曾維強(qiáng)

【摘 要】乘客信息系統(tǒng)（PIS），是城市軌道交通列車為乘客提供各類資訊的服務(wù)系統(tǒng)，按照功能可分為廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示及多媒體播放系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急保障系統(tǒng)四大類。LED屏屬于乘客信息顯示及多媒體播放系統(tǒng)的子部分，一般包括前端顯示器（FDU）、內(nèi)部顯示器（IDU）和側(cè)端顯示器（SDU），主要向乘客提供預(yù)報(bào)站信息、到站信息、離站信息、提示信息等，可讓乘客及時(shí)有效地了解站點(diǎn)信息。文章對(duì)幾條地鐵線LED屏的故障記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，探索分析故障的原因并尋求整改措施。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通;乘客信息系統(tǒng);LED屏;故障分析

【中圖分類號(hào)】U270.38 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）08-0079-03

1 乘客信息系統(tǒng)LED屏簡(jiǎn)介

LED屏在乘客信息系統(tǒng)中占有重要的地位，通常每列車配備2臺(tái)FDU、12臺(tái)IDU和12臺(tái)SDU。FDU主要顯示終點(diǎn)站或者本次列車開往的方向，IDU和SDU主要顯示運(yùn)行區(qū)間信息、運(yùn)行線路、下一站信息、緊急信息、廣告和公益信息。每個(gè)LED屏支持紅、綠、黃3種顏色顯示，可滾動(dòng)顯示中英文內(nèi)容，可按列車運(yùn)營(yíng)要求預(yù)置站點(diǎn)信息，LED屏接收PIS司機(jī)室控制主機(jī)發(fā)送的線路站點(diǎn)信息和控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站。

LED屏由開關(guān)電源、控制板、LED燈板、交換機(jī)（帶掉電旁路功能）、接口板、地址撥碼開關(guān)、內(nèi)部線纜、結(jié)構(gòu)箱體、PC透光板、燈板壓條、緊固件等組成（如圖1所示）。

控制板是LED屏最核心的組件，其硬件上采用ARM Cortex-M系列中央處理器，搭載時(shí)鐘芯片、RS-485隔離芯片、以太網(wǎng)PHY芯片和網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器等，通過(guò)以太網(wǎng)接口（或RS-485）和PIS司機(jī)室控制主機(jī)通信，具備電源、網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)功能，雙網(wǎng)口支持掉電旁路功能（BYPASS），即本設(shè)備掉電時(shí)不影響下一個(gè)級(jí)聯(lián)設(shè)備的通信功能。

LED燈板選用戶外、車規(guī)級(jí)別全彩貼片燈珠，防水防潮性能優(yōu)良，抗冷熱沖擊、抗反壓、抗鹽霧、抗UV特性好，還具有低光衰和高亮度的特點(diǎn)。根據(jù)項(xiàng)目需求，可配置3535/2727/1921/1515等封裝規(guī)格的燈珠。

2 故障分析

本文統(tǒng)計(jì)武漢7號(hào)線、武漢11號(hào)線、徐州1號(hào)線、重慶4號(hào)線、北京9號(hào)線、成都8號(hào)線、成都18號(hào)線和北京亦莊T1線的LED屏故障記錄，記錄發(fā)生頻數(shù)較高的故障并進(jìn)行原因分析和整改。

