基于武漢地鐵5 號線列車車載數(shù)碼視頻錄像機設備結構優(yōu)化研究

胡美文，劉陽

（武漢地鐵運營有限公司，湖北 武漢 430030）

武漢軌道交通5 號線于2021 年12 月26 日開通，為武漢軌道交通首條無人駕駛線路，全自動駕駛按公共交通國際聯(lián)會（Union International des Transports Public，UITP）規(guī)定的列車自動化水平最高等級GOA4配置。因全自動駕駛列車主要通過列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行車廂狀態(tài)的遠程監(jiān)控以及視頻存儲，應對車廂內發(fā)生突發(fā)情況，可通過遠程監(jiān)控功能查看列車實時狀況，以及后續(xù)進行事件視頻的調取。為實現(xiàn)列車對車廂內進行全方位監(jiān)控，武漢地鐵5 號線單節(jié)車配置6 個高清IP攝像頭用于監(jiān)測客室狀況，列車采用4 動2 拖6 節(jié)編組，拖車另配置2 個高清攝像頭監(jiān)控司機臺以及軌道狀況，單列車配置高達40 個高清攝像頭。一列車的視頻存儲時長為3 個月，但在進行車載數(shù)碼視頻錄像機設備檢查時發(fā)現(xiàn)，設備運行時存在內部溫度過高的現(xiàn)象。

1 基本原理

乘客信息系統(tǒng)（PIS）由列車廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成，武漢地鐵5 號線列車PIS 系統(tǒng)拓撲圖如圖1 所示，本系統(tǒng)為一個“分布式”系統(tǒng)，列車兩端駕駛室內均安裝有一套相互冗余的系統(tǒng)控制器，控制整列列車的乘客信息系統(tǒng)的運行，每個客室內均安裝有一套相同的客室控制器及視頻交換機，所有的設備均掛載在網(wǎng)絡上，設備均采用模塊化、一體化的設計方式，廣播系統(tǒng)設備、視頻系統(tǒng)設備分別各節(jié)車廂，各個設備采用模塊化設計，集成于3U 車載防磁機箱中，所有模塊間的信號在設備內部通過背板傳輸，任何一個客室控制器的損壞都不會導致其他控制器的失效。每個單元配備一個車載數(shù)碼視頻錄像機（TDVR），該設備基于Linux 系統(tǒng)，具有快速的響應速度、較高的可靠性等特點。車載數(shù)碼視頻錄像機從列車共計40 個IP 攝像頭取流，存儲于錄像機內配置的三塊8TB 容量硬盤中，兩個單元視頻存儲互為備份。TDVR 采用標準19英寸3U 機箱，所有連接器均位于設備的前端。武漢地鐵5 號線列車采用國產A 型車，6 輛編組方式：Tc-M1-M2=M2-M1-Tc,3U 機箱位于M1 拖車1 位側座椅下方，車載數(shù)碼視頻錄像機通過自帶以太網(wǎng)絡接口連接SW 的交換機上，并通過交換機連接到列車以太網(wǎng)上。

圖1 PIS 系統(tǒng)拓撲圖

列車單個高清攝像機攝錄每半小時車載數(shù)碼視頻錄像機將存儲大約200M 大小的視頻，武漢地鐵5 號線列車要求視頻存儲時長可達90 天。為了保證正常的視頻存儲要求，每個車載數(shù)碼視頻錄像機內配置3 塊8TB 硬盤。車載數(shù)碼視頻錄像機如圖2 所示，其內部設計有一個工業(yè)級的防震硬盤支架，放置硬盤，三塊硬盤采用并聯(lián)的方式與轉接板相連，放置于圖示硬盤位置。

圖2 車載數(shù)碼視頻錄像機硬盤位置示意圖

2 故障分析

在硬盤工作時，電流發(fā)熱溫度在車載數(shù)碼視頻錄像機內聚集，設備機箱為封閉狀態(tài)，無法進行散熱，溫度持續(xù)升高，采用溫度試紙測試發(fā)現(xiàn)溫度可至75℃。硬盤規(guī)格書中關于硬盤環(huán)境溫度注明，硬盤操作溫度為0 ～65℃。現(xiàn)硬盤工作環(huán)境溫度高于硬盤操作溫度，長時間工作在該溫度下存在較大安全隱患。

