基于列車智能顯示器故障記錄處理的設計與研究

(1.武漢大學，武漢 430072； 2.湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412000)

基于列車智能顯示器故障記錄處理的設計與研究

龔娟1,2

(1.武漢大學，武漢430072； 2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲412000)

列車在外部環境的影響下導致各設備的軟硬件產生缺陷從而引發故障，在一定程度上影響了列車的性能和安全；顯示器是列車必不可少的重要部件，是人機交互的橋梁，也是列車各設備故障狀態信息顯示的窗口；針對傳統列車顯示器的故障誤報和易產生故障空白記錄的現象，文章設計和實現了基于故障碼的列車顯示器故障信息搜索和分析方法，大大提高了列車顯示器應用設計人員的開發效率，減少了故障記錄過程的工作量；并基于實際測試環境對該方法進行了實驗，結果表明，該方法對列車顯示器故障記錄的處理具有高效性、健壯性，并保證了顯示器故障信息顯示的準確性。

顯示器；故障記錄；故障搜索；故障分析

0 引言

列車運行過程中，由于操作環境和使用條件的影響，故障產生是必然的現象。及時地顯示故障信息，并通過故障提示對機車各設備進行檢修，是保證列車安全運行以及發揮最高效能的先決條件。顯示設備已成為列車網絡控制系統和信息化系統的重要部件，主要負責列車各設備狀態信息的顯示，作為列車控制系統的智能人機交互窗口，可對整車各設備進行故障診斷、分析及顯示，可對各故障進行詳細地記錄，記錄內容確定故障發生的設備名稱、故障等級、故障名稱及發生故障的時間，當故障發生時，可協助司機采取適當的操作，并使維護人員更容易地查找并解決故障，幫助工作人員及時有效地排除故障，已成為保證機車安全運行的一個重要措施。故利用列車智能顯示器來及時有效地發現和定位故障，是機車的安全和消除隱患的必要前提。

1 基本原理與方法

列車故障檢測與診斷系統是一種列車在運行過程中出現或即將出現故障時，通過提示或人機直接對話形式達到在較短時間內有效診斷列車故障的智能系統。其中，故障信息的顯示和提示則由列車顯示器應用軟件來實現。

1.1 列車通信網絡與顯示器通信原理

列車通信網絡TCN是面向控制的一種連接車載設備的數據通信系統，是分布式列車控制系統的核心組成部分。它包含連接各車廂間的絞線式列車總線WTB和連接車廂內各設備的多功能車輛總線MVB。列車智能顯示器HMI屬于MVB 3類設備，具有過程數據和消息數據的能力，支持MVB網絡接口是列車智能顯示器的基本要求。TCN與HMI的間的通信原理如圖1所示。

圖1 列車網絡控制系統與顯示器通信過程

從故障信息的通信流程圖可看出，“故障事件”是診斷機制的觸發源，列車通信網絡系統從車載各部件或子系統的電子控制單元(如空調控制單元、制動控制單元和牽引控制單元等)獲取故障信息及故障相關環境參數。若故障事件出現，則列車通信網絡的中央處理單元將通過通信對故障源環境參數進行獲取、檢測、分類處理，同時根據協議發送相應的故障代碼，顯示器接收到總線上的相關數據后對故障信息進行處理，完成故障列表、顯示和存儲，顯示器通過形象的圖形或文字方式將列車運行狀態和故障信息提供給司機。整個過程包含故障相關的界面設計、故障信息顯示的代碼設計，顯示器需要根據具體模式，顯示具體故障內容信息和記錄，并包括故障的背景參數和故障等級。

1.2 顯示器故障記錄處理方法

列車智能顯示器是列車網絡控制系統的重要組成部分，它提供車載系統工作和運行相關的的實時狀態信息、故障顯示和人機交互功能，同時顯示器提供便捷的的網絡維護接口。顯示器硬件通常包括處理器、內存、FLASH存儲器、鍵盤、觸摸屏、顯示屏、通信接口電路等部分，軟件方面，顯示器采用嵌入式Linux系統，并設置基于Linux系統的圖形顯示接口(Graphical User Interface,GUI)和圖形界面開發工具Fluid，用戶通過開發工具和軟件進行顯示器具體界面和功能的開發。