2.1 “毛毛蟲”現(xiàn)象

“毛毛蟲”，是LED屏中一顆LED燈珠損壞導(dǎo)致這一列燈珠信號(hào)失控，出現(xiàn)高亮及常亮的現(xiàn)象（如圖2所示）。

顯示行業(yè)內(nèi)，一般將燈珠內(nèi)部短路和驅(qū)動(dòng)芯片虛焊列為產(chǎn)生“毛毛蟲”現(xiàn)象的原因。結(jié)合軌道交通行業(yè)特點(diǎn)和乘客信息系統(tǒng)LED屏實(shí)際工況分析，造成上述現(xiàn)象的原因通常有以下幾個(gè)方面：①LED屏長(zhǎng)時(shí)間關(guān)機(jī)，在潮濕環(huán)境下，燈珠吸入大量空氣中的水汽，LED屏啟動(dòng)后，燈珠突然點(diǎn)亮受熱膨脹，吸入水汽的燈珠內(nèi)部膨脹系數(shù)不一，導(dǎo)致扯斷燈珠金線，造成局部短路。②列車空調(diào)出風(fēng)口位置不合理，空調(diào)對(duì)著LED屏直吹造成屏內(nèi)外溫度差，容易產(chǎn)生冷凝水汽，從而導(dǎo)致燈珠受潮造成微短路。③燈珠工作電流配置超過(guò)額定工作電流，長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作導(dǎo)致內(nèi)部損壞、短路。導(dǎo)致以上故障的原因包含材料選型、電子/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、包裝存儲(chǔ)等，可從以下方面改善。

（1）采用真空包裝袋存儲(chǔ)，里面放入干燥劑和濕度顯示卡。真空包裝袋可以避免LED屏和空氣接觸，杜絕燈珠受到潮氣的影響;若真空袋損壞，濕度顯示卡顏色讀出的數(shù)據(jù)可以作為監(jiān)察LED屏是否在規(guī)定濕度范圍的依據(jù)，從而在安裝之前剔除受濕氣影響的設(shè)備。

（2）結(jié)構(gòu)上做防濕防塵設(shè)計(jì)，箱體機(jī)構(gòu)后蓋密封設(shè)計(jì)，選用帶擋板的連接器，PC透光板和箱體結(jié)構(gòu)前面板壓接處打膠密封，減少潮濕空氣、灰塵進(jìn)入LED屏箱體內(nèi)部，從而降低燈珠受潮損壞的概率。

（3）使用智能除濕功能，LED屏需要經(jīng)常點(diǎn)亮使用，若列車長(zhǎng)時(shí)間停放未使用，在使用期應(yīng)先進(jìn)行除濕處理，避免突然受熱造成燈珠內(nèi)部微短路。方法如下：每次上電時(shí)記錄當(dāng)前日期和時(shí)間，與上一次上電的日期時(shí)間比較，若間隔超過(guò)10 d，需要進(jìn)行智能除濕。首先將亮度設(shè)置為0，通電一段時(shí)間t，然后用10%的亮度通電時(shí)間t，以此類推，逐漸將亮度提升到所設(shè)置的參數(shù)，緩慢蒸發(fā)掉燈珠內(nèi)部的水汽。

（4）在氣候濕潤(rùn)的城市或要求苛刻的項(xiàng)目選用車規(guī)級(jí)別燈珠，防水性能達(dá)到IPx8級(jí)別，防潮性能達(dá)到MSL2a級(jí)。

（5）合理配置燈珠工作電流，避免超負(fù)荷工作。在需要較高亮度的場(chǎng)合（>3 000 cd/m2）可選用高亮系列燈珠，或者將掃描方式從16掃改為8掃、4掃等，以提高亮度。

（6）選用帶消隱控制電路的行驅(qū)動(dòng)管，能改善由LED微短路造成的“毛毛蟲”現(xiàn)象。

2.2 不響應(yīng)PIS司機(jī)室控制主機(jī)報(bào)站請(qǐng)求

列車近站、到站、離站和發(fā)送緊急廣播時(shí)，PIS司機(jī)室控制主機(jī)都會(huì)發(fā)送相應(yīng)UDP組播報(bào)文，LED屏根據(jù)收到報(bào)文的站點(diǎn)信息和控制命令顯示對(duì)應(yīng)的報(bào)站內(nèi)容。不響應(yīng)PIS司機(jī)室控制主機(jī)報(bào)站請(qǐng)求，主要表現(xiàn)為顯示黑屏或循環(huán)顯示之前站點(diǎn)的信息，其可能的原因有以下幾個(gè)方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)鏈路上的元件因雷擊浪涌、靜電等原因?qū)е聯(lián)p壞，成都18號(hào)線項(xiàng)目上收到幾塊返修的控制卡，檢測(cè)調(diào)試之后發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器或以太網(wǎng)PHY芯片損壞，從而導(dǎo)致通信功能喪失。

（2）網(wǎng)絡(luò)PHY芯片25 MHz/50 MHz晶振不起振或振蕩頻率誤差太大，導(dǎo)致通信功能喪失或通信不穩(wěn)定，北京9號(hào)線項(xiàng)目曾出現(xiàn)某批次晶振誤差太大而導(dǎo)致通信功能異常的故障。

