龔 偉， 龔澤豐

1. 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245 2. 香港中文大學(深圳) 深圳 518172

1 研究背景

目前，軌道交通車輛運行的安全隱患除責任機制和安全監(jiān)督不到位外，還包括技術(shù)支持不足。技術(shù)支持不足在城市軌道交通安全管理工作中是一個重要的安全影響因素，它導致了城市軌道交通安全管理工作難以進行[1]，一旦發(fā)生故障，故障原因如何判斷，是司機人為操作因素還是設(shè)備本身原因，運營部門和設(shè)備維護部門往往爭論不休。此外，雖然車輛上有故障記錄儀，但是僅記錄故障現(xiàn)象，調(diào)查故障原因往往要花費大量人力和物力。

車輛綜合信息記錄儀匯集各方面綜合信息，包括司機和沿路軌道的圖像與聲音信息，可以將管人、管車和管安全有機結(jié)合起來[2]。筆者就此探討車輛綜合信息記錄儀在軌道交通車輛中的應(yīng)用。

2 車輛綜合信息記錄儀系統(tǒng)

車輛綜合信息記錄儀，俗稱黑匣子，原本是航空器上的專用電子設(shè)備，主要記錄航空器各個機械部件和電子儀器儀表在航空器停止工作或失事前0.5h的語音對話和2h的飛行參數(shù), 需要時將所記錄的內(nèi)容解碼，可供飛行試驗、事故分析使用。目前，記錄介質(zhì)從最早的磁帶式改進成為能承受較大沖擊的靜態(tài)存儲式[3]。車輛綜合信息記錄儀系統(tǒng)主要由中央處理器(CPU)模塊、輸入輸出模塊、多功能車輛總線(MVB)模塊、事故數(shù)據(jù)記憶模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)擴展模塊組成，如圖1所示。

圖1 車輛綜合信息記錄儀系統(tǒng)示意圖

(1) CPU模塊。CPU模塊是整個系統(tǒng)的控制中心，負責系統(tǒng)的運算、控制和管理工作。CPU模塊主要接收信號和變量，并將數(shù)據(jù)記錄在事故數(shù)據(jù)記憶模塊中。CPU模塊內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器，可以在線監(jiān)測信號，并進行故障診斷。CPU模塊基本功能包括： ① 啟動和自動測試系統(tǒng)；② 輸入輸出信號的取樣及報警；③ 內(nèi)存鏡像存儲冗余控制；④ 實時管理和全球定位；⑤ 車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的維護和數(shù)據(jù)傳送；⑥ 外部局域網(wǎng)的維護和配置；⑦ 系統(tǒng)自診斷和故障代碼輸出。

(2) MVB模塊。MVB是軌道交通車輛之間和車輛內(nèi)部設(shè)備互聯(lián)、傳送控制、檢測與診斷信息的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，是一種主要用于有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通信總線[4]。為了提高系統(tǒng)的可靠性，在MVB模塊中采用了冗余技術(shù)。

(3) 以太網(wǎng)通信。以太網(wǎng)通信的主要功能是進行大數(shù)據(jù)量的傳輸，適用于對實時控制通信要求不高的場合，如車載廣播系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、故障信息傳送等。

(4) 模擬與脈沖信號。由于系統(tǒng)需要采集脈沖和模擬信號，如電機和車軸的轉(zhuǎn)速、制動管道的壓力等，因此配置了驅(qū)動電路來滿足系統(tǒng)的驅(qū)動要求[5]。輸入脈沖信號的頻率最高為20kHz，模擬信號可以采用電流源或電壓源，輸入電流的范圍為 0～20mA，輸入電壓的范圍為0～10V。

(5) 數(shù)字信號。與數(shù)字信號匹配的輸入輸出模塊具有快速數(shù)據(jù)處理能力。為了提高系統(tǒng)抗干擾性能和過壓過流保護能力，設(shè)置了電隔離過濾器和高低電位測試點，并增設(shè)濕性電流保護線路來對線路觸點進行抗氧化保護[6]。

