動車組人機交互控制系統故障成因分析與診斷研究

張幼慶 許帥帥 中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段

動車組人機交互控制系統，是動車組與司乘人員、乘客之間的聯系與接口界面，是動車組安全高效運營及提高旅客乘車體驗的重要設備。在CRH3型動車組（包括CRH3C、CRH380BK、CRH380B、CRH380BL等型號）中，其全列人機交互控制系統，簡稱HMI，主要實現牽引指令、制動指令的串行傳輸狀態檢測，設備的切除、復位，空調溫度控制，乘務員支援，服務設備控制，數據記錄與顯示，車上試驗等。

每組短編組動車組自然列中，包括兩頭車各兩套互為熱備的監控系統，另外在監控室有另一套監控系統，即全列共五套人機交互系統；每組長編組動車組自然列中，每臺CCU對應一臺HMI，即全列共八套人機交互系統。其基本供電及通信，如圖1所示。

圖1 HMI供電及通信連接位置

隨著動車組運用檢修的不斷深入，動車組數量不斷增加，相對應的動車組維護壓力也越來越大，對部件檢修要求不斷提升，對動車組監控、控制設備的檢修要求也越來越高。

2013-2017年間，CRH3型車人機交互系統共因故障更換193套，且故障數量呈逐年上升趨勢。

面對較大檢修壓力，動車組人機交互設備故障，無法實現自行維護，僅能進行簡單和初級的檢修。由于西門子等生產商技術封鎖與壟斷，相關內容路內尚無先例，無法獲得相關參考。查閱相關領域文獻及研究成果，其類似領域研究主要集中在汽車中央控制等方面，與動車組人機交互控制有較大區別，借鑒意義有限。

1 故障情況分析

1.1 故障情況整理

基于2013-2017年CRH3型動車組檢修記錄，對193套人機交互系統故障進行了整理統計。其故障主要表現為：監控系統不啟動、監控系統顯示異常、通信傳輸異常、監控屏觸摸不良和其他異常。統計結果如表1所示。

表1 故障現象統計

由此可知，在HMI故障統計中，主要是不啟動和傳輸異常。

為了分析對應故障現象的產生原因，通過對收集到2016年9月-2017年3月間主要因故障換下的動車組全列人機交互控制系統，總計56套，進行了故障類型統計。

1.2 故障情況分析

通過對于系統的大量拆解測量分析，對各種故障原因進行了分析整理。根據分析整理，確定故障主要來源，基于數據分析，可知占比較多的故障原因為：傳輸模塊異常，高壓驅動部件異常，CPU模塊異常，電源模塊故障，觸屏老化，SRAM模塊異常，液晶驅動模塊異常，傳輸及轉換模塊異常。此外，還有少量轉換模塊故障及殼體故障。

綜上所述，HMI故障原因重點集中在部分PCB電路出現故障。進一步分析，發現PCB主要存在電容、二極管擊穿，IC燒損等問題。基于現象，推測由于過電壓、不平衡電流導致了擊穿故障。

2 車上數據采集裝置設置

選擇某CRH380BL型動車組，選用Rhode&Schwarz 100985型四通道示波器，安裝在EC00車操縱臺內。由司機室配電柜內BD 110 V斷路器出線端供電，并通過逆變器逆變為AC 220 V為示波器供電；通道分別監測各參數值。安裝位置如圖2所示。

