軌道交通車輛故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 琦，宋小寧，凌 飛

（ 中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，大連 116052）

軌道交通車輛故障診斷系統(tǒng)作為車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的重要部分，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的采集、處理、通信和調(diào)用功能，從而能夠發(fā)現(xiàn)、記錄、分析、報(bào)告故障和運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)車載各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和診斷。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

故障診斷系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)，車輛的通信網(wǎng)絡(luò)采用多功能車輛總線（MVB），用于車輛信號(hào)傳輸和控制，符合IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)要求。

車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，數(shù)據(jù)采集單元（DRU）、事件記錄儀（ERM）為故障診斷系統(tǒng)設(shè)備。DRU可采集車輛MVB總線上的所有子設(shè)備數(shù)據(jù)，記錄并存儲(chǔ)通用的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障信息；ERM從網(wǎng)絡(luò)中獲取車輛的重要事件進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過(guò)專用的診斷軟件進(jìn)行分析。

故障診斷系統(tǒng)通過(guò)MVB總線接入車輛網(wǎng)絡(luò)，與中央控制單元、遠(yuǎn)程輸入輸出單元、牽引控制單元、制動(dòng)控制單元、空調(diào)、門控單元等子設(shè)備交換數(shù)據(jù)；通過(guò)以太網(wǎng)與PC連接，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)維護(hù)、下載、分析和診斷；另外，通過(guò)在車載設(shè)備上安裝無(wú)線客戶端模塊、在地面安裝無(wú)線接入點(diǎn)模塊，實(shí)現(xiàn)DRU與地面服務(wù)器的無(wú)線通信。

圖1 車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，DRU支持1 GB RAM和8 G存儲(chǔ)空間，ERM支持512 MB RAM和2 G Flash存儲(chǔ)空間。ERM內(nèi)部的獨(dú)立非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊“黑匣子”是保存數(shù)據(jù)的重要存儲(chǔ)介質(zhì)，“黑匣子”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合IEEE 1482.1-1999標(biāo)準(zhǔn)，擁有IP54防護(hù)等級(jí)，保證了系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)不丟失，在不可預(yù)知的碰撞、火災(zāi)情況下，仍然能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，所以本系統(tǒng)使用ERM來(lái)記錄車輛的關(guān)鍵事件信息。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

DRU軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)和OpenPCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，滿足IEC61131-3工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的程序編制標(biāo)準(zhǔn)；ERM軟件基于Linux操作系統(tǒng)，使用ISAGRAF環(huán)境進(jìn)行應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)，使用MySQL實(shí)現(xiàn)診斷軟件的數(shù)據(jù)管理。

2.2 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)上電后，將收到的MVB總線數(shù)據(jù)寄存到固定的內(nèi)存中；同時(shí)，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到MVB總線，實(shí)現(xiàn)MVB通信。DRU搭載的VxWorks操作系統(tǒng)，主要完成與控制系統(tǒng)相關(guān)的底層通用功能，其為DRU上層控制應(yīng)用程序創(chuàng)建PLC任務(wù)，該任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)上層DRU應(yīng)用軟件可執(zhí)行文件的解析和執(zhí)行。ERM搭載的Linux操作系統(tǒng)主要完成與MVB通信、以太網(wǎng)通信和故障事件相關(guān)的底層通用參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)配置后為ERM應(yīng)用軟件提供可實(shí)例化的MVB端口數(shù)據(jù)、文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式和功能塊定義。由此，DRU的軟件系統(tǒng)由底層引導(dǎo)模塊、底層操作系統(tǒng)模塊、系統(tǒng)調(diào)用接口模塊和應(yīng)用層軟件組成；ERM軟件分為底層操作系統(tǒng)文件接口模塊、數(shù)據(jù)底層配置模塊和應(yīng)用層軟件組成。

系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)軟件功能需求，故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括文件系統(tǒng)配置模塊、初始化模塊、MVB通信模塊、底層驅(qū)動(dòng)模塊、DRU自檢模塊、文件記錄模塊和分析診斷模塊等。

（1）文件系統(tǒng)配置模塊：用于實(shí)現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)中對(duì)MVB總線設(shè)備地址、以太網(wǎng)IP地址、故障診斷信息等配置；

（2）初始化模塊：主要用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)模塊初始化、MVB初始化、硬件寄存器初始化和看門狗初始化等，在設(shè)備上電后啟動(dòng)軟件看門狗，防止程序跑飛，并能在程序跑飛后重啟設(shè)備，保證了通信的安全；

（3）MVB通 信 模 塊：用于實(shí)現(xiàn)基于IEC61375-1的MVB通信協(xié)議，完成MVB端口參數(shù)配置，完成MVB端口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，實(shí)現(xiàn)MVB通信；

（4）底層驅(qū)動(dòng)模塊：用于實(shí)現(xiàn)VxWorks與OpenPCS的接口驅(qū)動(dòng)，此模塊被封裝成庫(kù)，底層驅(qū)動(dòng)模塊中還定義了運(yùn)行記錄和故障記錄的功能塊，作為接口提供給應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)文件記錄功能；

（5）DRU自檢模塊：用于對(duì)DRU在上電啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行自檢，包括對(duì)系統(tǒng)任務(wù)初始化狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)是否正常進(jìn)行檢查；在工作時(shí)監(jiān)視任務(wù)的狀態(tài)和內(nèi)存的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)任務(wù)異?；蛘邇?nèi)存溢出等問(wèn)題，立刻報(bào)錯(cuò)并重啟操作系統(tǒng)；

