后，學員點擊Button控件“故障處理建議”，在頁面上會顯示出對應故障原因的故障處理建議。司機按照系統給出的提示去檢查該元件是否有故障，如果故障解除，則表明問題解決了。如果故障沒有解除，則按Button控件“原因（Next）”繼續查找下一條故障原因，以及相應的故障處理建議。

圖5 學員查看故障現象

5 結束語

本文采用SQLite數據庫管理軟件實現了故障數據庫的建立、存儲，基于電路模型，使用Qt軟件實現界面設計以及調用數據庫，初步培訓學員熟悉故障處理的各項操作。這對于司機在駕駛列車過程中遇到故障事件，提高其應急處理能力具有重要的現實意義。

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責任編輯 陳 蓉

Troubleshooting Simulation Training System for train of Urban Transit

LIU Mengcheng, KONG Fanhong
( School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China )

The Troubleshooting Simulation Training System for train of Urban Transit was benef i cial to improve the driver’s ability of fault handling for train operation. This paper used the SQLite database management software to set up faults database, reversed the failure phenomenon based on the circuit model, inquired the failure cause on the basis of failure phenomenon, proposed rational suggestion of fault handling. Qt software was used for interfacial design and programming implementation.

troubleshooting simulation; database; circuit model

U231.9∶TP39

A

1005-8451（2015）10-0064-04

2015-01-28

劉夢成, 在讀碩士研究生；孔繁虹，副教授。