軌道交通車輛故障診斷系統設計與實現

王 琦，宋小寧，凌 飛

（ 中車大連電力牽引研發中心有限公司，大連 116052）

軌道交通車輛故障診斷系統作為車輛網絡控制系統的重要部分，用于實現對網絡控制系統傳輸數據的采集、處理、通信和調用功能，從而能夠發現、記錄、分析、報告故障和運行狀態，對車載各個子系統進行監視和診斷。

1 系統架構

故障診斷系統采用分布式控制技術，車輛的通信網絡采用多功能車輛總線（MVB），用于車輛信號傳輸和控制，符合IEC61375-1標準要求。

車輛網絡拓撲結構如圖1所示，其中，數據采集單元（DRU）、事件記錄儀（ERM）為故障診斷系統設備。DRU可采集車輛MVB總線上的所有子設備數據，記錄并存儲通用的設備運行狀態和故障信息；ERM從網絡中獲取車輛的重要事件進行存儲，再通過專用的診斷軟件進行分析。

故障診斷系統通過MVB總線接入車輛網絡，與中央控制單元、遠程輸入輸出單元、牽引控制單元、制動控制單元、空調、門控單元等子設備交換數據；通過以太網與PC連接，用于實現數據維護、下載、分析和診斷；另外，通過在車載設備上安裝無線客戶端模塊、在地面安裝無線接入點模塊，實現DRU與地面服務器的無線通信。

圖1 車輛網絡拓撲圖

故障診斷系統結構如圖2所示。

圖2 故障診斷系統結構圖

數據存儲方面，DRU支持1 GB RAM和8 G存儲空間，ERM支持512 MB RAM和2 G Flash存儲空間。ERM內部的獨立非易失的數據存儲模塊“黑匣子”是保存數據的重要存儲介質，“黑匣子”的結構設計符合IEEE 1482.1-1999標準，擁有IP54防護等級，保證了系統斷電后數據不丟失，在不可預知的碰撞、火災情況下，仍然能夠保持數據的完整性，所以本系統使用ERM來記錄車輛的關鍵事件信息。

2 系統軟件實現

2.1 軟件開發環境

DRU軟件基于VxWorks操作系統和OpenPCS集成開發環境，滿足IEC61131-3工業自動化系統的程序編制標準；ERM軟件基于Linux操作系統，使用ISAGRAF環境進行應用層軟件開發，使用MySQL實現診斷軟件的數據管理。

2.2 軟件架構

系統上電后，將收到的MVB總線數據寄存到固定的內存中；同時，將需要發送的數據發送到MVB總線，實現MVB通信。DRU搭載的VxWorks操作系統，主要完成與控制系統相關的底層通用功能，其為DRU上層控制應用程序創建PLC任務，該任務實現對上層DRU應用軟件可執行文件的解析和執行。ERM搭載的Linux操作系統主要完成與MVB通信、以太網通信和故障事件相關的底層通用參數，在實現底層驅動配置后為ERM應用軟件提供可實例化的MVB端口數據、文件存儲數據格式和功能塊定義。由此，DRU的軟件系統由底層引導模塊、底層操作系統模塊、系統調用接口模塊和應用層軟件組成；ERM軟件分為底層操作系統文件接口模塊、數據底層配置模塊和應用層軟件組成。

系統的軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件架構

2.3 軟件實現

根據軟件功能需求，故障診斷系統軟件設計主要包括文件系統配置模塊、初始化模塊、MVB通信模塊、底層驅動模塊、DRU自檢模塊、文件記錄模塊和分析診斷模塊等。

（1）文件系統配置模塊：用于實現Linux操作系統中對MVB總線設備地址、以太網IP地址、故障診斷信息等配置；

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

（3）MVB通 信 模 塊：用于實現基于IEC61375-1的MVB通信協議，完成MVB端口參數配置，完成MVB端口數據結構定義，實現MVB通信；

（4）底層驅動模塊：用于實現VxWorks與OpenPCS的接口驅動，此模塊被封裝成庫，底層驅動模塊中還定義了運行記錄和故障記錄的功能塊，作為接口提供給應用層實現文件記錄功能；

（5）DRU自檢模塊：用于對DRU在上電啟動時執行自檢，包括對系統任務初始化狀態及運行狀態是否正常進行檢查；在工作時監視任務的狀態和內存的狀態，一旦發現任務異常或者內存溢出等問題，立刻報錯并重啟操作系統；

