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(xué)(深圳) 深圳 518172

1 研究背景

目前，軌道交通車輛運(yùn)行的安全隱患除責(zé)任機(jī)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(gè)重要的安全影響因素，它導(dǎo)致了城市軌道交通安全管理工作難以進(jìn)行[1]，一旦發(fā)生故障，故障原因如何判斷，是司機(jī)人為操作因素還是設(shè)備本身原因，運(yùn)營部門和設(shè)備維護(hù)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(fèi)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(jī)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(jī)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(gè)機(jī)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(shí)將所記錄的內(nèi)容解碼，可供飛行試驗(yàn)、事故分析使用。目前，記錄介質(zhì)從最早的磁帶式改進(jìn)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(kuò)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(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)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(bào)警；③ 內(nèi)存鏡像存儲冗余控制；④ 實(shí)時(shí)管理和全球定位；⑤ 車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和數(shù)據(jù)傳送；⑥ 外部局域網(wǎng)的維護(hù)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(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸，適用于對實(shí)時(shí)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(jī)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(hù)能力，設(shè)置了電隔離過濾器和高低電位測試點(diǎn)，并增設(shè)濕性電流保護(hù)線路來對線路觸點(diǎn)進(jìn)行抗氧化保護(hù)[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(shí)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(dāng)某個(gè)存儲器失效時(shí)，能夠自動利用備用內(nèi)存找回?cái)?shù)據(jù)[7-8]。每個(gè)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(yùn)行。所使用的事故數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)符合IEEE 1482.1標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)，且時(shí)間不短于2h；② 所存儲關(guān)鍵信息和數(shù)據(jù)連續(xù)時(shí)間不短于2h；③ 所存儲司機(jī)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(gè)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(hù)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(yùn)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(yùn)行實(shí)時(shí)信息，包括速度、里程、總風(fēng)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(jì)

車輛綜合信息記錄儀在車輛運(yùn)行過程中記錄所有涉及運(yùn)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(jì)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(shí)記錄運(yùn)行車輛的參數(shù)，系統(tǒng)分析軟件則可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)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(jìn)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(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送和存儲功能正常后，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式。在運(yùn)行模式下，有三種布爾變量決定系統(tǒng)運(yùn)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(hù)需求。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括禁止、準(zhǔn)備、記錄、維護(hù)和記錄超時(shí)等，通過各種系統(tǒng)運(yùn)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(shí)性，使用時(shí)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(cuò)誤，可以同時(shí)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(gè)或幾個(gè)文件，重新合并，同時(shí)生成一個(gè)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(shí)處理30個(gè)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(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[9]。數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以人為定義故障時(shí)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(jìn)行選擇、下載、修改和刪除，同時(shí)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(shí)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(diǎn)并撞壞端墻事故的各參數(shù)曲線，表1為各時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。司機(jī)在接近終點(diǎn)時(shí)兩次從快速制動位拉回至運(yùn)行位，起始最高速度為 90.13km/h。列車剛撞擊端部止擋時(shí)，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(yùn)行了786m受到撞擊，歷時(shí)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(yán)重的因司機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)通信。通過數(shù)據(jù)交換，控制中心可實(shí)現(xiàn)對車輛的監(jiān)控。與此同時(shí)，通過對記錄數(shù)據(jù)的讀取分析，控制中心可實(shí)時(shí)監(jiān)督司機(jī)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(jì)方案，目前僅實(shí)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(xiàng)系統(tǒng)工程，還需要實(shí)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(shí)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(jī)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(dá)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(jī)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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