基于車載網絡的標準化動車組單車試驗裝置設計

沈華波，孫曉東，胡 昊，劉 洋

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111； 2.大連交通大學 電氣信息工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以網絡互聯為支撐的智能制造是當今技術發展的趨勢。動車組在生產制造及檢修過程中，必須對其關鍵功能進行充分調試，并根據所獲取的列車狀態數據等相關信息，及時分析原因、排查故障，以保障動車組正常投入運行[1]。目前，標準化動車組調試現場中不同工序的調試裝置之間缺乏協同性，需要多名試驗人員同時控制多臺調試裝置，人員之間需要頻繁的人工交互，導致試驗人員勞動強度大、自動化程度較低、調試工作效率較低[2]。因此，有必要通過智能化設計減少試驗人員參與重復且非必要性勞動，縮短試驗周期，提高生產效率。

車載通信網絡作為動車組的中樞核心，承擔著列車各種車載設備之間重要數據的傳輸，直接關乎動車組是否能夠正常運行，是生產制造中的極為復雜的環節[3-4]。本文設計的單車試驗裝置以車載網絡為基礎，可實現與多個單車試驗設備數據互通，融合車載網絡數據與試驗設備數據，保障單車試驗自動化進行；同時，裝置可與數字化調試平臺DMS實現數據交互，完成試驗任務、工藝流程、試驗數據等的集中管理，極大提高了單車調試效率和質量可追溯能力。

1 總體功能設計

標準化動車組單車調試系統的總體結構如圖1所示。單車試驗裝置作為整個調試系統的核心設備分別與數字化調試平臺、動車組車載網絡、手持終端PAD、單車直流控制柜以及可拓展的智能工裝之間進行數據交互，為自動化協同調試、車輛健康狀態診斷提供了基礎，具體數據交互方式和實現的功能如下：

1) 單車試驗裝置與數字化調試平臺通過無線網絡進行數據交互。數據化調試平臺主要負責統一管理與下發試驗任務以及單車試驗裝置與動車組及各種智能設備之間的通信協議；同時，單車試驗裝置會將所有試驗相關的過程數據及試驗結果上傳到數字化調試平臺，用于保存、記錄、查看和故障診斷。

2)單車試驗裝置與動車組之間通過MVB總線進行數據通信。單車試驗裝置具備總線管理器BA輪詢功能，可根據配置的協議主動輪詢車輛全部在線設備[5]，并根據手持終端PAD下發的試驗命令模擬車輛MVB網絡試驗工況，采集車載網絡數據實現實時監視。

3)單車試驗裝置與手持終端PAD通過無線網絡進行數據交互。操作人員通過手持終端人機界面發送試驗操作指令，單車試驗裝置解析該指令并控制動車組或其他調試設備執行相應動作，并將車輛狀態、試驗結果等信息實時反饋給PAD進行顯示。

4) 單車試驗裝置與單車直流柜之間通過無線以太網進行交互[6]，單車試驗裝置可根據試驗操作向直流柜發出測試信號，直流柜模擬試驗工況對車輛線路進行檢測，并將采集到的車輛線路狀態，反饋給單車試驗裝置，完成相關試驗。

圖1 標準化動車組單車調試系統

2 裝置硬件結構

單車試驗裝置硬件由便攜式主機、MVB網卡、無線網卡、MVB通信線纜等幾部分組成。本設計選取的硬件能夠滿足復雜調試環境應用要求，主要部件參數如下：

1)考慮到動車組制造車間環境復雜，受外界不定因素的影響較大，因此，本設計選用防護等級為IP54強固型便攜式主機，主機在防塵、防水以及防震等方面可適應現場調試環境。主機配備I5-6500T CPU、8 GB內存、256 GB固態硬盤、17.3寸顯示屏，具有PCI、以太網M12、USB等接口。

2) 本設計選用的MVB板卡符合IEC61375 標準國際標準，具備總線管理器功能，采用電氣中距離EMD接口[7]，最大可支持4096個過程數據端口，工作溫度范圍：-40～85 ℃，防止電磁干擾。在物理接口擴展上，提供1個PCI接口，1個DB9公頭接口，1個DB9母頭接口和1個JTAG調試接口。

3)主機內置無線網卡最大傳輸速率可達1000 Mbps，最大通信距離30 m，能夠滿足設計要求。

3 軟件設計

單車試驗裝置的應用軟件開發基于Window操作系統，采用Qt Creator開發工具。

3.1 子系統接口功能

單車試驗裝置與外部設備進行數據交互的接口如圖2所示。MVB總線接口負責與動車組MVB網絡設備進行數據交互；Wi-Fi接口負責與遠程數字化調試平臺(服務器)、單車直流控制柜和Pad通信；Ethernet接口和打印接口作為預留接口，可以根據需要進行功能擴展。

