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(huán)節(jié)智能化為核心，以網(wǎng)絡互聯(lián)為支撐的智能制造是當今技術(shù)發(fā)展的趨勢。動車組在生產(chǎn)制造及檢修過程中，必須對其關鍵功能進行充分調(diào)試，并根據(jù)所獲取的列車狀態(tài)數(shù)據(jù)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(diào)試現(xiàn)場中不同工序的調(diào)試裝置之間缺乏協(xié)同性，需要多名試驗人員同時控制多臺調(diào)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(diào)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(chǎn)效率。

車載通信網(wǎng)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(shù)據(jù)的傳輸，直接關乎動車組是否能夠正常運行，是生產(chǎn)制造中的極為復雜的環(huán)節(jié)[3-4]。本文設計的單車試驗裝置以車載網(wǎng)絡為基礎，可實現(xiàn)與多個單車試驗設備數(shù)據(jù)互通，融合車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)與試驗設備數(shù)據(jù)，保障單車試驗自動化進行；同時，裝置可與數(shù)字化調(diào)試平臺DMS實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成試驗任務、工藝流程、試驗數(shù)據(jù)等的集中管理，極大提高了單車調(diào)試效率和質(zhì)量可追溯能力。

1 總體功能設計

標準化動車組單車調(diào)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。單車試驗裝置作為整個調(diào)試系統(tǒng)的核心設備分別與數(shù)字化調(diào)試平臺、動車組車載網(wǎng)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(shù)據(jù)交互，為自動化協(xié)同調(diào)試、車輛健康狀態(tài)診斷提供了基礎，具體數(shù)據(jù)交互方式和實現(xiàn)的功能如下：

1) 單車試驗裝置與數(shù)字化調(diào)試平臺通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)化調(diào)試平臺主要負責統(tǒng)一管理與下發(fā)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(xié)議；同時，單車試驗裝置會將所有試驗相關的過程數(shù)據(jù)及試驗結(jié)果上傳到數(shù)字化調(diào)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(shù)據(jù)通信。單車試驗裝置具備總線管理器BA輪詢功能，可根據(jù)配置的協(xié)議主動輪詢車輛全部在線設備[5]，并根據(jù)手持終端PAD下發(fā)的試驗命令模擬車輛MVB網(wǎng)絡試驗工況，采集車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時監(jiān)視。

3)單車試驗裝置與手持終端PAD通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互。操作人員通過手持終端人機界面發(fā)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(diào)試設備執(zhí)行相應動作，并將車輛狀態(tài)、試驗結(jié)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(wǎng)進行交互[6]，單車試驗裝置可根據(jù)試驗操作向直流柜發(fā)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(tài)，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(diào)試系統(tǒng)

2 裝置硬件結(jié)構(gòu)

單車試驗裝置硬件由便攜式主機、MVB網(wǎng)卡、無線網(wǎng)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(diào)試環(huán)境應用要求，主要部件參數(shù)如下：

1)考慮到動車組制造車間環(huán)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(xiàn)場調(diào)試環(huán)境。主機配備I5-6500T CPU、8 GB內(nèi)存、256 GB固態(tài)硬盤、17.3寸顯示屏，具有PCI、以太網(wǎng)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(shù)據(jù)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(diào)試接口。

3)主機內(nèi)置無線網(wǎng)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(fā)基于Window操作系統(tǒng)，采用Qt Creator開發(fā)工具。

3.1 子系統(tǒng)接口功能

單車試驗裝置與外部設備進行數(shù)據(jù)交互的接口如圖2所示。MVB總線接口負責與動車組MVB網(wǎng)絡設備進行數(shù)據(jù)交互；Wi-Fi接口負責與遠程數(shù)字化調(diào)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(jù)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(shù)據(jù)通信由MVB網(wǎng)卡內(nèi)部TCN協(xié)議棧軟件實現(xiàn)，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(nèi)容，完成對各個端口參數(shù)(如端口名稱、源宿端口、數(shù)據(jù)長度、特征周期等)的配置。MVB網(wǎng)卡通信驅(qū)動程序的邏輯如圖3所示[9]。網(wǎng)卡驅(qū)動程序的開發(fā)中采用QDom工具解析，編譯后完成網(wǎng)卡驅(qū)動程序動態(tài)鏈接庫的創(chuàng)建，便于上位機應用程序?qū)ζ浜瘮?shù)功能的調(diào)用[10]。

