一種基于司機(jī)顯示屏故障診斷中數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

任富爭(zhēng)，李如石，高興華，張紅星

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035）

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，分布于整個(gè)列車(chē)的各個(gè)智能單元連接成一個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)不同的分布式單元將使用TCN 或ECN 總線連接起來(lái)，且符合IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)。列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障診斷功能是實(shí)時(shí)診斷列車(chē)運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障并以恰當(dāng)?shù)姆绞斤@示出來(lái)，為司乘或檢修人員提供故障信息及處理意見(jiàn)［1］。完成故障診斷功能的主要設(shè)備有列車(chē)網(wǎng)絡(luò)主控設(shè)備（CCU）和司機(jī)顯示屏（HMI）。主控設(shè)備主要負(fù)責(zé)故障信息的分析診斷，司機(jī)顯示屏主要功能就是將診斷結(jié)果顯示給司機(jī)和維護(hù)人員，同時(shí)提供相應(yīng)的操作指導(dǎo)說(shuō)明。傳統(tǒng)顯示屏列車(chē)故障診斷功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)幾個(gè)文本文件，分別配置故障代碼、等級(jí)、發(fā)生故障的車(chē)號(hào)信息、故障發(fā)生原因以及故障處理措施，這幾個(gè)文本文件之間要行號(hào)名稱(chēng)相互匹配才能引用，對(duì)列車(chē)故障診斷代碼的配置往往需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間才能配置正確，即使如此，在后續(xù)對(duì)故障的修改更新后還需要重新配置。因此，文中重點(diǎn)闡述了基于顯示屏使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)列車(chē)故障診斷信息實(shí)時(shí)顯示功能的實(shí)現(xiàn)。

1 故障診斷顯示需求

主要通過(guò)列車(chē)顯示屏提供圖形和文字信息，實(shí)時(shí)顯示列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，故障部分包括故障信息的發(fā)生和消失以及發(fā)生故障時(shí)列車(chē)環(huán)境參數(shù)信息，從列車(chē)司乘人員行車(chē)便捷操作和易于維修人員排查故障的角度，顯示屏對(duì)列車(chē)故障顯示和處理的需求簡(jiǎn)述如下：

（1）故障等級(jí)通常分輕微故障、中等故障、嚴(yán)重故障。

（2）故障是否消失分為當(dāng)前故障和歷史故障顯示。

（3）每條故障以純文本顯示，且有故障代碼、故障等級(jí)、故障發(fā)生的時(shí)間等信息，并能查看相應(yīng)的故障處理措施建議等信息。

（4）在查看時(shí)可以根據(jù)故障等級(jí)對(duì)故障進(jìn)行篩選顯示。

（5）對(duì)列車(chē)行駛安全有影響的嚴(yán)重故障和事件信息，實(shí)時(shí)彈出故障信息內(nèi)容供列車(chē)司乘人員查看確認(rèn)。

（6）輕微故障及其相關(guān)信息僅對(duì)維修人員可見(jiàn)。

（7）顯示屏主界面上可以提示司乘人員列車(chē)存在的故障及故障等級(jí)。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)列表

在實(shí)際的項(xiàng)目中，故障診斷顯示的數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)列表來(lái)存放，結(jié)合故障診斷顯示需求內(nèi)容和故障診斷程序可分別設(shè)計(jì)出故障字典列表、當(dāng)前故障列表和歷史故障列表。在數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇上使用SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)，選用SQLite 主要是基于其自身優(yōu)勢(shì)，首先它是完全免費(fèi)的，數(shù)據(jù)庫(kù)體積小易維護(hù)、存儲(chǔ)量比較高、健壯性好和運(yùn)行速度快，且可以在所有主流的操作系統(tǒng)上運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［2］。

2.1 故障字典列表

編制一個(gè)故障字典列表（FaultDic）表格，根據(jù)列車(chē)故障的參數(shù)及屬性，在SQLite 故障字典表格中對(duì)每條故障的信息設(shè)計(jì)包含以下字段，見(jiàn)表1。

表1 故障字典列表

故障字典用來(lái)描述每條故障信息屬性，使用數(shù)據(jù)庫(kù)表格編制故障字典的明顯優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)的變更方面。隨項(xiàng)目的進(jìn)程，后續(xù)因各方原因需要多次對(duì)故障信息的內(nèi)容進(jìn)行增減或更改，這是不可避免，如調(diào)試試驗(yàn)后需要對(duì)某些故障信息的內(nèi)容進(jìn)行增加、刪除，或修改故障等級(jí)、處理意見(jiàn)等。

