張曉健

南京地鐵1號(hào)線車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀的研究與應(yīng)用

張曉健

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，210012，南京//助理工程師）

南京地鐵1號(hào)線運(yùn)營(yíng)10年以來(lái),列車(chē)在正線運(yùn)行中發(fā)生的故障數(shù)量和類(lèi)型都越來(lái)越多，但車(chē)上現(xiàn)有的診斷設(shè)備記錄車(chē)輛關(guān)鍵數(shù)據(jù)的能力有限，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)，并不足以給維修技術(shù)人員提供全面的信息。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)車(chē)輛WorldFIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了的車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀。該記錄儀通過(guò)專用隔離變壓器接入列車(chē)WorldFIP網(wǎng)絡(luò)總線，在物理層解決網(wǎng)絡(luò)接入問(wèn)題的同時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)特征及變量特征進(jìn)行協(xié)議分析，并結(jié)合已有的變量定義，解析并記錄FIP網(wǎng)絡(luò)中的所有通信數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，所設(shè)計(jì)的車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀能持續(xù)且較全面地記錄所有WorldFIP網(wǎng)絡(luò)上的通信數(shù)據(jù)，非常有利于故障的查找和分析，從而能準(zhǔn)確地解決故障、提高車(chē)輛故障的處理效率。

南京地鐵；車(chē)輛；WorldFIP網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)記錄儀

目前，南京地鐵1號(hào)線電客車(chē)采用的是WorldFIP（以下簡(jiǎn)為FIP）網(wǎng)絡(luò)，車(chē)上沒(méi)有安裝獨(dú)立的車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄儀，而現(xiàn)有的用于車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄、分析的設(shè)備和工具（電子視頻記錄儀）已無(wú)法滿足需要。由于1號(hào)線電客車(chē)的技術(shù)設(shè)備以及總線協(xié)議均由國(guó)外公司提供，想要提升設(shè)備性能，完成升級(jí)改造，需要承擔(dān)昂貴的改造費(fèi)用。因此，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化非常必要，也是我國(guó)軌道交通行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［1-3］。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，約有50%的電客車(chē)故障為瞬態(tài)故障。當(dāng)列車(chē)發(fā)生瞬態(tài)故障后，由于缺乏相關(guān)的歷史記錄信息（原有EVR記錄時(shí)間短，記錄信息少且為條件式觸發(fā)記錄），只能回庫(kù)后進(jìn)行模擬試驗(yàn)或者在試車(chē)線上試跑，這給準(zhǔn)確查找出故障原因帶來(lái)了較大困難。若對(duì)調(diào)設(shè)備或器件進(jìn)行跟蹤觀察，又容易造成故障的二次發(fā)生，不僅降低了列車(chē)故障的處理率，也降低了列車(chē)的可靠性。

本文設(shè)計(jì)的車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀是一個(gè)面向列車(chē)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有較高的實(shí)時(shí)性、同步性和可靠性。該設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)視列車(chē)各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間的記錄和存儲(chǔ)，使車(chē)輛維修人員能掌握更多的車(chē)輛數(shù)據(jù)信息，從而快速、深入地定位、分析、排除故障，促進(jìn)地鐵運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的保障工作。

1 電客車(chē)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

圖1所示為南京地鐵1號(hào)線電客車(chē)TIMS（列車(chē)綜合管理系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。FIP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是TIMS的核心，分為FIPT列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)和FIPV車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)。其中，F(xiàn)IPT為兩個(gè)單元MPU（網(wǎng)絡(luò)主控制單元）之間的通信網(wǎng)絡(luò)；FIPV為本單元設(shè)備間的通信網(wǎng)絡(luò)。車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀直接接入FIPV車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)的物理層，每個(gè)單元1臺(tái)，負(fù)責(zé)所在單元的信息監(jiān)測(cè)和記錄，只監(jiān)聽(tīng)、解析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任何數(shù)據(jù)。FIP網(wǎng)絡(luò)上所接設(shè)備及功能如表1所示。

圖1 南京地鐵1號(hào)線TIMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表1 南京地鐵1號(hào)線電客車(chē)FIPV網(wǎng)絡(luò)所接設(shè)備及功能

2 車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀的硬件

車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀的硬件部分包括機(jī)箱、CPU板、FIP網(wǎng)卡、開(kāi)關(guān)量采集板、模擬量采集板、110 V電源板和總線底板等。按照車(chē)載電子系統(tǒng)硬件框架的標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展、可升級(jí)、易測(cè)試、易維護(hù)等要求，車(chē)載記錄診斷裝置的硬件結(jié)構(gòu)采用多板結(jié)構(gòu)。將各功能模塊的板卡（子板）采用邊緣插頭的互連結(jié)構(gòu)插在母板上，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，F(xiàn)IP網(wǎng)卡接收車(chē)輛總線上的交互數(shù)據(jù)。FIP網(wǎng)卡以PC104的形式接插在CPU之上（見(jiàn)圖3），用于FIP網(wǎng)絡(luò)的電平轉(zhuǎn)換、解碼、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)格式整理和FIP總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)。網(wǎng)卡板的核心控制元件選用Altera公司Cyclone系列FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）芯片EP1C3T100C8N，完全從底層自主設(shè)計(jì)。該網(wǎng)卡實(shí)物圖如圖4所示。