圖2 單車試驗裝置與外部設備接口

1) 單車試驗裝置與動車組之間的數據通信由MVB網卡內部TCN協議棧軟件實現，其主要完成鏈路層的通信功能，并為應用程序的高層提供訪問的接口服務[7-8]。本設計通過解析可擴展標記語言(XML)描述周期掃描表的內容，完成對各個端口參數(如端口名稱、源宿端口、數據長度、特征周期等)的配置。MVB網卡通信驅動程序的邏輯如圖3所示[9]。網卡驅動程序的開發中采用QDom工具解析，編譯后完成網卡驅動程序動態鏈接庫的創建，便于上位機應用程序對其函數功能的調用[10]。

圖3 MVB網卡驅動程序邏輯

2) 單車網絡裝置與數字化調試平臺DMS間采用http協議進行通信，主要數據接口及功能描述如下：

授權認證接口。新接入的單車網絡裝置如需跟DMS系統通信，必須先對其進行認證授權，只有授權通過后才能進行數據通信。

人員同步接口。單車網絡裝置請求DMS系統，獲得DMS系統內所有操作員工信息和所屬部門及角色信息，如員工號已存在則更新不存在則新增。

人員登陸接口。操作人員打開單車網絡裝置應用程序進行登陸操作,分在線方式和離線方式,在線時調用接口進行服務器驗證登錄,離線時進行本地驗證登錄。

心跳接口。按五分鐘的頻次進行心跳通信，DMS系統查看裝置在線清單。

通信協議下載接口：裝置請求DMS系統，獲得DMS系統內所指定的車型的通信協議，如MVB通信協議、直流控制柜通信協議等。

試驗過程數據上傳接口：裝置請求DMS系統，上送指定調試任務的試驗過程數據。

3)單車試驗裝置與直流柜之間采用TCP協議進行通信，單車試驗裝置作為服務器端，直流柜作為客戶端，主要數據接口及功能描述如下：

讀取設備信息接口。用于讀取直流柜工裝編號、MAC地址、軟件版本等信息。

數據讀寫接口。一方面，單車網絡裝置周期性向直流柜發送讀請求報文，直流柜以自身采集的車輛狀態信號作為響應；另一方面，單車試驗裝置根據手持終端PAD發送的操作指令，向直流柜發送寫請求報文，將輸出信號寫入指定偏移字段，進而對直流控制柜進行操作控制。

通信協議下載接口。單車試驗裝置將從數字化調試平臺下載的通信協議轉發給直流柜，用于其通信參數的配置，內容包括車輛號、線號名、數據類型、字節偏移、位偏移等。

4) 單車試驗裝置與手持終端PAD的數據接口采用TCP協議進行通信，主要數據接口及功能描述如下：

組網接口。網絡連接建立之后，PAD主動向單車網絡裝置發送請求，將試驗所涉及的車輛、任務、工裝設備、人員等信息發送給單車試驗裝置保存，單車試驗裝置予以響應。

自動操作接口。在自動化試驗過程中，操作人員通過PAD發送自動操作指令，單車試驗裝置根據接收到的任務ID、車輛號、工裝類型、操作內容等信息，向動車組或其他調試設備發送調試指令，逐項完成預先設定的試驗任務。

自動確認接口。在自動操作過程中，PAD將根據試驗任務發送自動確認指令，以檢測動車組當前的狀態是否與試驗預期相符。自動確認指令包括任務ID、車輛號、工裝類型、期望的測試結果等信息，單車試驗裝置根據動車組當前實際的工況做出響應。

3.2 軟件功能模塊實現

軟件功能采用統一建模語言UML工具進行開發和管理，通過標準的UML語言的時序圖，狀態圖和流程圖等描述類的動態行為，具體功能實現如下：

3.2.1 與數字化調試平臺數據交互

裝置通過調用ServerInteraction模塊提供的方法組建接口數據報文，與服務器進行http交互，其UML如圖4所示。

圖4 服務器數據交互UML

軟件設計主要通過以下函數實現： GetAuthorization()調用認證授權接口傳入裝置類型和mac地址兩個參數，認證成功返回該裝置在DMS系統中產生的唯一編號，TimeCheck()調用時間校驗接口傳入設備認證編碼和本地系統的時間戳，訪問成功返回服務器時間，OperatorSync()調用人員同步接口傳入設備認證編碼，訪問成功返回所有人員信息列表，UserLogin()調用人員登陸接口傳入用戶、密碼和設備認證編碼，訪問成功返回當前登陸人的有關信息，HeartBeat()調用人員同步接口傳入設備認證編碼和IP地址，訪問成功返回心跳成功信息，GetMVBProtocol()調用通信協議下載接口傳入設備認證編碼、工裝類型編碼和車型項目代號，訪問成功返回通信協議內容。

3.2.2 與PAD數據交互

裝置程序創建IPadInteraction接口與外部模塊進行數據交互，其UML如圖5所示。軟件設計首先通過StartPadProcess()和GetConnectedPAD()類函數實現與PAD的TCP連接，并獲取當前在線PAD的狀態。