數(shù)據(jù)庫(kù)列表的設(shè)計(jì)可減少應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)者的工作量，只需要將整理好的列車(chē)故障診斷代碼表另存為CSV 格式文件，直接導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)列表即可，節(jié)省了傳統(tǒng)文本方法中的反復(fù)核對(duì)文本文件行號(hào)等信息過(guò)程，且能保證其正確性；后期的維護(hù)極其方便，只需要在更新列車(chē)故障診斷代碼表后將CSV 格式文件導(dǎo)入，不需更改應(yīng)用軟件程序的任何代碼，維護(hù)更新時(shí)間快且準(zhǔn)確；因數(shù)據(jù)字典的端口號(hào)、字節(jié)偏移和位偏移存在，使故障數(shù)據(jù)解析不會(huì)有錯(cuò)位現(xiàn)象而導(dǎo)致空白記錄行的問(wèn)題。

2.2 故障字典數(shù)組

二維故障字典數(shù)組是故障診斷程序初始化時(shí)將數(shù)據(jù)庫(kù)字典列表的數(shù)據(jù)完整地拷來(lái)1 份用于實(shí)時(shí)訪問(wèn)，根據(jù)顯示屏上對(duì)故障顯示和程序邏輯處理的需要，對(duì)二維故障字典數(shù)組設(shè)計(jì)成員變量，見(jiàn)表2。

表2 二維故障字典數(shù)組

在列車(chē)故障診斷中需要實(shí)時(shí)輪詢(xún)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)總線上的故障信息數(shù)據(jù)，為減少應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)文件訪問(wèn)的頻率，避免造成數(shù)據(jù)庫(kù)文件不必要的損壞，二維故障字典數(shù)組（FaultDic）來(lái)替代數(shù)據(jù)庫(kù)列表提供網(wǎng)絡(luò)總線上端口輪詢(xún)參數(shù)和故障相關(guān)信息，既可以加快程序輪詢(xún)運(yùn)行時(shí)間，又能降低因不間斷訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件引起的CPU 負(fù)荷，也能保證程序可靠性。二維故障字典數(shù)組的內(nèi)容在設(shè)備每次上電的程序初始化時(shí)都會(huì)跟最新的故障字典數(shù)據(jù)保持一致，相比于故障字典多了一故障標(biāo)識(shí)的成員變量，用于判斷故障是當(dāng)前故障還是歷史故障。

2.3 故障信息列表

由于界面要分別顯示當(dāng)前故障和歷史故障信息，為數(shù)據(jù)處理方便需要設(shè)計(jì)2 個(gè)SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)列表：當(dāng)前故障列表（Cur_Fault）和歷史故障列表（His_Fault）。當(dāng)前故障列表設(shè)計(jì)的各字段見(jiàn)表3，歷史故障列表設(shè)計(jì)的各字段見(jiàn)表4。

表3 當(dāng)前故障列表

表4 歷史故障列表

當(dāng)前故障列表存放當(dāng)前故障相關(guān)的關(guān)鍵信息，歷史故障列表存放歷史故障相關(guān)的關(guān)鍵信息，列表中的索引號(hào)，是用于在數(shù)據(jù)庫(kù)字典數(shù)組中檢索故障詳情的行號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)列表的查詢(xún)均可以使用成熟快捷的SQL 語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。

3 故障顯示功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 故障診斷的初始化

列車(chē)各顯示屏在上電之后，首先執(zhí)行初始化程序，如圖1 所示。首先判斷故障列表的故障數(shù)量，如果故障數(shù)量為0（上次斷電時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)列表?yè)p壞），則需用備份文件替換，替換后數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)前故障列表數(shù)據(jù)會(huì)在設(shè)備上電后重新判斷當(dāng)前故障，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)歷史故障列表數(shù)據(jù)并按故障發(fā)生時(shí)間排序，然后把故障字典數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)逐條放入二維故障數(shù)據(jù)字典數(shù)組中。

圖1 診斷初始化

3.2 故障的發(fā)生和消失

在列車(chē)上電2 min（列車(chē)各個(gè)子系統(tǒng)上電需要進(jìn)行自診斷過(guò)程）之后，開(kāi)始執(zhí)行故障診斷程序，診斷程序以一定周期（200 ms）循環(huán)執(zhí)行故障判斷程序，循環(huán)時(shí)根據(jù)VCU 生命信號(hào)標(biāo)識(shí)正常，并記錄本次循環(huán)的時(shí)間。每次執(zhí)行的故障判斷程序均按照故障字典數(shù)組的端口配置信息在列車(chē)總線上輪詢(xún)所有的故障數(shù)據(jù)位，根據(jù)故障數(shù)組中每條故障成員的cur_flag 的值和故障端口輪詢(xún)的值，來(lái)判斷相應(yīng)該條故障是新發(fā)生還是新消失（判斷流程如圖2 所示），以便將故障信息更新到當(dāng)前故障列表或歷史故障列表中。