圖2 監測設備安裝位置

其基本連接方式如圖3所示。

圖3 示波器安裝原理

3 數據采集與分析

3.1 監測數據

監測數據如表2所示。

表2 監測數據

其中，CH4通道監測Compact I/O模塊24 V供電，與HMI進行對比。設置CH2通道觸發記錄電平120 V/130 V對數據圖像進行記錄。

3.2 車上操作與數據采集

對蓄電池進行兩次開斷試驗，對主斷路器進行四次合斷操作，對頭燈進行兩次切換操作，對緊急通風裝置進行兩次通斷操作。操作結果如表3所示。

表3 操作結果

圖4 第一次合斷主斷路器觸發

圖5 第二次合斷主斷路器觸發

圖6 第三次合斷主斷路器觸發

圖7 第四次合斷主斷路器觸發

3.3 數據分析

由觸發情況可知，DC110 V輸入瞬變，主要與合斷主斷路器存在關聯，與其他操作包括合斷蓄電池、操作應急通風和頭燈等無明顯聯系。基于波形圖可知，直流110 V電源的瞬變形式存在不同，在最極端狀態下（第三次合斷主斷），阻尼正弦波持續0.8 μs，同時出現了一個4 MHz高次諧波。

該諧波可能由主斷路器本身兩側的寄生電容和電感引起，或臨近部件如電壓互感器，過壓抑制器，接地開關，電纜，主變壓器和接觸網等引起。此外，主斷的電弧放電特性連同寄生元件也可能是造成這一現象原因，從而導致列車發生很強的瞬變。相應瞬態變化，極易導致HMI內各元件老化加速或超限擊穿。

4 檢修工藝開發

針對故障件檢修，由于相關技術完全由生產商壟斷，且相關生產商拒絕提供相應系統最小單元配件；同時，對于人機交互控制系統，不同型號設備、不同板卡的故障均不相同，因此，適應于特定故障的最佳檢修工藝方案也不確定。

對于自主檢修工藝，主要有元件修、換件修及混合修三種方案。元件修即對故障部件進行元件級檢修；換件修即將故障部件模塊更換；混合修即對有條件部件進行元件修，其他進行換件修。

因此，針對以上主要故障，需分別進行分析，制定相應計劃，進行方案對比，并針對性提出最佳檢修工藝方案。

為了實現檢修工藝分析，需要對各故障模塊進行分別分析。具體分析過程，需要對各故障模塊功能、分區、性質進行確定，后對其進行原理倒推，逆向繪制相關原理圖，明確故障模塊上各元件工作原理，精確定位故障元件位置并分析故障產生原因，對相應故障元件進行針對性討論。具體分析如下：

（1）高壓驅動部件異常

通過對該板路分析，其主要故障點集中于鉭電容擊穿、高頻變壓器燒損，該故障模塊適用于元件修。

（2）電源模塊故障

通過對該板路分析，其主要故障點集中于電容擊穿、肖特基二極管擊穿、穩壓IC老化及電路主板擊穿，適用于混合修。

（3）SRAM模塊異常

通過對該板路分析，其主要故障點集中于PC104損壞，可采用元件修。

（4）CPU模塊異常

CPU模塊零部件較多，其南橋組，北橋組及CPU所涉及IC封裝雖然易于購買，但由于整版布局密，且絕緣保護級別高，加工難度極大，且加工后難以保證整板的安全性，因此適用于換件修。

（5）傳輸模塊異常

實際故障中，主要以89C51老化、82C250損壞等為主要原因，適用于混合修。

（6）各種連接異常

連接異常僅需目測或簡單表具測量，較為簡單。更換過程也相對簡單，適用于元件修。

（7）傳輸及轉換模塊異常

實際故障中，主要以MCU老化、收發器損壞等為主要原因，適用于混合修。

5 應用效果

目前，對于55套全列人機交互控制系統設備，共完成檢修48套，修復率達到87.27%，平均檢修時間約為2.18 h，平均檢修成本252.88元。作為高價部件，更換48套人機交互控制系統，所需成本總計768萬元（每套平均單價16萬元）；相應修復成本總計1.21萬元。考慮修復后產品20%壽命損失，目前該項目為動車段節約直接經濟成本614萬元，項目預計全年可為節約直接經濟成本1053.3萬元。

相關技術在全路推廣后，可以取得可觀的直接經濟效益。同時，通過相關技術的推廣，能夠提高動車組部件自主檢修率，提升檢修人員自主化意識，推進動車組自主檢修的發展，為實現動車組完全自主檢修提供幫助。