程序創建PadStateMachine類用于維護與PAD的之間的連接。其中，DataAnalysis()函數用于解析PAD發送的數據報文； netEstiblishHandler()函數用于處理組網報文，將組網信息保存到本地數據庫，并向PAD反饋是否保存成功，autoOperateHandler()用來接收和解析PAD發送的自動操作報文，根據報文內容向MVB設備或直流控制柜發送控制指令， autoConfirmHandler()用來接收和解析PAD發送的自動確認報文，如果信號字段存在，則向PAD反饋變量狀態是否與期望值一致。

圖5 PAD數據交互UML

3.2.3 與MVB數據交互

裝置通過調用MVBBusCom模塊實現MVB通信，其UML如圖6所示。

接口IMVBBusCom用于與外部模塊進行交互。其中ComDataConfig()實現MVB驅動加載以及初始化，GetData(int)獲取MVB設備的變量信息，SetData(int, int)設置要發送的控制指令信息，RunPeriodCommunication用于保持與MVB總線設備周期性通信。

3.2.4 與直流柜數據交互

接口ISmartDevice用于與直流柜交互數據，其UML如圖7所示。ReadSpecificInputData()用于讀取指定直流柜的輸入數據，ReadAllInputData()用于讀取所有輸入數據，WriteSpecificOutputData()用于寫入指定的直流柜的輸出數據，ReadOutputStatus()用于讀取當前輸出狀態。

圖7 直流柜數據交互UML

3.3 監控界面設計

單車試驗裝置提供友好的用戶交互界面，用戶可通過賬號密碼完成登錄操作。軟件提供了通訊協議下載、設備在線狀態查看、變量監控，歷史數據查詢以及設備參數配置等功能，監控界面結構如圖8所示。

圖8 監控界面結構

創建QDlgUserLoginWindow類用于管理用戶登錄操作，當用戶輸入賬戶密碼，點擊登陸后，程序會查詢本地數據庫，確定用戶的信息合法性，給出用戶登錄成功或失敗提示。

創建QDlgDownloadProtocolWindow類用于通訊協議的下載功能。用戶可配置需要下載的協議的工裝類型編碼及車型項目代號，并通過下載按鈕從服務器下載指定的通訊協議。

創建QDlgDeviceOnlineStatusWindow類用于管理設備的在線狀態，如直流柜、PAD等，程序界面會顯示當前已經連接設備。

創建QDlgHardWireIOWindow類用于管理底層變量的監控功能，其中，MvbIoInterfaceUI和SmartDeviceIoInterfaceUI分別負責MVB和直流柜變量監控功能。SetTree()函數用于生成變量監控界面的樹形結構。

創建QDlgHistoryDataQueryWindow類用于過程數據的查詢功能。用戶可通過軟件界面，設置需要查詢的過程數據的起止時間并查詢，軟件會自動查詢符合條件的條目并顯示到界面中。

創建QDlgIPSetWindow類用于設備信息的配置功能，用戶可以查看當前設備類型的配置及IP信息，并通過軟件界面配置需要的當前設備類型和IP地址。

4 現場試驗與功能驗證

為驗證單車試驗裝置的有效性，在應用現場對裝置進行了系統聯調。裝置通過后臺運行的程序調用GetAuthorization()函數與數字化調試平臺完成授權認證，只有授權通過后才能進行人員同步、人員登陸以及通信協議文件的下載。

裝置對通信協議文件進行解析，并通過調用ComDataConfig()函數完成通信參數配置及初始化，與動車組和直流柜建立起數據連接，通過裝置人機界面可觀察到動車組的當前狀態。

操作人員通過點擊手持終端PAD的試驗項點內容，控制試驗裝置進行單車網絡調試。裝置通過IPadInteraction接口將接收到的調試命令發送給動車組執行，并對執行結果進行反饋。

圖9和圖10分別為動車組MVB網絡IO試驗和直流柜試驗監控界面。試驗結果表明本文設計的單車試驗裝置完成了預定目標，能夠滿足目前標準化動車組單車調試需求。

圖9 MVB網絡試驗

圖10 直流柜試驗

5 結束語

針對動車組調試現場存在調試裝置之間缺乏協同性、配合不緊密、操作復雜、自動化程度低、調試周期長等問題，研發了一種基于車載網絡的動車組單車試驗裝置。以該調試裝置為中心，輻射多種試驗工裝，實現各試驗裝備間的數據交互與無縫銜接，為實現調試流程的系統化、協同化、高效化提供了保障。同時，該裝置可與數字化調試平臺(服務器)直接進行數據交互，實現了單車試驗任務、試驗數據統一管理與集中控制，提升了產品質量追溯能力。此外，該裝置除可實現車載I/O網絡設備調試外，還可模擬多種網絡控制信號，在單車階段完成軸溫、空調等子系統的功能驗證，通過擴展單車試驗項點和范圍，將部分編組試驗前移至單車，可壓減整列調試內容，有效地緩解整列調試臺位資源緊張的問題。