車輛綜合信息記錄儀在軌道交通車輛中的應用

龔 偉， 龔澤豐

1. 上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245 2. 香港中文大學(深圳) 深圳 518172

1 研究背景

目前，軌道交通車輛運行的安全隱患除責任機制和安全監督不到位外，還包括技術支持不足。技術支持不足在城市軌道交通安全管理工作中是一個重要的安全影響因素，它導致了城市軌道交通安全管理工作難以進行[1]，一旦發生故障，故障原因如何判斷，是司機人為操作因素還是設備本身原因，運營部門和設備維護部門往往爭論不休。此外，雖然車輛上有故障記錄儀，但是僅記錄故障現象，調查故障原因往往要花費大量人力和物力。

車輛綜合信息記錄儀匯集各方面綜合信息，包括司機和沿路軌道的圖像與聲音信息，可以將管人、管車和管安全有機結合起來[2]。筆者就此探討車輛綜合信息記錄儀在軌道交通車輛中的應用。

2 車輛綜合信息記錄儀系統

車輛綜合信息記錄儀，俗稱黑匣子，原本是航空器上的專用電子設備，主要記錄航空器各個機械部件和電子儀器儀表在航空器停止工作或失事前0.5h的語音對話和2h的飛行參數, 需要時將所記錄的內容解碼，可供飛行試驗、事故分析使用。目前，記錄介質從最早的磁帶式改進成為能承受較大沖擊的靜態存儲式[3]。車輛綜合信息記錄儀系統主要由中央處理器(CPU)模塊、輸入輸出模塊、多功能車輛總線(MVB)模塊、事故數據記憶模塊、電源模塊和數據擴展模塊組成，如圖1所示。

圖1 車輛綜合信息記錄儀系統示意圖

(1) CPU模塊。CPU模塊是整個系統的控制中心，負責系統的運算、控制和管理工作。CPU模塊主要接收信號和變量，并將數據記錄在事故數據記憶模塊中。CPU模塊內嵌網絡訪問服務器，可以在線監測信號，并進行故障診斷。CPU模塊基本功能包括： ① 啟動和自動測試系統；② 輸入輸出信號的取樣及報警；③ 內存鏡像存儲冗余控制；④ 實時管理和全球定位；⑤ 車輛內部網絡的維護和數據傳送；⑥ 外部局域網的維護和配置；⑦ 系統自診斷和故障代碼輸出。

(2) MVB模塊。MVB是軌道交通車輛之間和車輛內部設備互聯、傳送控制、檢測與診斷信息的數據通信網絡，是一種主要用于有互操作性和互換性要求的互聯設備之間的串行數據通信總線[4]。為了提高系統的可靠性，在MVB模塊中采用了冗余技術。

(3) 以太網通信。以太網通信的主要功能是進行大數據量的傳輸，適用于對實時控制通信要求不高的場合，如車載廣播系統、視頻系統、故障信息傳送等。

(4) 模擬與脈沖信號。由于系統需要采集脈沖和模擬信號，如電機和車軸的轉速、制動管道的壓力等，因此配置了驅動電路來滿足系統的驅動要求[5]。輸入脈沖信號的頻率最高為20kHz，模擬信號可以采用電流源或電壓源，輸入電流的范圍為 0～20mA，輸入電壓的范圍為0～10V。

(5) 數字信號。與數字信號匹配的輸入輸出模塊具有快速數據處理能力。為了提高系統抗干擾性能和過壓過流保護能力，設置了電隔離過濾器和高低電位測試點，并增設濕性電流保護線路來對線路觸點進行抗氧化保護[6]。

(6) 事故數據記憶模塊。事故數據記憶模塊具有數據存儲功能，可以按事件重要性、超過設定值幅度和時間先后來存儲。針對不同性質的數據，可以通過軟件來定義不同的數據存儲方式。本系統數據存儲采用鏡像內存技術，用來創造內存的冗余副本，從而確保當某個存儲器失效時，能夠自動利用備用內存找回數據[7-8]。每個通道都有一套完整的內存數據拷貝，從而保證服務器的平穩運行。所使用的事故數據存儲器應符合IEEE 1482.1標準要求，其基本功能包括： ① 在事故狀態下能夠承受沖擊、振動、擠壓，以及水和火的考驗，且時間不短于2h；② 所存儲關鍵信息和數據連續時間不短于2h；③ 所存儲司機室影像和聲音信息不晚于事故發生前30min。

(7) 電源模塊。電源作為整個系統的動力中心，采用電隔離技術，具有過流、過壓等保護功能。此外，還設有專門的供電蓄電池，可確保在斷電的情況下連續工作250h。

3 安裝

通常一列列車配置1～2臺車輛綜合信息記錄儀，可分別設置在車頭車尾的電氣柜中，一般建議記錄4類數據。

(1) 車載設備現狀，包括主控制器的手柄位、列車控制系統的運行狀態等。

(2) 列車現狀，包括司乘人員編號、列車行駛方向、列車停放制動狀態等。

(3) 列車運行實時信息，包括速度、里程、總風缸壓力、車載質量等。

(4) 操作和監控相關數據，包括常用制動施加、緊急制動觸發、開關門等。

車輛綜合信息記錄儀接線如圖2所示。

圖2 車輛綜合信息記錄儀接線示意圖

4 軟件設計

車輛綜合信息記錄儀在車輛運行過程中記錄所有涉及運行安全的參數，不僅提供分析事故的重要依據，而且可以有效避免事故的發生。車輛綜合信息記錄儀的軟件設計包括基礎軟件和系統分析軟件兩部分，基礎軟件的作用是真實記錄運行車輛的參數，系統分析軟件則可以對數據進行科學分析。