目前，不同的車型(主要分為機車、城軌和動車)顯示器應用軟件所設計的故障處理方式基本類似。通常，顯示器處理的故障分為現存故障、故障履歷和故障提示三部分，現存故障是列車當前已經發生了且沒有消失的故障信息；故障履歷顯示現存故障和過去一段時間內發生過的故障；故障提示是針對現存故障而設計的，它可對當前列車存在的故障進行故障提示，為司機或技術人員查找故障提供幫助。

列車顯示器故障處理方法如圖2所示。

圖2 列車顯示器故障記錄處理方法

列車網絡控制系統對整車各設備的故障信息進行采集與分析后將故障數據按照通信協議發送到相應的通信端口，顯示器根據通信協議周期性的對端口數據進行讀取操作，根據圖2可知，顯示器根據讀取到的故障數據搜索故障，找到相應的故障編碼后再進行故障分析，若確定當前故障為新產生的故障則存取新故障記錄信息和提示信息，并存至故障履歷中，反之，若當前故障為消失狀態則存儲故障結束時間并轉儲整條記錄信息，最后將故障信息分別顯示在現在故障、故障履歷和故障提示界面中。通常，列車顯示器故障信息讀取的操作流程如圖3所示。

圖3 列車顯示器故障信息讀取的操作流程

2 傳統的故障搜索與分析方法

現今，列車整車中的設備日益增多，導致列車故障診斷系統產生了海量的數據，從而顯著增加了列車顯示器與通信網絡控制系統間的通信負荷量[2]，與之相對應的是顯示器應用軟件需處理和顯示的故障數據也將劇增。因此，如何對產生的故障數據進行分析，并在大量的故障記錄中查找到所對應的故障代碼，保證故障數據顯示的完整性和準確性，已成為列車顯示器故障處理迫切需要考慮的問題。

圖4是目前列車顯示器故障搜索與故障分析方法，該故障搜索與故障分析過程首先是將當前最新的故障數據狀態按字節序存入故障狀態數組中，并按字節序對每個字節的數據進行運算比較，若新故障字節數據與舊數據發生了變化，則認定當前字節存在相應故障的變化。為了分析故障原因，對故障數據字節的每位去比較查找并計算故障序號，并據此分析該故障位是新故障的發生還是舊故障的消失。然后，針對具體事件是故障發生或消失的狀況分別執行相應的系統預定義的動作。如若是故障發生將添加此故障到故障記錄；若是故障消失則從故障記錄中刪除此故障的記錄項。

圖4 傳統列車顯示器的故障搜索與分析方法

如果列車存在故障信息，顯示器將按記錄條以純文本信息的形式顯示給司機或技術人員，每條純文本信息都分配有故障代碼，故障代碼有一定的編排依據，通常是按不同的設備來進行分配。根據不同的故障類別可進行故障評估，一般分為嚴重、中等和輕微三個等級，嚴重故障將影響列車正常運營，需要司機立刻處理；中等故障將影響列車部分性能，需司機稍作處理就能繼續運營；輕微故障只需司機了解即可，不影響列車運營。故障代碼、類別、時間及故障內容都將顯示在人機接口單元的故障界面上，故障顯示如圖5所示。

圖5 列車顯示器故障狀態信息記錄

3 基于故障碼的故障搜索與分析方法

傳統的故障搜索方法，通過比較故障序號成員的變化情況，逐行去對包含空白記錄的文本信息進行讀取，最終顯示故障信息，以此完成顯示功能。此方案不僅回溯周期長，并且相當不準確，對于并發故障，難以做到有效和精準性。開發人員必需反復檢測，回溯故障。此類故障檢索方法周期長，而且工作量巨大，難以保證開發、調試的進度，方法分析詳細說明如下：

1)在存儲最新故障數據狀態時，每個端口的每個字節都用一條語句來存取故障狀態值，而通常情況下列車存在成百上千條故障記錄，隨著數據量的增加，將會急劇降低開發效率。

2)由于存儲最新故障數據狀態的不靈活性，使得在故障文本的處理上也受到約束，嚴格按照每個字節的每個位來編排故障內容，即使當前位不存在故障信息，也得在故障文本中為其保留空白記錄條，增加了設計工作量。