圖2 車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 CPU板與網(wǎng)卡板連接示意圖

圖4 FIP網(wǎng)卡

為了保證物理層上FIP網(wǎng)卡接收到的信號(hào)能夠與總線上其他設(shè)備相匹配，網(wǎng)卡的總線驅(qū)動(dòng)器沿用了阿爾斯通公司所用的FIP總線驅(qū)動(dòng)器FIELDRIVE。該驅(qū)動(dòng)器是一種集成化的總線驅(qū)動(dòng)芯片，具有總線信號(hào)驅(qū)動(dòng)、監(jiān)測(cè)、調(diào)理、電平轉(zhuǎn)換和相關(guān)異常保護(hù)功能［4-5］。它與信號(hào)隔離變壓器聯(lián)用，用于連接FIP通用控制器（自主研發(fā)的FIP網(wǎng)卡則以FPGA芯片替代）與FIP物理層通信介質(zhì)（如屏蔽雙絞線）。根據(jù)FIELDRIVE器件的相應(yīng)功能，在網(wǎng)卡中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器外圍電路，如總線驅(qū)動(dòng)電路、總線接收電路、總線監(jiān)測(cè)電路，以及相關(guān)監(jiān)測(cè)接口電路和測(cè)試接口電路等。

FIP網(wǎng)卡通過(guò)并行總線的方式實(shí)現(xiàn)與CPU板之間的數(shù)據(jù)交互。CPU板是車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀的核心板卡之一，主要功能有：

（1）解析網(wǎng)卡收到的查詢幀并作出應(yīng)答；

（2）處理I/O（輸入/輸出）板（110 V開(kāi)關(guān)量）和AD板（4～20 mA模擬量）傳回的列車(chē)狀態(tài)信息；

（3）判斷網(wǎng)卡所接收的信息并將其按周期變量和偶發(fā)變量存入CF卡中；

（4）掉電數(shù)據(jù)保護(hù)與上電恢復(fù)，多任務(wù)調(diào)度以及內(nèi)存管理。

CPU板與FIP網(wǎng)卡之間通過(guò)64位的接插件進(jìn)行連接，與其他板卡之間則通過(guò)背板的I2C總線進(jìn)行連接，CPU板實(shí)物圖如圖5所示。CPU板使用ARM STM32F103內(nèi)核處理器作為核心控制部件。STM32F103系列微處理器是基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器，代碼效率很高，可將ARM內(nèi)核的高性能特性在常規(guī)8位和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮得相當(dāng)充分。STM32F103系列微處理器的工作頻率最高可達(dá)72 MHz，芯片內(nèi)置高達(dá)128 K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20 K字節(jié)的SRAM，通用I/O端口功能多種多樣。

圖5 CPU板

車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄議采用CF卡作為大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，當(dāng)系統(tǒng)斷電后，可將本裝置的CF卡取出，通過(guò)上位機(jī)軟件將其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到上位機(jī)，然后將所選時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表顯示。本裝置采用循環(huán)存儲(chǔ)方式，當(dāng)CF卡寫(xiě)滿后會(huì)以新采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)覆蓋歷史數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用情況

在實(shí)際應(yīng)用中，車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)下載方式設(shè)計(jì)得較為便捷：將本裝置斷電后取出CF卡（原EVR數(shù)據(jù)下載需要將MPU斷電），在車(chē)上經(jīng)專用讀卡器連接上位機(jī)程序，即可完成數(shù)據(jù)的的下載、顯示與分析。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)，可選擇CF卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)間區(qū)間，在選擇好時(shí)間區(qū)間和車(chē)號(hào)后可快速導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如圖6所示?？蛇x擇所在時(shí)間區(qū)間內(nèi)的所有設(shè)備與MPU之間的通信變量（見(jiàn)圖7），并對(duì)所選變量進(jìn)行圖表顯示且無(wú)變量個(gè)數(shù)和時(shí)間的限制，如圖8所示。圖8中為ATC設(shè)備發(fā)送到MPU的所有數(shù)據(jù)的說(shuō)明。