圖2 故障判斷邏輯

3.3 故障信息顯示

故障信息的顯示按照顯示方式分為：在故障界面顯示、彈出界面顯示故障和故障詳情（包括處理措施）的顯示。在故障界面顯示時(shí)根據(jù)界面輸入的故障等級(jí)和頁(yè)碼號(hào)，使用SQL 語(yǔ)句在當(dāng)前故障或歷史故障數(shù)據(jù)列表和故障字典中查找相關(guān)故障信息顯示即可；在故障診斷程序中實(shí)時(shí)地輪詢(xún)當(dāng)前故障列表，如查找到發(fā)生對(duì)列車(chē)行駛安全有影響的嚴(yán)重故障和事件信息，根據(jù)當(dāng)前故障列表中的索引號(hào)查找故障字典中相關(guān)故障信息，在彈出界面顯示；故障詳情信息一般是在故障界面中選擇所要查看的故障條目，點(diǎn)擊后，界面會(huì)自動(dòng)彈出，程序會(huì)根據(jù)故障代碼在故障字典中查找相關(guān)故障信息用于顯示。

3.4 故障列表文件的保護(hù)

當(dāng)程序診斷到有故障發(fā)生或消失時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)列表文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作，此時(shí)如遇列車(chē)斷電，數(shù)據(jù)庫(kù)列表文件就會(huì)被損壞，造成不可修復(fù)的錯(cuò)誤。因此，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行備份是必要的。在程序中單獨(dú)開(kāi)一個(gè)線程，其功能是每隔5 min 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行1 次備份，這樣確保數(shù)據(jù)庫(kù)列表文件損壞時(shí)有備份文件可用，使故障顯示內(nèi)容不致空白。

4 應(yīng)用實(shí)例

使用tNetrol 系列10 寸新一代智能顯示屏開(kāi)發(fā)HMI 應(yīng)用軟件，其硬件環(huán)境包含MVB 和ETH 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)，嵌人式Linux 操作系統(tǒng)，通過(guò)Qt Creator開(kāi)發(fā)軟件使用C/C++編寫(xiě)故障診斷程序代碼并編譯為可執(zhí)行程序。此屏在某高速動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用以太網(wǎng)TRDP 數(shù)據(jù)通訊，HMI 程序的故障診斷部分使用上述SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在列車(chē)司機(jī)顯示屏故障診斷，開(kāi)發(fā)出的故障相關(guān)界面如圖3、圖4 所示。

圖3 高速車(chē)故障彈出界面

圖4 高速車(chē)故障信息界面

同樣使用tNetrol 系列12 寸新一代智能顯示屏在某地鐵的城軌列車(chē)項(xiàng)目中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用多功能車(chē)輛總線MVB 數(shù)據(jù)通訊，HMI 程序的故障診斷部分亦使用上述SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在列車(chē)司機(jī)顯示屏故障診斷，開(kāi)發(fā)出的故障相關(guān)界面如圖5、圖6所示。

圖5 城軌車(chē)故障信息界面

圖6 城軌車(chē)故障彈出界面

經(jīng)現(xiàn)車(chē)做列車(chē)調(diào)試試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，程序運(yùn)行良好，對(duì)故障信息的修改維護(hù)方便快捷，完全能滿足列車(chē)運(yùn)行和維修需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中首先描述了列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與顯示屏的通信原理，以及列車(chē)司乘人員和庫(kù)內(nèi)檢修人員對(duì)列車(chē)顯示屏的故障顯示需求項(xiàng)點(diǎn)，在顯示屏設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)列車(chē)故障診斷系統(tǒng)顯示故障功能的過(guò)程中，對(duì)每個(gè)步驟做詳細(xì)介紹，結(jié)果表明該方法對(duì)列車(chē)故障診斷結(jié)果的顯示具有高效性、健壯性，并保證了顯示屏故障信息顯示的準(zhǔn)確性。在今后的實(shí)踐過(guò)程中，將側(cè)重于對(duì)列車(chē)顯示屏故障診斷應(yīng)用程序處理方法的繼續(xù)優(yōu)化和擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用，以幫助司機(jī)或維護(hù)人員能更準(zhǔn)更快地查找并解決故障。