3)在開發過程中沒有充分利用故障代碼的優勢，采用增加故障序號成員的方式來搜索故障，使得整個故障程序的邏輯性不強，無法保證故障顯示和提示信息的準確性。

基于以上分析，本文提出了一種新的基于故障碼的故障搜索和分析方法，從時間復雜性和空間復雜性上都很好地解決此類問題。

3.1 設計方案的思想

與傳統故障搜索方法不同的是，本文在故障搜索一開始就將故障的代碼、故障端口及存儲位置進行初始化，在判斷存在故障變化的情況下，不再需要計算故障序號，而是直接根據當前的故障代碼值進行判斷，若為非0值則獲取整個故障文本的信息，再去搜索故障代碼，最后，若故障發生則添加新的故障信息，若故障消失則刪除舊的故障信息。詳細的實現流程如圖6所示：

圖6 基于故障碼的列車顯示器故障搜索與分析方法

具體步驟說明如下：

(1)故障信息初始化。依次對各故障設備的故障代碼、故障端口及具體存儲位置進行初始化，值存于各數組元素中，為后續存儲最新故障數據狀態做準備。

(2)存儲最新故障狀態數據。通過MVB網絡接口協議對最新故障數據進行讀取并存儲，此處讀到的最新故障狀態數據主要是指的現存故障。根據已初始化的故障代碼、故障端口及其位置采用簡單的循環語句可實現。

(3)判斷。對已獲取到的新老故障字節序進行比較，若故障字節序不同則說明當前故障發生了變化，依次對當前字節序的各位進行判斷，若存在故障代碼值則進行下一步操作，否則本次搜索結束。

(4)獲取故障文本信息。依次對當前故障位的各故障文本信息進行轉儲，內容包括：故障發生時間、故障內容、故障發生裝置、故障等級、故障代碼等。

(5)搜索故障代碼。對整個存放故障數據的數組進行搜索，若找到故障碼則進行下一步操作，否則故障整個搜索結束。

(6)故障發生或消失的判斷。對老故障的故障位進行判斷，若有變化則說明是故障發生，否則是故障消失。

(7)故障文本的操作。若為故障發生，則將發生的故障記錄信息添加至現存故障文本文件和故障履歷文本文件內；若為故障消失，則將現存故障文本內對應的故障記錄信息進行轉儲，故障履歷的內容不進行處理。

3.2 偽代碼

圖4給出了基于故障碼的列車顯示器故障搜索與分析方法的具體實現過程，為使設計方案的結構更清晰，增強設計過程的易讀好，便于更好地實現本文的開發過程，現用另一種算法描述語言對上述方案設計的說明進行闡述，即偽代碼，詳細如下所示：

Dim Wrong_Device_No[][]←{the value of wrong code}; //故障初始化

Dim Wrong_Device_Port[][]←{the value of wrong port};

Dim Wrong_Device_Byte[][]←{the value of wrong byte};

for i=0 to the size of port //存儲最新故障狀態數據

WrongStatus[]←mvb.get_uchar();

for i=0 to WRONGBYTENO

{

if(OldWrongStatus[i]^WrongStatus[i]) //有故障變化

for j=1 to 8

{

if((OldWrongStatus[i]>>j)&0x01)

{

if(Wrong_Device_No[i][j]!=0) //故障代碼為非0值

{

for i=0 to List_Items //獲取整個故障文本信息

{

fseek(fp_wrongtxt,location,SEEK_SET);

fread(wrongtxtinfo[i].content,size,count,fp_wrongtxt);

}

for i = 0 to ListNo

{

if( WrongInfo[i].WrongRCode == Wrong_Device_No[i][j]) //找到故障代碼

{

if(WrongHappend) //故障發生

{

for i=0 to List_total

wronginfo[i].content←wrongtxtinfo[i].content;

}

Else //故障消失

{

for m=location to ListNo-1

wronginfo[m]=wronginfo[m+1];

}

} //end compare

}//end for

}//end Wrong_Device_No[i][j]

}//end OldWrongStatus

}//end for

}//end for

3.3 實驗環境及結果分析

為了保證實驗結果的準確性和真實性，對基于故障碼的列車顯示器故障搜索及故障分析方法的測試主要分與列車通信網絡的通信測試和顯示屏本身的故障顯示測試。實驗所用的顯示屏為TPX系列屏，其硬件環境為包含了MVB網絡接口設計的PowerPC處理器，擴展了SDRAM、FLASH、鍵盤、觸摸屏、LCD顯示器、以太網等外部接口。軟件環境為嵌入式Linux操作系統，以tiny-x為圖形顯示接口，開發工具為FLTK的圖形開發工具Fluid。

