張曉健

南京地鐵1號線車輛數(shù)據(jù)記錄儀的研究與應用

張曉健

（南京地鐵運營有限責任公司，210012，南京//助理工程師）

南京地鐵1號線運營10年以來,列車在正線運行中發(fā)生的故障數(shù)量和類型都越來越多，但車上現(xiàn)有的診斷設備記錄車輛關鍵數(shù)據(jù)的能力有限，當車輛發(fā)生故障時，并不足以給維修技術人員提供全面的信息。針對此問題，對車輛WorldFIP網(wǎng)絡協(xié)議進行研究，開發(fā)了的車輛數(shù)據(jù)記錄儀。該記錄儀通過專用隔離變壓器接入列車WorldFIP網(wǎng)絡總線，在物理層解決網(wǎng)絡接入問題的同時，根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點特征及變量特征進行協(xié)議分析，并結合已有的變量定義，解析并記錄FIP網(wǎng)絡中的所有通信數(shù)據(jù)。通過實際應用中的數(shù)據(jù)對比可以看出，所設計的車輛數(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，從而能準確地解決故障、提高車輛故障的處理效率。

南京地鐵；車輛；WorldFIP網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)記錄儀

目前，南京地鐵1號線電客車采用的是WorldFIP（以下簡為FIP）網(wǎng)絡，車上沒有安裝獨立的車輛運行數(shù)據(jù)記錄儀，而現(xiàn)有的用于車輛數(shù)據(jù)記錄、分析的設備和工具（電子視頻記錄儀）已無法滿足需要。由于1號線電客車的技術設備以及總線協(xié)議均由國外公司提供，想要提升設備性能，完成升級改造，需要承擔昂貴的改造費用。因此，實現(xiàn)關鍵技術和設備的國產(chǎn)化非常必要，也是我國軌道交通行業(yè)的發(fā)展趨勢［1-3］。

經(jīng)統(tǒng)計，約有50%的電客車故障為瞬態(tài)故障。當列車發(fā)生瞬態(tài)故障后，由于缺乏相關的歷史記錄信息（原有EVR記錄時間短，記錄信息少且為條件式觸發(fā)記錄），只能回庫后進行模擬試驗或者在試車線上試跑，這給準確查找出故障原因帶來了較大困難。若對調(diào)設備或器件進行跟蹤觀察，又容易造成故障的二次發(fā)生，不僅降低了列車故障的處理率，也降低了列車的可靠性。

本文設計的車輛數(shù)據(jù)記錄儀是一個面向列車的通信網(wǎng)絡設備，具有較高的實時性、同步性和可靠性。該設備可實時監(jiān)視列車各子系統(tǒng)的運行狀況，實現(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)連續(xù)、長時間的記錄和存儲，使車輛維修人員能掌握更多的車輛數(shù)據(jù)信息，從而快速、深入地定位、分析、排除故障，促進地鐵運營車輛的保障工作。

1 電客車的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

圖1所示為南京地鐵1號線電客車TIMS（列車綜合管理系統(tǒng)）網(wǎng)絡結構。FIP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡是TIMS的核心，分為FIPT列車級網(wǎng)絡和FIPV車輛級網(wǎng)絡。其中，F(xiàn)IPT為兩個單元MPU（網(wǎng)絡主控制單元）之間的通信網(wǎng)絡；FIPV為本單元設備間的通信網(wǎng)絡。車輛數(shù)據(jù)記錄儀直接接入FIPV車輛級網(wǎng)絡的物理層，每個單元1臺，負責所在單元的信息監(jiān)測和記錄，只監(jiān)聽、解析和存儲數(shù)據(jù)，不向網(wǎng)絡發(fā)送任何數(shù)據(jù)。FIP網(wǎng)絡上所接設備及功能如表1所示。

圖1 南京地鐵1號線TIMS網(wǎng)絡結構

表1 南京地鐵1號線電客車FIPV網(wǎng)絡所接設備及功能

2 車輛數(shù)據(jù)記錄儀的硬件

車輛數(shù)據(jù)記錄儀的硬件部分包括機箱、CPU板、FIP網(wǎng)卡、開關量采集板、模擬量采集板、110 V電源板和總線底板等。按照車載電子系統(tǒng)硬件框架的標準，并考慮到系統(tǒng)的可擴展、可升級、易測試、易維護等要求，車載記錄診斷裝置的硬件結構采用多板結構。將各功能模塊的板卡（子板）采用邊緣插頭的互連結構插在母板上，構成整個系統(tǒng)的基本硬件結構，如圖2所示。其中，F(xiàn)IP網(wǎng)卡接收車輛總線上的交互數(shù)據(jù)。FIP網(wǎng)卡以PC104的形式接插在CPU之上（見圖3），用于FIP網(wǎng)絡的電平轉換、解碼、校驗、數(shù)據(jù)格式整理和FIP總線網(wǎng)絡的數(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)場可編程門陣列）芯片EP1C3T100C8N，完全從底層自主設計。該網(wǎng)卡實物圖如圖4所示。