（3）網(wǎng)絡(luò)連接器M12/DB9失效，列車震動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)連接器壓接、焊接質(zhì)量要求非常高，若連接線震動(dòng)脫落，網(wǎng)絡(luò)通信功能喪失。

上述問(wèn)題多是因?yàn)橛布O(shè)計(jì)考慮不周全、來(lái)料質(zhì)量把控不嚴(yán)造成的，可將硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題列入DFEMA，并且參考業(yè)內(nèi)成熟的設(shè)計(jì)方案，在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室充分測(cè)試，持續(xù)迭代更新。同時(shí)，要指定關(guān)鍵物料的廠家、型號(hào)和供應(yīng)商，嚴(yán)格按照規(guī)范做來(lái)料檢查，杜絕將不合格的物料流入生產(chǎn)部門。

2.3 重影

重影一般出現(xiàn)在2塊LED燈板的連接處，表現(xiàn)為顯示有殘影、顯示的字體加粗、字體不平整（如圖3所示）。

此問(wèn)題發(fā)生在武漢7號(hào)線項(xiàng)目上，以往的項(xiàng)目也出現(xiàn)過(guò)類似問(wèn)題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步判斷原因可能有2個(gè)：？譹？訛LED安裝不平整導(dǎo)致字體顯示不平整。？譺？訛設(shè)置刷新率過(guò)高導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)（RED/GREEN）和控制信號(hào)（OE/LAT/CLK）出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。

檢測(cè)之后發(fā)現(xiàn)燈板安裝平整，且降低刷新率后現(xiàn)象只是稍微有些改善，并沒(méi)有從本質(zhì)上解決，初步排除以上2個(gè)可能的原因。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，在示波器上發(fā)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)（RED_buf/GREEN_buf）和控制信號(hào)（OE_buf/LAT_buf/

CLK_buf）上升沿、下降沿的陡度相差很大，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序匹配不佳，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸、刷新出錯(cuò)。

繼續(xù)深究，找到了產(chǎn)生此問(wèn)題的根本原因：設(shè)計(jì)完成后初次EMC測(cè)試中發(fā)現(xiàn)輻射超標(biāo)，EMC整改過(guò)程中通過(guò)修改數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)的對(duì)地電容來(lái)削減信號(hào)上升沿、下降沿的陡度，以此降低輻射能量，進(jìn)而通過(guò)EMC輻射測(cè)試環(huán)節(jié)。整改記錄文檔顯示，數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)地電容保留為設(shè)計(jì)值100 pF，而控制信號(hào)的對(duì)地電容修改為1 pF（如圖4所示）。EMC整改過(guò)程過(guò)分關(guān)注EMC指標(biāo)而忽略了數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的匹配，導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序處于臨界狀態(tài)，因此產(chǎn)生此故障。

2.4 黑屏

表現(xiàn)為上電后LED屏不亮或者列車運(yùn)行過(guò)程中突然黑屏，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和故障原因統(tǒng)計(jì)表，分析造成黑屏的原因按概率從高到低排列如下：？譹？訛控制板中央處理器晶振損壞或振蕩頻率誤差太大，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序出錯(cuò)、通信功能異常、LED燈板數(shù)據(jù)刷新功能異常。？譺？訛以太網(wǎng)PHY芯片虛焊、損壞或網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器損壞，導(dǎo)致通信功能喪失，無(wú)法響應(yīng)PIS司機(jī)室主機(jī)控制器報(bào)文。？譻？訛控制卡和LED燈板之間數(shù)據(jù)排線震動(dòng)脫落或接觸不良，導(dǎo)致數(shù)據(jù)刷新功能異常。？譼？訛地址撥碼開關(guān)被擠壓損壞或焊線脫落，導(dǎo)致LED屏IP地址出錯(cuò)、超范圍，無(wú)法響應(yīng)PIS司機(jī)室控制主機(jī)報(bào)文。？譽(yù)？訛內(nèi)部電源線震動(dòng)脫落或接觸不良，導(dǎo)致無(wú)法供電造成黑屏。？譾？訛110 V轉(zhuǎn)5 V開關(guān)電源損壞、控制板電源芯片損壞，導(dǎo)致無(wú)法供電造成黑屏。？譿？訛連接器脫落或外部線纜斷裂，導(dǎo)致無(wú)法供電或通信功能喪失。？讀？訛調(diào)車時(shí)沒(méi)有配置站點(diǎn)信息，無(wú)法顯示相應(yīng)站點(diǎn)內(nèi)容導(dǎo)致黑屏。？讁？訛控制卡內(nèi)部Flash沒(méi)有字庫(kù)，導(dǎo)致無(wú)法顯示內(nèi)容造成黑屏。？輥？輮？訛電子元件焊接不良。？輥？輯？訛存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程中損壞造成黑屏。