（6）文件記錄模塊：用于將需要的車輛運行通用數據和關鍵事件以文件的形式存儲記錄，記錄的文件可通過專用的診斷軟件進行分析并查找故障原因等；

（7）分析診斷模塊：基于以太網通信基礎之上，用于與診斷軟件接口，實現目標機文件的上傳和下載，主要用于維護、分析和診斷，該模塊還為應用軟件OpenPCS和ISAGRAF在調試時，提供實時變量監視和變量強制賦值的功能，便于調試。

軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3 故障診斷與數據分析

故障診斷系統完成車輛故障數據和運行數據的記錄和分析功能，記錄內容按記錄方式分為兩種類型：觸發性記錄的故障數據和周期性記錄的運行狀態數據。

3.1 通信接口

故障診斷和數據分析功能既可以使用以太網接口與PC相連，也可以通過在車載設備上安裝無線客戶端模塊、在地面安裝無線接入點模塊，實現DRU與地面服務器的無線通信。車載無線設備實時搜索周邊無線網絡狀態，當車輛回庫后車載無線設備檢測到車輛段無線局域網絡時，將自動通過該局域網將匯總的車輛歷史故障、運行狀態數據文件傳輸至指定的管理服務器。地面服務器數據采集軟件收到數據記錄單元通過車載無線設備發送過來的車輛故障、運行狀態等信息后，自動對數據進行分類、統計和評估，存入數據庫中并形成相應圖表，可通過網頁遠程訪問，經分析統計形成曲線、圖形、報表等，向用戶分類展示車輛運用、故障診斷等車輛各方面的情況，為用戶提供故障評估、車輛維護與快捷服務的決策支持。車輛段管理人員可通過地面服務器軟件對車輛故障及運行狀態進行實時監控，并對數據庫中保存的車輛歷史數據做相應分析統計。車輛段工作人員可使用專用的診斷與分析軟件，通過網絡與車輛段服務器或車載數據采集單元建立連接，將所記錄的車輛故障、運行狀態等數據導出到PC中，供車輛段工作人員對車輛故障及運行狀態等數據做進一步深入的離線分析。

3.2 故障診斷

故障診斷系統將故障劃分為3個級別，當檢查到故障時，網絡控制系統將按照每個故障等級采取定義好的如下動作：

（1）一級故障信息：即關鍵信息，對列車運營和服務會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）二級故障信息：即次關鍵信息，對列車運營和服務不會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）三級故障信息：即非關鍵信息，對列車運營和服務不會造成影響的列車事故和故障，可在列車日常維修時排除。

TCMS系統人機交互單元HMI顯示當前實時故障和歷史故障；用戶可使用故障診斷軟件對故障記錄進行查看和分析，同時查看故障發生時刻的關鍵信息，如級位、速度、輪徑等，故障診斷界面如圖5所示。

3.3 運行數據分析

故障診斷系統通過WEBTIP軟件進行數據分析。WEBTIP軟件分為維護工具和數據監視工具兩部分，維護工具通過導入相關配置和數據庫文件決定需要解析的數據格式，如圖6所示，再通過數據監視工具在線實時監視數據，也可以將記錄數據導出通用格式文件，并對文件（數字量數據和模擬量數據）分別以表格或曲線的方式進行查看和分析，如圖7所示。

圖5 故障診斷

圖6 數據庫配置

圖7 運行數據監視

4 結束語

故障診斷系統是軌道交通車輛的核心系統之一，整個故障診斷系統包括設備硬件、操作系統、診斷軟件、監視軟件和維護工具等。本文設計實現了一套故障診斷系統，該系統通過MVB接口獲取車輛故障數據和運行狀態數據，不間斷地記錄和存儲所有必要的數據；通過以太網接口下載車輛故障和運行狀態信息，以分析和審查車輛子系統（包括牽引系統、輔助系統、門控系統、空調系統、火警系統、旅客信息系統、制動系統等）的運行狀態和故障原因，采用基于WLAN的無線車地傳輸模塊，實現了列車運行狀態數據和故障數據的自動下載，節省了人力成本，提高了工作效率；且在不可預知的碰撞和火災等情況下，能夠保持關鍵數據的完整性，確保數據安全。

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