圖2 車輛數(shù)據(jù)記錄儀硬件結構示意圖

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)卡接收到的信號能夠與總線上其他設備相匹配，網(wǎng)卡的總線驅動器沿用了阿爾斯通公司所用的FIP總線驅動器FIELDRIVE。該驅動器是一種集成化的總線驅動芯片，具有總線信號驅動、監(jiān)測、調(diào)理、電平轉換和相關異常保護功能［4-5］。它與信號隔離變壓器聯(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（如屏蔽雙絞線）。根據(jù)FIELDRIVE器件的相應功能，在網(wǎng)卡中設計了相應的驅動器外圍電路，如總線驅動電路、總線接收電路、總線監(jiān)測電路，以及相關監(jiān)測接口電路和測試接口電路等。

FIP網(wǎng)卡通過并行總線的方式實現(xiàn)與CPU板之間的數(shù)據(jù)交互。CPU板是車輛數(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答；

（2）處理I/O（輸入/輸出）板（110 V開關量）和AD板（4～20 mA模擬量）傳回的列車狀態(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)保護與上電恢復，多任務調(diào)度以及內(nèi)存管理。

CPU板與FIP網(wǎng)卡之間通過64位的接插件進行連接，與其他板卡之間則通過背板的I2C總線進行連接，CPU板實物圖如圖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體系結構的32位標準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)的存儲空間上發(fā)揮得相當充分。STM32F103系列微處理器的工作頻率最高可達72 MHz，芯片內(nèi)置高達128 K字節(jié)的Flash存儲器和20 K字節(jié)的SRAM，通用I/O端口功能多種多樣。

圖5 CPU板

車輛數(shù)據(jù)記錄議采用CF卡作為大容量的存儲介質，當系統(tǒng)斷電后，可將本裝置的CF卡取出，通過上位機軟件將其中的數(shù)據(jù)轉儲到上位機，然后將所選時間段的數(shù)據(jù)進行圖表顯示。本裝置采用循環(huán)存儲方式，當CF卡寫滿后會以新采集的數(shù)據(jù)自動覆蓋歷史數(shù)據(jù)。

3 應用情況

在實際應用中，車輛數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)下載方式設計得較為便捷：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），在車上經(jīng)專用讀卡器連接上位機程序，即可完成數(shù)據(jù)的的下載、顯示與分析。數(shù)據(jù)轉儲時，可選擇CF卡存儲數(shù)據(jù)時間段內(nèi)的任意時間區(qū)間，在選擇好時間區(qū)間和車號后可快速導出數(shù)據(jù)，如圖6所示?？蛇x擇所在時間區(qū)間內(nèi)的所有設備與MPU之間的通信變量（見圖7），并對所選變量進行圖表顯示且無變量個數(shù)和時間的限制，如圖8所示。圖8中為ATC設備發(fā)送到MPU的所有數(shù)據(jù)的說明。

圖6 數(shù)據(jù)導入時間選擇界面

圖7 顯示變量選擇界面

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

圖8 ATC相關變量的圖表顯示界面

正線車門系統(tǒng)故障數(shù)量比較多。當發(fā)生車門故障時，DDU故障欄中只顯示“車門輕級故障”或“車門嚴重故障”，對應車門圖標顯紅。正線上相當數(shù)量的車門故障為非永久性的，回庫后故障現(xiàn)象已消失，此時需下載故障車門的EDCU。圖9所示為從EDCU下載的車門故障信息界面，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），無具體故障發(fā)生的對應時間。故針對車門故障，只能試著將車門尺寸、電氣線路普查一遍，但很難檢查出故障點，致使同類故障再次發(fā)生。若是司機報錯故障車門位置，回庫后故障又消失，則基本上很難定位故障點。

圖9 EDCU導出的車門故障顯示

圖10 所示為從車輛數(shù)據(jù)記錄儀中導出的故障信息表，導出的故障清單可以使用辦公軟件（Office Excel）打開。從圖10中可以看到，列車故障信息的記錄比較全面和具體，且以中文描述，包含了每個故障發(fā)生以及消失的時刻、名稱和位置。通過故障信息表，車輛維修人員對發(fā)生過的故障一目了然，可對故障進行快速定位，并不依賴于司機對故障的描述。尤其是針對車門故障，可以看到所有故障車門的具體故障信息，不再需要去下載EDCU，較之前省時又省力。該車輛數(shù)據(jù)記錄儀可大大提高故障的查找和處理效率，從而提高列車的可靠性。車輛數(shù)據(jù)記錄儀的主要技術指標見表2。

圖10 車輛數(shù)據(jù)記錄儀導出的故障表

表2 車輛數(shù)據(jù)記錄儀的主要技術指標

4 結語

車輛數(shù)據(jù)記錄儀從物理層接入，不影響原FIP網(wǎng)絡結構，不向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，既能偵聽到底層數(shù)據(jù)，又能減少對原有網(wǎng)絡的影響。該裝置結構比較簡單，直接接入FIPV網(wǎng)絡即可，且不需要更改原網(wǎng)絡的任何軟、硬件。而具有自主知識產(chǎn)權的自主研發(fā)打破了國外對該項技術的壟斷，并有進一步的創(chuàng)新，在一定程度上填補了我國地鐵車輛數(shù)據(jù)實時記錄儀技術的空白。

［1］ 時瑋.WorldFIP總線技術的研究與應用［D］.北京：北京交通大學，2008.

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

［3］ 王洪儉.車載控制器診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(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)場總線主控網(wǎng)卡的設計［J］.電力機車與城軌車輛，2006，29（2）：51-53.

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

［6］ 孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應用［J］.微計算機應用，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）