靈活編組動車組網絡實時顯示系統設計

張廣吉

（中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266031）

目前，我國鐵路投入運營的動車組基本采用8輛或16輛的固定編組模式，旅客運輸在春運、節假日、寒暑假等期間會出現短期客流高峰，而在淡季時出現客流大幅減少等現象，造成客流量的不平衡，采用固定編組模式，在動車組上座率較低的時候，造成資源的浪費[1]。因此設計維修簡便、靈活編組、動態調整運力與客流需求相匹配、具備良好經營效益的動車組成為迫切需要，靈活編組的動車組對客流變化較大線路具有重要意義，既可以很好地滿足旅客出行需求，又可節省運營成本[2]。

本文依托可變靈活編組CRH3X[3]動車組及CRH3X動車組的網絡控制系統，設計網絡顯示屏實時顯示系統。顯示屏是在動車組上完成人機對話和系統信息顯示及反饋的重要設備，它為司機正確操作和控制動車組、及時掌握動車組工作狀況起到了至關重要的作用[4]。

1 總體方案

本文設計是基于Linux嵌入式操作系統，用Qt Creator開發工具開發，對實時顯示系統的實現方法進行研究[5]。實時顯示系統架構，如圖1所示，顯示系統主要實現與網絡控制系統中央控制單元的通信，并根據中央控制單元發送的數據實時顯示當前車輛的狀態，另外可以通過顯示系統發出控制指令，比如控制空調溫度等。顯示系統由電源模塊、中央處理器（CPU ，Central Processing Unit）、通信板卡及人機接口（HMI，Human Machine Interface）顯示屏組成[6]，電源模塊實現DC110 V轉DC5 V，為CPU、通信板卡、HMI顯示屏供電；通信板卡通過多功能車輛總線（MVB，Multifunctional Vehicle Bus）實現與中央控制單元的通信；底層通信程序和應用程序運行在CPU上，將數據實時轉換，通過串行通信端口（COM，Cluster Communication Port ）用戶界面（UI，User Interface）；HMI顯示屏負責 UI界面顯示。UI結構樹，如圖2所示[7]。

圖1 實時顯示系統架構

圖2 UI界面結構樹

本文設計的靈活編組動車組實時顯示系統，解決了顯示屏軟件不能實時顯示多種編組形式的難題，避免編組形式變化后需要人工進行配置的問題。在顯示屏軟件開發過程中，因其編組數量的靈活性及不確定性，較于固定編組的動車組網絡控制系統顯示屏增加了開發難度，因此，實時顯示系統通過設計大小端及拖車模式、界面重繪機制、動態關聯變量、故障變量與網關賬號綁定等創新措施，解決了獲知實時編組數量、實時顯示當前車輛狀態、判斷發生故障部件的物理位置等難題，最終完成了可靈活編組的動車組網絡控制系統顯示屏實時顯示系統的開發[8]。

2 靈活編組模式

2.1 動車組顯示屏位置

每個司機室內設有相互冗余的兩臺顯示屏，其中，駕駛位置的左側為主屏，右側為從屏，正常情況下主屏和從屏都可以顯示所有信息，但只有主屏可以發出操作命令，如果主屏發生故障時，從屏需要代替主屏，既可以顯示所有信息，還能發出操作命令。另外在餐車還設有一個乘務員顯示屏，該顯示屏只有司機室顯示屏的部分功能，本文不再介紹。

2.2 動車組編組模式

本文開發的實時顯示系統滿足最大車輛編組為10編組，最小車輛編組為1編組，即帶司機室的動車可以單獨運行，其動車分布在動車組的兩端，定義物理車號較小的動車為小端，物理車號較大的動車為大端，拖車分布在小端動車與大端動車之間。大小端動車編組最多分別為3編組，拖車最大編組為4編組，圖3為3-4-3編組形式，拖1車具有餐車功能。

圖3 3-4-3編組形式

2.3 動車組靈活編組模式

為實現動車組的可靈活編組，在10編組時共需要6個網關（不考慮冗余情況），大端動1、小端動1各有一個網關，每輛拖車各有一個網關，所以在靈活編組時，動車組上的網關數量為小端、大端及拖車數量的總和，這樣動2車、動3車及拖車的數量可以在不超過規定編組數量時自由組合，而不影響整車的通信，從而可實現靈活編組動車組的目的。當小端動1車司機室鑰匙激活時，即小端動1車占用時，小端動1車、拖1、拖2、拖3、拖4和大端動1車的網關依次為網關1—6；當大端動1車占用時，大端動1車、拖4、拖3、拖2、拖1和小端動1車的網關依次為網關1—6，即占用端網關賬號為1。

3 靈活編組與固定編組實時顯示系統的區別

3.1 動車組編組數量的多變性

（1）固定編組實時顯示系統因其編組數量的固定性，在顯示屏啟動時就完成了整個界面的初始化，只有涉及到連掛時才會出現編組數量的變化，顯然固定編組實時顯示系統的編組數量只有2種情況，連掛和非連掛，所以在實時顯示系統中可以把2種界面都畫進去，只根據連掛和非連掛切換不同的模式。

（2）靈活編組實時顯示系統的編組情況不僅僅是簡單的幾種，不能使用枚舉法把每種可能的編組方式都畫出來，只能根據車輛編組方式的變化實時重繪顯示屏界面的圖標，并且需要在不進行網絡復位的情況下實現，這無疑增加了實時顯示系統的開發難度。