(6) 事故數(shù)據(jù)記憶模塊。事故數(shù)據(jù)記憶模塊具有數(shù)據(jù)存儲功能，可以按事件重要性、超過設(shè)定值幅度和時間先后來存儲。針對不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)，可以通過軟件來定義不同的數(shù)據(jù)存儲方式。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用鏡像內(nèi)存技術(shù)，用來創(chuàng)造內(nèi)存的冗余副本，從而確保當某個存儲器失效時，能夠自動利用備用內(nèi)存找回數(shù)據(jù)[7-8]。每個通道都有一套完整的內(nèi)存數(shù)據(jù)拷貝，從而保證服務(wù)器的平穩(wěn)運行。所使用的事故數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)符合IEEE 1482.1標準要求，其基本功能包括： ① 在事故狀態(tài)下能夠承受沖擊、振動、擠壓，以及水和火的考驗，且時間不短于2h；② 所存儲關(guān)鍵信息和數(shù)據(jù)連續(xù)時間不短于2h；③ 所存儲司機室影像和聲音信息不晚于事故發(fā)生前30min。

(7) 電源模塊。電源作為整個系統(tǒng)的動力中心，采用電隔離技術(shù)，具有過流、過壓等保護功能。此外，還設(shè)有專門的供電蓄電池，可確保在斷電的情況下連續(xù)工作250h。

3 安裝

通常一列列車配置1～2臺車輛綜合信息記錄儀，可分別設(shè)置在車頭車尾的電氣柜中，一般建議記錄4類數(shù)據(jù)。

(1) 車載設(shè)備現(xiàn)狀，包括主控制器的手柄位、列車控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)等。

(2) 列車現(xiàn)狀，包括司乘人員編號、列車行駛方向、列車停放制動狀態(tài)等。

(3) 列車運行實時信息，包括速度、里程、總風缸壓力、車載質(zhì)量等。

(4) 操作和監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)，包括常用制動施加、緊急制動觸發(fā)、開關(guān)門等。

車輛綜合信息記錄儀接線如圖2所示。

圖2 車輛綜合信息記錄儀接線示意圖

4 軟件設(shè)計

車輛綜合信息記錄儀在車輛運行過程中記錄所有涉及運行安全的參數(shù)，不僅提供分析事故的重要依據(jù)，而且可以有效避免事故的發(fā)生。車輛綜合信息記錄儀的軟件設(shè)計包括基礎(chǔ)軟件和系統(tǒng)分析軟件兩部分，基礎(chǔ)軟件的作用是真實記錄運行車輛的參數(shù)，系統(tǒng)分析軟件則可以對數(shù)據(jù)進行科學分析。

基礎(chǔ)軟件基本功能如下。

(1) 通電自檢。一旦通電，系統(tǒng)會測試各存儲單元的工作情況，并進入等待狀態(tài)。如果測試不通過，系統(tǒng)會顯示故障代碼，故障繼電器激活，通知CPU。

(2) 電源關(guān)閉程序。正常電源關(guān)閉程序會在關(guān)閉電源之前將系統(tǒng)從數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)切換至系統(tǒng)禁用狀態(tài)，從而確保數(shù)據(jù)存儲的安全性。

(3) 數(shù)據(jù)傳送和存儲。當系統(tǒng)確認數(shù)據(jù)傳送和存儲功能正常后，系統(tǒng)進入運行模式。在運行模式下，有三種布爾變量決定系統(tǒng)運行狀態(tài)，具體為記錄命令、記錄激活和便攜式測試設(shè)備維護需求。系統(tǒng)運行狀態(tài)包括禁止、準備、記錄、維護和記錄超時等，通過各種系統(tǒng)運行狀態(tài)確保數(shù)據(jù)傳送的有效性和正確性。