（6）文件記錄模塊：用于將需要的車輛運(yùn)行通用數(shù)據(jù)和關(guān)鍵事件以文件的形式存儲(chǔ)記錄，記錄的文件可通過(guò)專用的診斷軟件進(jìn)行分析并查找故障原因等；

（7）分析診斷模塊：基于以太網(wǎng)通信基礎(chǔ)之上，用于與診斷軟件接口，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)文件的上傳和下載，主要用于維護(hù)、分析和診斷，該模塊還為應(yīng)用軟件OpenPCS和ISAGRAF在調(diào)試時(shí)，提供實(shí)時(shí)變量監(jiān)視和變量強(qiáng)制賦值的功能，便于調(diào)試。

軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3 故障診斷與數(shù)據(jù)分析

故障診斷系統(tǒng)完成車輛故障數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄和分析功能，記錄內(nèi)容按記錄方式分為兩種類型：觸發(fā)性記錄的故障數(shù)據(jù)和周期性記錄的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.1 通信接口

故障診斷和數(shù)據(jù)分析功能既可以使用以太網(wǎng)接口與PC相連，也可以通過(guò)在車載設(shè)備上安裝無(wú)線客戶端模塊、在地面安裝無(wú)線接入點(diǎn)模塊，實(shí)現(xiàn)DRU與地面服務(wù)器的無(wú)線通信。車載無(wú)線設(shè)備實(shí)時(shí)搜索周邊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)車輛回庫(kù)后車載無(wú)線設(shè)備檢測(cè)到車輛段無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將自動(dòng)通過(guò)該局域網(wǎng)將匯總的車輛歷史故障、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)文件傳輸至指定的管理服務(wù)器。地面服務(wù)器數(shù)據(jù)采集軟件收到數(shù)據(jù)記錄單元通過(guò)車載無(wú)線設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的車輛故障、運(yùn)行狀態(tài)等信息后，自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)和評(píng)估，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中并形成相應(yīng)圖表，可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)形成曲線、圖形、報(bào)表等，向用戶分類展示車輛運(yùn)用、故障診斷等車輛各方面的情況，為用戶提供故障評(píng)估、車輛維護(hù)與快捷服務(wù)的決策支持。車輛段管理人員可通過(guò)地面服務(wù)器軟件對(duì)車輛故障及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的車輛歷史數(shù)據(jù)做相應(yīng)分析統(tǒng)計(jì)。車輛段工作人員可使用專用的診斷與分析軟件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與車輛段服務(wù)器或車載數(shù)據(jù)采集單元建立連接，將所記錄的車輛故障、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC中，供車輛段工作人員對(duì)車輛故障及運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)做進(jìn)一步深入的離線分析。

3.2 故障診斷

故障診斷系統(tǒng)將故障劃分為3個(gè)級(jí)別，當(dāng)檢查到故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將按照每個(gè)故障等級(jí)采取定義好的如下動(dòng)作：

（1）一級(jí)故障信息：即關(guān)鍵信息，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)和服務(wù)會(huì)造成顯著影響的列車事故和故障，需要立即采取措施處理；

（2）二級(jí)故障信息：即次關(guān)鍵信息，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)和服務(wù)不會(huì)造成顯著影響的列車事故和故障，在列車返回車輛段之后采取處理措施；

（3）三級(jí)故障信息：即非關(guān)鍵信息，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)和服務(wù)不會(huì)造成影響的列車事故和故障，可在列車日常維修時(shí)排除。

TCMS系統(tǒng)人機(jī)交互單元HMI顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)故障和歷史故障；用戶可使用故障診斷軟件對(duì)故障記錄進(jìn)行查看和分析，同時(shí)查看故障發(fā)生時(shí)刻的關(guān)鍵信息，如級(jí)位、速度、輪徑等，故障診斷界面如圖5所示。

3.3 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

故障診斷系統(tǒng)通過(guò)WEBTIP軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。WEBTIP軟件分為維護(hù)工具和數(shù)據(jù)監(jiān)視工具兩部分，維護(hù)工具通過(guò)導(dǎo)入相關(guān)配置和數(shù)據(jù)庫(kù)文件決定需要解析的數(shù)據(jù)格式，如圖6所示，再通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)視工具在線實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)，也可以將記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出通用格式文件，并對(duì)文件（數(shù)字量數(shù)據(jù)和模擬量數(shù)據(jù)）分別以表格或曲線的方式進(jìn)行查看和分析，如圖7所示。

圖5 故障診斷

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)配置

圖7 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視

4 結(jié)束語(yǔ)

故障診斷系統(tǒng)是軌道交通車輛的核心系統(tǒng)之一，整個(gè)故障診斷系統(tǒng)包括設(shè)備硬件、操作系統(tǒng)、診斷軟件、監(jiān)視軟件和維護(hù)工具等。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)MVB接口獲取車輛故障數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，不間斷地記錄和存儲(chǔ)所有必要的數(shù)據(jù)；通過(guò)以太網(wǎng)接口下載車輛故障和運(yùn)行狀態(tài)信息，以分析和審查車輛子系統(tǒng)（包括牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、火警系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等）的運(yùn)行狀態(tài)和故障原因，采用基于WLAN的無(wú)線車地傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的自動(dòng)下載，節(jié)省了人力成本，提高了工作效率；且在不可預(yù)知的碰撞和火災(zāi)等情況下，能夠保持關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整性，確保數(shù)據(jù)安全。

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