圖6 數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)間選擇界面

圖7 顯示變量選擇界面

另外，車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀可記錄682個(gè)故障信息，DDU（駕駛顯示單元）上顯示過(guò)的故障均能被記錄，其中比較典型的是車(chē)門(mén)控制電子單元（EDCU）發(fā)給MPU的車(chē)門(mén)故障和狀態(tài)信息。

圖8 ATC相關(guān)變量的圖表顯示界面

正線車(chē)門(mén)系統(tǒng)故障數(shù)量比較多。當(dāng)發(fā)生車(chē)門(mén)故障時(shí)，DDU故障欄中只顯示“車(chē)門(mén)輕級(jí)故障”或“車(chē)門(mén)嚴(yán)重故障”，對(duì)應(yīng)車(chē)門(mén)圖標(biāo)顯紅。正線上相當(dāng)數(shù)量的車(chē)門(mén)故障為非永久性的，回庫(kù)后故障現(xiàn)象已消失，此時(shí)需下載故障車(chē)門(mén)的EDCU。圖9所示為從EDCU下載的車(chē)門(mén)故障信息界面，界面為全英文，且只有故障代碼（Failure-Code）和故障發(fā)生的次數(shù)（Failure-Counter），無(wú)具體故障發(fā)生的對(duì)應(yīng)時(shí)間。故針對(duì)車(chē)門(mén)故障，只能試著將車(chē)門(mén)尺寸、電氣線路普查一遍，但很難檢查出故障點(diǎn)，致使同類(lèi)故障再次發(fā)生。若是司機(jī)報(bào)錯(cuò)故障車(chē)門(mén)位置，回庫(kù)后故障又消失，則基本上很難定位故障點(diǎn)。

圖9 EDCU導(dǎo)出的車(chē)門(mén)故障顯示

圖10 所示為從車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀中導(dǎo)出的故障信息表，導(dǎo)出的故障清單可以使用辦公軟件（Office Excel）打開(kāi)。從圖10中可以看到，列車(chē)故障信息的記錄比較全面和具體，且以中文描述，包含了每個(gè)故障發(fā)生以及消失的時(shí)刻、名稱和位置。通過(guò)故障信息表，車(chē)輛維修人員對(duì)發(fā)生過(guò)的故障一目了然，可對(duì)故障進(jìn)行快速定位，并不依賴于司機(jī)對(duì)故障的描述。尤其是針對(duì)車(chē)門(mén)故障，可以看到所有故障車(chē)門(mén)的具體故障信息，不再需要去下載EDCU，較之前省時(shí)又省力。該車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀可大大提高故障的查找和處理效率，從而提高列車(chē)的可靠性。車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖10 車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀導(dǎo)出的故障表

表2 車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀的主要技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

車(chē)輛數(shù)據(jù)記錄儀從物理層接入，不影響原FIP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，既能偵聽(tīng)到底層數(shù)據(jù)，又能減少對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)的影響。該裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，直接接入FIPV網(wǎng)絡(luò)即可，且不需要更改原網(wǎng)絡(luò)的任何軟、硬件。而具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主研發(fā)打破了國(guó)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的壟斷，并有進(jìn)一步的創(chuàng)新，在一定程度上填補(bǔ)了我國(guó)地鐵車(chē)輛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄儀技術(shù)的空白。

［1］ 時(shí)瑋.WorldFIP總線技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［2］ 郭然.地鐵列車(chē)WorldFip網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可靠性分析與應(yīng)用研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2014.

［3］ 王洪儉.車(chē)載控制器診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)研究［J］.城市軌道交通研究，2014，17（7）：32-36.

［4］ 吳濤，馬晨普，李礫工.基于ARM核CPU的WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線主控網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)［J］.電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2006，29（2）：51-53.

［5］ 孔利東.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［6］ 孫書(shū)鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，31（12）：59-63.

Research and Application of Vehicle Data Recorder for Nanjing Metro Line 1

ZHANG Xiaojian

The variety and amount of vehicle faults occurred in the main line operation of Nanjing metro Line 1 constantly increased in the past ten years.However，the recording capability of existing devices installed in vehicle for key data is very limited，in case of vehicle fault，comprehensive information could not be provided for maintenance technicians.In view of this problem，a new vehicle data recorder is developed after thorough researches on the network protocol of WorldFIP.This recorder is connected to network bus of WorldFIPby a special isolation transformer，it can analyze and record the communication data in FIP network according to variable definitions.Data comparison in practical application shows that the newly designed vehicle data recorder can record all the communication data in FIPnetwork continuously and comprehensively，solve vehicle faults and enhance the processing efficiency of vehicle faults，therefore，it is very convenient for the analysis and location of vehicle faults.

Nanjing metro； vehicle； WorldFIP network；data recorder

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.10.029

Author′s address Nanjing Metro Operation Co.，Ltd.，210012，Nanjing，China

2015-12-28）