通過列車通信網絡對各設備故障端口數據傳送的模擬值進行實驗，實驗結果如圖7所示。實驗結果表明，基于故障碼的故障搜索與分析方法能有效地實現列車整車設備故障信息的記錄功能，并能可靠地與列車通信網絡進行實時通信，整車設備的信息記錄無誤報或無記錄現象，保證了顯示器故障信息顯示的準確性。

圖7 基于故障碼故障搜索與分析方法的實驗結果

4 與傳統故障處理方法的比較

在列車顯示器故障記錄處理過程中，無論采取哪種方法都要保證故障記錄數據顯示和提示的正確性。本文的列車故障顯示器故障搜索方法與傳統方法相比較而言有一定的優勢。

首先，本文方法可減少顯示器應用軟件設計工作量，傳統故障最新狀態數據的存取過程工作量較大，在將網絡接口中所有數據存放于故障狀態數組過程中，需要大量的按字節存放語句。而本文在經過故障代碼、端口及存儲位置的初始化后，僅需簡單的循環即可實現故障狀態存取過程。

其次，顯示器應用開發人員在故障文本的輸入過程中，傳統方法極易產生錯誤，必須嚴格按照端口數據字節的位來處理，即使當前位沒有故障數據也需輸入空白行，開發過程需十分謹慎，否則會有錯位現象。而本文方法僅需輸入存在的故障記錄文本即可，不需輸入空白記錄行，具體比較如圖8所示。

最后，傳統方法難以保證顯示器故障顯示的正確性，由于在文本中存在空行的現象，在程序設計過程中，若空白位沒有屏蔽則會顯示出空白記錄，而本文方法則完全不可能產生空白記錄現象，詳細如圖9所示。

圖8 顯示器故障搜索與分析方法故障文本處理的比較(左側為本文方法)

圖9 顯示器故障搜索與分析方法故障顯示結果的比較(左側為本文方法)

5 結束語

本文首先描述了列車顯示器與網絡控制系統的通信原理，并對傳統列車顯示器的故障記錄處理方法進行了闡述。針對傳統列車顯示器故障記錄易產生空白記錄的現象，本文設計和實現了一種新的列車顯示器故障搜索和分析方法，結合程序流程圖及偽代碼的形式，對該方法的實現過程進行了詳細的介紹，并與傳統列車顯示器記錄方法進行了比較。結果表明，該方法對列車顯示器故障記錄的處理具有高效性、健壯性，并保證了顯示器故障信息顯示的準確性。在今后的研究過程中，將側重于列車顯示器故障記錄處理方法的優化，以幫助司機或維護人員能更準更快地查找并解決故障。

[1] 王佳佳,劉長清.輔助變流器故障診斷技術[J].大功率變流技術，2010(4)：12-15.

[2] 賀德強.地鐵列車故障檢測與診斷系統網絡體系結構及其仿真研究[J].機車電傳動，2009(5)：30-31.

[3] 劉 軍.支持TCN的列車智能顯示器的研究與實現[D].長沙：中南大學，2009.

DesignandResearchBasedonFaultRecordProcessingofTrainIntelligentDisplay

Gong Juan1,2

(1.WU HAN University, Wuhan 430072,China; 2.Hunan Rilway Professional Technology College,Zhuzhou 412000, China)

Under the influence of the external environment, the train causes the defects of the hardware and software of the equipment. The defects lead to fault and affect the performance and safety of the train to a certain extent. Monitor is an essential component of train, a bridge of human-computer interaction, and a window for displaying the fault information of train equipment. Aiming at the phenomenon of false alarm and blank record of traditional train monitor, this paper designs a new method about fault information searching and analyzing based on fault code. This method greatly promotes the efficiency of train display application designers and reduces the workload of fault recording process. Based on the actual test environment, this method is tested. Results show that the method is efficient and robust for fault record of train display and, to some extent, ensures the accuracy of display the fault information.

monitor; fault record; fault research; fault analysis

2017-06-29；

2017-08-29。

2017湖南省教育廳科學研究項目(17C1041)。

龔 娟(1978-)，女，湖南汩羅人，碩士研究生，副教授/高級工程師，主要從事列車網絡控制方向的研究。

1671-4598(2017)11-0039-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.010

TN873

B