圖3 MVB網(wǎng)卡驅(qū)動程序邏輯

2) 單車網(wǎng)絡裝置與數(shù)字化調(diào)試平臺DMS間采用http協(xié)議進行通信，主要數(shù)據(jù)接口及功能描述如下：

授權(quán)認證接口。新接入的單車網(wǎng)絡裝置如需跟DMS系統(tǒng)通信，必須先對其進行認證授權(quán)，只有授權(quán)通過后才能進行數(shù)據(jù)通信。

人員同步接口。單車網(wǎng)絡裝置請求DMS系統(tǒng)，獲得DMS系統(tǒng)內(nèi)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(wǎng)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(diào)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(tǒng)查看裝置在線清單。

通信協(xié)議下載接口：裝置請求DMS系統(tǒng)，獲得DMS系統(tǒng)內(nèi)所指定的車型的通信協(xié)議，如MVB通信協(xié)議、直流控制柜通信協(xié)議等。

試驗過程數(shù)據(jù)上傳接口：裝置請求DMS系統(tǒng)，上送指定調(diào)試任務的試驗過程數(shù)據(jù)。

3)單車試驗裝置與直流柜之間采用TCP協(xié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀寫接口。一方面，單車網(wǎng)絡裝置周期性向直流柜發(fā)送讀請求報文，直流柜以自身采集的車輛狀態(tài)信號作為響應；另一方面，單車試驗裝置根據(jù)手持終端PAD發(fā)送的操作指令，向直流柜發(fā)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(xié)議下載接口。單車試驗裝置將從數(shù)字化調(diào)試平臺下載的通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給直流柜，用于其通信參數(shù)的配置，內(nèi)容包括車輛號、線號名、數(shù)據(jù)類型、字節(jié)偏移、位偏移等。

4) 單車試驗裝置與手持終端PAD的數(shù)據(jù)接口采用TCP協(xié)議進行通信，主要數(shù)據(jù)接口及功能描述如下：

組網(wǎng)接口。網(wǎng)絡連接建立之后，PAD主動向單車網(wǎng)絡裝置發(fā)送請求，將試驗所涉及的車輛、任務、工裝設備、人員等信息發(fā)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(fā)送自動操作指令，單車試驗裝置根據(jù)接收到的任務ID、車輛號、工裝類型、操作內(nèi)容等信息，向動車組或其他調(diào)試設備發(fā)送調(diào)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(jù)試驗任務發(fā)送自動確認指令，以檢測動車組當前的狀態(tài)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(jié)果等信息，單車試驗裝置根據(jù)動車組當前實際的工況做出響應。

3.2 軟件功能模塊實現(xiàn)

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

3.2.1 與數(shù)字化調(diào)試平臺數(shù)據(jù)交互

裝置通過調(diào)用ServerInteraction模塊提供的方法組建接口數(shù)據(jù)報文，與服務器進行http交互，其UML如圖4所示。

圖4 服務器數(shù)據(jù)交互UML

軟件設計主要通過以下函數(shù)實現(xiàn)： GetAuthorization()調(diào)用認證授權(quán)接口傳入裝置類型和mac地址兩個參數(shù)，認證成功返回該裝置在DMS系統(tǒng)中產(chǎn)生的唯一編號，TimeCheck()調(diào)用時間校驗接口傳入設備認證編碼和本地系統(tǒng)的時間戳，訪問成功返回服務器時間，OperatorSync()調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)用通信協(xié)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(xié)議內(nèi)容。

3.2.2 與PAD數(shù)據(jù)交互

裝置程序創(chuàng)建IPadInteraction接口與外部模塊進行數(shù)據(jù)交互，其UML如圖5所示。軟件設計首先通過StartPadProcess()和GetConnectedPAD()類函數(shù)實現(xiàn)與PAD的TCP連接，并獲取當前在線PAD的狀態(tài)。