系統(tǒng)分析軟件基本功能如下。

(1) 數(shù)據(jù)存儲。車輛綜合信息記錄儀所記錄的數(shù)據(jù)非常多，為確保原始數(shù)據(jù)的真實性，使用時間值，以及車輛和記錄儀編號作為數(shù)據(jù)庫的表頭，然后將數(shù)據(jù)存儲到表頭對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。一旦數(shù)據(jù)被完整存儲，將不再允許向?qū)?yīng)數(shù)據(jù)庫中添加或刪除任何內(nèi)容。為防止下載數(shù)據(jù)中出現(xiàn)錯誤，可以同時從備份鏡像數(shù)據(jù)存儲器中下載數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)處理。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的表頭讀取相對應(yīng)一個或幾個文件，重新合并，同時生成一個新文件，用以防止用戶在數(shù)據(jù)分析過程中修改或刪除原始數(shù)據(jù)中的內(nèi)容。系統(tǒng)分析軟件中的數(shù)據(jù)庫如圖3所示。數(shù)據(jù)處理模塊具有同時處理30個數(shù)字和模擬信號的能力，通過調(diào)用Matlab軟件曲線擬合功能，可以對運行參數(shù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[9]。數(shù)據(jù)分析時，可以人為定義故障時間段，選擇相應(yīng)的變量組合來判斷故障產(chǎn)生的原因。在選擇屏上可以對文件進行選擇、下載、修改和刪除，同時選擇相應(yīng)的變量和圖形顯示形式，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)文件操作截圖

5 應(yīng)用實例

圖5為車輛綜合信息記錄儀記錄的列車在調(diào)試過程中沖出終點并撞壞端墻事故的各參數(shù)曲線，表1為各時間節(jié)點數(shù)據(jù)分析結(jié)果。司機在接近終點時兩次從快速制動位拉回至運行位，起始最高速度為 90.13km/h。列車剛撞擊端部止擋時，速度為 40.01km/h，之后第二次撞擊端墻，速度為 29.33km/h，最終列車失電速度為11.9km/h。列車從90.13km/h開始運行了786m受到撞擊，歷時34s，之后1s又撞擊端墻。根據(jù)上述記錄分析，得出結(jié)論為這是一起嚴重的因司機違反操作規(guī)程而造成的事故。

6 結(jié)論與展望

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，通過無線局域網(wǎng)通信設(shè)備，車輛綜合信息記錄儀與地面車輛控制中心可以進行實時通信。通過數(shù)據(jù)交換，控制中心可實現(xiàn)對車輛的監(jiān)控。與此同時，通過對記錄數(shù)據(jù)的讀取分析，控制中心可實時監(jiān)督司機操作，并提供相應(yīng)的協(xié)助[10]。

筆者對車輛綜合信息記錄儀在軌道車輛中的應(yīng)用提出設(shè)計方案，目前僅實現(xiàn)車對車的監(jiān)控。車輛綜合信息記錄儀的應(yīng)用是一項系統(tǒng)工程，還需要實現(xiàn)車對地和地對車的監(jiān)控[11-12]，將與行車安全有關(guān)的所有裝備都納入監(jiān)控之中，這樣才能真正保證行車安全。

圖5 車輛綜合信息記錄儀事故參數(shù)曲線

序號時間操作速度/(km·h-1)距離/m110:18:24 49A取消激活00210:18:25 50A激活司機室00310:18:27 50A緩解制動00410:18:33 50A開始牽引00510:19:01 50A開始惰行90.13383610:19:03 50A方向駕駛列車到達最大速度92.74435710:19:26 50A惰行結(jié)束85.62991810:19:26 50A施加快速制動85.62991910:19:28 50A施加緊急制動83.3610401010:19:35 50A迅速離開快速制動位,并于200ms后回到快速制動位40.0111691110:19:36 50A第二次離開快速制動位29.3311741210:19:36 50A丟失司機室激活信號和手動駕駛模式信號29.3311741310:19:38 列車失電11.991182

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