針對該問題，第一步：考慮到該溫度升高為硬盤工作電流發(fā)熱引起，因此，首先，從硬盤本身分析。為確認硬盤工作電流是否為其環(huán)境溫度升高的主要原因，選擇容量、物理尺寸規(guī)格參數(shù)一致，功率更低的硬盤進行替換，查看其溫度測試情況。目前，列車采用的是西數(shù)的WD82EJRX（8TB）硬盤,平均的讀取/寫入功率為8.6W(12v 輸入)，全速運行下理論功率25.8W,在本次測試中，選用相同存儲容量以及物理尺寸（3.5 英寸），功率更低的硬盤——西數(shù)的WD80EJRX（8TB）硬盤，平均的讀取/寫入功率為6.4W，總功率19.2W,相對列車正在使用的硬盤，功率降低6.6W。在同一列車上分別在兩個車載數(shù)碼視頻錄像機中放置以上兩種硬盤，確保列車進行正常存儲后運行，對比觀察發(fā)現(xiàn)，功率更低的WD80EJRX（8TB）機箱內無明顯溫度下降。由此可見，雖然車載數(shù)碼視頻錄像機環(huán)境溫度升高為硬盤工作電流發(fā)熱引起，但硬盤參數(shù)的選用并非為引起環(huán)境溫度升高的主要原因。

第二步：考慮為設備結構問題。對設備機箱進行了改進工況下的溫度對比測試。工況1：在車載數(shù)碼視頻錄像機的上蓋板增加均勻散熱孔，在機箱內及硬盤處粘貼溫度試紙；工況2：拆除機箱上蓋板，在機箱內及硬盤處粘貼溫度試紙；工況3：在列車原始結構機箱內粘貼溫度試紙（包含硬盤）。在相同的運行條件下，車載數(shù)碼視頻錄像機結構分別采用以上3 種工況運行。測試發(fā)現(xiàn)，三種工況下機箱的環(huán)境溫度無變化，工況1 下硬盤溫度為71℃，工況2 硬盤溫度為65℃，工況3 硬盤為77℃，由此可見，兩種結構改進的工況下硬盤溫度有所降低，設備結構問題為引起硬盤工作環(huán)境溫度升高的原因，但是目前的結構改進無法滿足硬盤工作環(huán)境溫度在硬盤操作溫度范圍內的要求。

3 整改措施

通過故障分析可見，車載數(shù)碼視頻錄像機內部溫度過高主要為設備封閉結構的原因，致使硬盤工作產生的熱量無法排出，在設備機箱內聚集導致，因此，需進行設備機箱結構優(yōu)化。考慮到車載數(shù)碼視頻錄像機若不設置蓋板，車載數(shù)碼視頻錄像機內部電路板連接線可能存在松脫，在運行過程中產生異響、卡滯機箱滑道的可能，因此，仍舊保留車載數(shù)碼視頻錄像機機箱上蓋板。通過3 種工況下環(huán)境溫度無明顯變化可見，僅進行結構的改進無法有效降低硬盤工作環(huán)境溫度，故考慮采用輔助散熱設備以進行環(huán)境溫度的降溫。

目前，車載數(shù)碼視頻錄像機內部具有4 個供電輸出口，其中3 個硬盤各使用一個，因此采用該空閑供電口可增設輔助散熱設備。考慮通過輔助散熱設備加強機箱內的空氣流動的方式進行環(huán)境溫度的降溫，如圖3 所示，在機箱右側（硬盤所在區(qū)域）安裝2 個小功率散熱風扇。在機箱上對應位置進行打孔，將風扇通過螺栓固定在設備右側硬盤區(qū)，風扇工作時，采用左側吸風右側排風的方式，可將硬盤產生的熱量吸出，同時采用工況1 的方案進行蓋板開孔的方式，借助空氣的流通，將硬盤工作時產生的熱量快速排向設備機箱外部。分別在三列車的一側共計3 個車載數(shù)碼視頻錄像機的機箱采用該方案，另一側車載數(shù)碼視頻錄像機作為對照組進行了溫度測試，測試發(fā)現(xiàn)，硬盤環(huán)境溫度由75℃下降到方案改進后的最高52℃，由此可見，該方案可有效解決列車車載數(shù)碼視頻錄像機溫度過高的問題。

圖3 風扇安裝示意圖

4 結語

本次通過對武漢地鐵5 號線列車車載數(shù)碼視頻錄像機的機箱結構優(yōu)化整改，增設輔助散熱設備，有效地解決了該設備運行時存在的機箱內部溫度過高問題。在封閉結構內對存在發(fā)熱的設備進行安裝時需考慮其散熱方式，可及時預防此類問題的發(fā)生。