基礎軟件基本功能如下。

(1) 通電自檢。一旦通電，系統會測試各存儲單元的工作情況，并進入等待狀態。如果測試不通過，系統會顯示故障代碼，故障繼電器激活，通知CPU。

(2) 電源關閉程序。正常電源關閉程序會在關閉電源之前將系統從數據記錄狀態切換至系統禁用狀態，從而確保數據存儲的安全性。

(3) 數據傳送和存儲。當系統確認數據傳送和存儲功能正常后，系統進入運行模式。在運行模式下，有三種布爾變量決定系統運行狀態，具體為記錄命令、記錄激活和便攜式測試設備維護需求。系統運行狀態包括禁止、準備、記錄、維護和記錄超時等，通過各種系統運行狀態確保數據傳送的有效性和正確性。

系統分析軟件基本功能如下。

(1) 數據存儲。車輛綜合信息記錄儀所記錄的數據非常多，為確保原始數據的真實性，使用時間值，以及車輛和記錄儀編號作為數據庫的表頭，然后將數據存儲到表頭對應的數據庫中。一旦數據被完整存儲，將不再允許向對應數據庫中添加或刪除任何內容。為防止下載數據中出現錯誤，可以同時從備份鏡像數據存儲器中下載數據。

(2) 數據處理。根據數據庫的表頭讀取相對應一個或幾個文件，重新合并，同時生成一個新文件，用以防止用戶在數據分析過程中修改或刪除原始數據中的內容。系統分析軟件中的數據庫如圖3所示。數據處理模塊具有同時處理30個數字和模擬信號的能力，通過調用Matlab軟件曲線擬合功能，可以對運行參數進行數據轉換[9]。數據分析時，可以人為定義故障時間段，選擇相應的變量組合來判斷故障產生的原因。在選擇屏上可以對文件進行選擇、下載、修改和刪除，同時選擇相應的變量和圖形顯示形式，如圖4所示。

圖4 數據文件操作截圖

5 應用實例

圖5為車輛綜合信息記錄儀記錄的列車在調試過程中沖出終點并撞壞端墻事故的各參數曲線，表1為各時間節點數據分析結果。司機在接近終點時兩次從快速制動位拉回至運行位，起始最高速度為 90.13km/h。列車剛撞擊端部止擋時，速度為 40.01km/h，之后第二次撞擊端墻，速度為 29.33km/h，最終列車失電速度為11.9km/h。列車從90.13km/h開始運行了786m受到撞擊，歷時34s，之后1s又撞擊端墻。根據上述記錄分析，得出結論為這是一起嚴重的因司機違反操作規程而造成的事故。

6 結論與展望

隨著無線通信技術的發展，通過無線局域網通信設備，車輛綜合信息記錄儀與地面車輛控制中心可以進行實時通信。通過數據交換，控制中心可實現對車輛的監控。與此同時，通過對記錄數據的讀取分析，控制中心可實時監督司機操作，并提供相應的協助[10]。

筆者對車輛綜合信息記錄儀在軌道車輛中的應用提出設計方案，目前僅實現車對車的監控。車輛綜合信息記錄儀的應用是一項系統工程，還需要實現車對地和地對車的監控[11-12]，將與行車安全有關的所有裝備都納入監控之中，這樣才能真正保證行車安全。

圖5 車輛綜合信息記錄儀事故參數曲線

序號時間操作速度/(km·h-1)距離/m110:18:24 49A取消激活00210:18:25 50A激活司機室00310:18:27 50A緩解制動00410:18:33 50A開始牽引00510:19:01 50A開始惰行90.13383610:19:03 50A方向駕駛列車到達最大速度92.74435710:19:26 50A惰行結束85.62991810:19:26 50A施加快速制動85.62991910:19:28 50A施加緊急制動83.3610401010:19:35 50A迅速離開快速制動位,并于200ms后回到快速制動位40.0111691110:19:36 50A第二次離開快速制動位29.3311741210:19:36 50A丟失司機室激活信號和手動駕駛模式信號29.3311741310:19:38 列車失電11.991182

[1] 汪文忠.城市軌道交通安全現狀及對策[J].交通與運輸，2015，31(4)： 38-39.

[2] 齊光石，王長千，王守利，等.“車保姆”診斷維護系統的開發研究[J].科技與生活,2010(19)： 119-120.

[3] 姚長鴻,夏鐘興,陳永耀.“互聯網+”下黑匣子技術在電梯安全系統中的應用研究[J].科研,2016，11(4)： 229-230.

[4] 于曉娜,王建敏,王懷江.基于多功能車輛總線(MVB)的消息數據傳輸協議[J].鐵路通信信號工程技術,2017,14(1)： 22-25.

[5] 崔世海,肖蕙蕙,李山.基于ARM的汽車綜合信息記錄儀的研究[J].現代電子技術,2007，30(12)： 17-19，25.

[6] 薛麗芳.汽車電子中CAN總線應用分析[J].電子技術與軟件工程,2015(1)： 256.

[7] 張禎，袁愛東，高劍剛.服務器內存數據保護技術淺析[J].硅谷，2008(12)： 40，33.

[8] 毛秀青，陳性元，楊英杰，等.基于增量服務器的持續數據保護機制[J].計算機工程，2012(12)： 48-51.

[9] 周權.飛行參數記錄儀分析系統的軟件設計與實現[D].成都： 電子科技大學，2011.

[10] 張軍.汽車行駛記錄儀應用技術及發展趨勢分析[J].道路交通管理，2010(8)： 48-49.

[11] 康熊，管天保，黎國清，等.滬寧線行車安全綜合監控系統的研究[J].中國鐵道科學，2002,23(3)： 1-5.

[12] 龔偉.大數據地鐵車輛牽引系統故障診斷技術的分析[J].上海電氣技術，2017，10(1)： 1-4，10.