程序創(chuàng)建PadStateMachine類用于維護與PAD的之間的連接。其中，DataAnalysis()函數(shù)用于解析PAD發(fā)送的數(shù)據(jù)報文； netEstiblishHandler()函數(shù)用于處理組網(wǎng)報文，將組網(wǎng)信息保存到本地數(shù)據(jù)庫，并向PAD反饋是否保存成功，autoOperateHandler()用來接收和解析PAD發(fā)送的自動操作報文，根據(jù)報文內(nèi)容向MVB設備或直流控制柜發(fā)送控制指令， autoConfirmHandler()用來接收和解析PAD發(fā)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(tài)是否與期望值一致。

圖5 PAD數(shù)據(jù)交互UML

3.2.3 與MVB數(shù)據(jù)交互

裝置通過調(diào)用MVBBusCom模塊實現(xiàn)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(xiàn)MVB驅(qū)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(fā)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(shù)據(jù)交互

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

圖7 直流柜數(shù)據(jù)交互UML

3.3 監(jiān)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(xié)議下載、設備在線狀態(tài)查看、變量監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)查詢以及設備參數(shù)配置等功能，監(jiān)控界面結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 監(jiān)控界面結(jié)構(gòu)

創(chuàng)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(shù)據(jù)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(chuàng)建QDlgDownloadProtocolWindow類用于通訊協(xié)議的下載功能。用戶可配置需要下載的協(xié)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(xié)議。

創(chuàng)建QDlgDeviceOnlineStatusWindow類用于管理設備的在線狀態(tài)，如直流柜、PAD等，程序界面會顯示當前已經(jīng)連接設備。

創(chuàng)建QDlgHardWireIOWindow類用于管理底層變量的監(jiān)控功能，其中，MvbIoInterfaceUI和SmartDeviceIoInterfaceUI分別負責MVB和直流柜變量監(jiān)控功能。SetTree()函數(shù)用于生成變量監(jiān)控界面的樹形結(jié)構(gòu)。

創(chuàng)建QDlgHistoryDataQueryWindow類用于過程數(shù)據(jù)的查詢功能。用戶可通過軟件界面，設置需要查詢的過程數(shù)據(jù)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(chuàng)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(xiàn)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(xiàn)場對裝置進行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。裝置通過后臺運行的程序調(diào)用GetAuthorization()函數(shù)與數(shù)字化調(diào)試平臺完成授權(quán)認證，只有授權(quán)通過后才能進行人員同步、人員登陸以及通信協(xié)議文件的下載。

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

操作人員通過點擊手持終端PAD的試驗項點內(nèi)容，控制試驗裝置進行單車網(wǎng)絡調(diào)試。裝置通過IPadInteraction接口將接收到的調(diào)試命令發(fā)送給動車組執(zhí)行，并對執(zhí)行結(jié)果進行反饋。

圖9和圖10分別為動車組MVB網(wǎng)絡IO試驗和直流柜試驗監(jiān)控界面。試驗結(jié)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(diào)試需求。

圖9 MVB網(wǎng)絡試驗

圖10 直流柜試驗

5 結(jié)束語

針對動車組調(diào)試現(xiàn)場存在調(diào)試裝置之間缺乏協(xié)同性、配合不緊密、操作復雜、自動化程度低、調(diào)試周期長等問題，研發(fā)了一種基于車載網(wǎng)絡的動車組單車試驗裝置。以該調(diào)試裝置為中心，輻射多種試驗工裝，實現(xiàn)各試驗裝備間的數(shù)據(jù)交互與無縫銜接，為實現(xiàn)調(diào)試流程的系統(tǒng)化、協(xié)同化、高效化提供了保障。同時，該裝置可與數(shù)字化調(diào)試平臺(服務器)直接進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了單車試驗任務、試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與集中控制，提升了產(chǎn)品質(zhì)量追溯能力。此外，該裝置除可實現(xiàn)車載I/O網(wǎng)絡設備調(diào)試外，還可模擬多種網(wǎng)絡控制信號，在單車階段完成軸溫、空調(diào)等子系統(tǒng)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(diào)試內(nèi)容，有效地緩解整列調(diào)試臺位資源緊張的問題。