3.2 關聯變量

（1）由于固定編組動車組（以8編組為例）單列時只有2個網關（不考慮冗余），把列車分為2個半列，每半列4節車，分別為1、2、3、4車，固定編組實時顯示系統的每個變量都帶有網關號信息，可以根據網關號的不同區分位于哪一個半列，再根據1、2、3、4車信息就可以判斷其對應的實際的物理車號，進而正確地與顯示屏界面的控件相關聯。

（2）靈活編組實時顯示系統由于網關及動車數量的不確定性，無法在程序中預先把每個控件與變量相關聯，只能根據實際編組中網關及動車數量確定后，再動態地關聯變量，這也增加了實時顯示系統的開發難度。

3.3 故障顯示的車輛號信息

（1）固定編組動車組的故障信息中給出的車輛號是邏輯的車號，只需要根據當前占用情況，就可以得到實際的物理車號，以8編組為例，當物理1車占用時，邏輯1—8車即為物理1—8車，當物理8車占用時，邏輯1—8車即為物理8—1車。

（2）靈活編組動車組的編組數量是變化的，根據不同的編組組合選擇不同的故障庫也是不現實的，因此靈活編組動車組的故障信息給不出對應的邏輯車號，從而無法直接得到真實的物理車號，所以只能根據實際的情況再進一步計算得到故障的實際物理車號。

4 解決方法

實時顯示系統可以實時得到車輛編組大小端動車數量和拖車數量，可以根據得到的當前編組情況實時地重繪顯示屏界面，具體的解決方法如下。

4.1 實現圖標重繪

需要實時監測車輛編組大小端動車數量、拖車數量的變化，一旦發現編組信息發生變化和編組數量相關的顯示屏界面就執行初始化程序，對其進行重繪，使顯示屏界面與實際的編組情況相符合。在界面開發中，定義各種類型的圖標，例如車輛圖標，觀察發現，其涉及4種不同類型的車輛：占用端頭車，非占用端頭車，非頭車動車及拖車，4種類型車輛圖標，如圖4所示。

圖4 占用端頭車、非占用端頭車、非頭車動車及拖車圖標

當顯示屏得到動車組大小端及拖車編組數量時，初始化顯示屏界面，確定所需要的圖標；再根據大小端占用情況確定各個圖標的位置，標注當前車輛代表的物理車號。當車輛編組大小端編組都為3，拖車編組為4，小端占用時的車輛排列，如圖3所示；當小端編組為2，大端編組數為3，拖車編組為3，小端占用時的車輛排列，如圖5所示。其他圖標可以通過同樣的方法進行重繪。

圖5 2-3-3編組形式

4.2 實現變量關聯

在關聯變量時，因為動車組編組數量及網關數量的不確定性，無法確定非占用端動車的網關號，無法直接關聯變量。首先應該確保動車組無論采取何種編組時，都可以收到每輛車的變量信息，研究發現，動車組網關帳號最大為6，一個網關下最多有3輛車，所以可以在顯示屏程序中定義一個6行3列二維數組ac[6][3]，如公式1所示，行表示網關帳號，表示最多6個網關，列表示此網關下車輛號，表示一個網關下最多有3輛車，這樣不論編組形式如何變化，均可以在定義的二維數組中找到對應的變量。以表1所示的空調狀態變量為例，當編組形式為3-4-3且物理1車占用時，acD1G1、acD2G1、acD3G1、acD1G2、 acD1G3、 acD1G4、 acD1G5、 acD1G6、acD2G6、acD3G6分別表示小端動1車、小端動2車、小端動3車、拖1車、拖2車、拖3車、拖4車、大端動1車、大端動2車、大端動3車空調狀態變量，如表1所示，即物理1車、2車、3車、4車、5車、6車、7車、10車、9車、8車的空調狀態變量。

表1 空調狀態變量

4.3 實現故障車號計算

對于靈活編組動車組的故障信息，直接可以得到的只有故障變量名，之后通過遍歷故障庫得到其他的故障信息，比如故障名稱、故障等級、故障描述和操作指南等。但對于故障車輛的物理車號，因為靈活編組動車組編組數量及網關數量的不確定性，對于同一個故障變量，無法得到固定的物理車號。基于以上原因，在故障庫中加入了該故障變量所對應網關帳號及該網關下第幾輛車的信息，這樣就可以在得知其編組模式和占用情況后，推算出其對應的物理車號，比如在2-3-3編組模式，小端占用時，得知網關5，動車2發生某一故障，可以計算得出該故障發生在物理的7車。

5 網絡節點故障工況下的顯示設計方法

在動車組編組或運營期間不可避免地會發生故障，當發生故障時如何快速有效地解決故障，將影響降低到最低，是動車組設計的重要因素，因此本文設計了網絡節點故障工況下的顯示方法，如圖6所示。

圖6 網絡節點故障時處理機制流程

6 結束語

本文討論了研制可靈活編組動車組的必要性及網絡控制系統顯示屏的重要性，分析了開發靈活編組相對于固定編組實時顯示系統存在的不同和難點，針對這些問題提出了合理的解決方案，最后分析了網絡節點故障工況下的顯示方法，在此基礎上順利完成了靈活編組動車組網絡顯示屏實時顯示系統的開發。