2.5 部分LED燈板不顯示

水平方向顯示區(qū)域較大（大于8個(gè)漢字）的LED屏通常由多個(gè)LED燈板拼成，如某個(gè)（些）LED燈板無(wú)法顯示，原因可能有以下幾點(diǎn)：？譹？訛LED燈板之間互聯(lián)的數(shù)據(jù)排線、電源線脫落，導(dǎo)致信號(hào)、電源無(wú)法往下一級(jí)傳遞，表現(xiàn)為故障點(diǎn)之后所有的LED燈板都無(wú)法顯示。？譺？訛上一級(jí)LED燈板恒流驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)據(jù)輸出引腳（SOUT）虛焊、短路，導(dǎo)致某一塊區(qū)域無(wú)法顯示。？譻？訛本級(jí)LED燈板數(shù)據(jù)、時(shí)鐘信號(hào)輸入連接器氧化、虛焊，導(dǎo)致某一塊區(qū)域無(wú)法顯示。？譼？訛行驅(qū)動(dòng)芯片譯碼引腳虛焊、對(duì)地短路，導(dǎo)致某一行所有燈珠無(wú)法顯示。

2.6 結(jié)構(gòu)相關(guān)的故障

以下列舉一些與結(jié)構(gòu)相關(guān)的故障：？譹？訛緊固件生銹，導(dǎo)致產(chǎn)品外觀不美觀，有可能腐蝕電子元器件。？譺？訛緊固件松脫，導(dǎo)致內(nèi)部組件松脫，產(chǎn)生異響，長(zhǎng)期震動(dòng)并有可能損壞組件，或壓線螺釘松脫，導(dǎo)致線束接觸不良。？譻？訛屏體生銹，原因是屏體材質(zhì)選錯(cuò)或未做表面處理技術(shù)要求。？譼？訛裝配困難，拆下困難。

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)故障，我們采取的現(xiàn)行控制設(shè)計(jì)如下：？譹？訛所有緊固件螺釘都使用不銹鋼螺釘，并推薦使用304不銹鋼。？譺？訛所有機(jī)械緊固件與部件緊固件均使用帶彈墊的防松的組合螺釘。設(shè)計(jì)有緊固件防松保護(hù)，并做防松標(biāo)記（如點(diǎn)紅膠）;螺栓緊固時(shí)，至少有1.5圈的螺紋可見，最長(zhǎng)不得超過(guò)1.5圈螺紋加6 mm。？譻？訛推薦設(shè)計(jì)使用表面熱鍍鋅的SECC電解板或者鋁合金;整體表面噴戶外塑粉，亞光，不允許有明顯劃痕，耐5%濃度鹽霧120 h以上，涂層附著力小于等于1級(jí)。？譼？訛把控結(jié)構(gòu)箱體加工精度，選用更厚、更高強(qiáng)度的鈑金，降低因車體震動(dòng)、擠壓導(dǎo)致結(jié)構(gòu)箱體變形的概率。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)改革開放的不斷深入、城市規(guī)模的日益擴(kuò)大和人口的不斷增加，城市交通也面臨著嚴(yán)酷的考驗(yàn)。軌道交通作為一種緩解城市交通壓力的手段，在日常生活中地位越來(lái)越重要。LED屏作為面向乘客信息交互最直接的系統(tǒng)，是提升乘客乘車體驗(yàn)舒適度的重要組成部分，其優(yōu)質(zhì)、高效的工作可以提升軌道交通的服務(wù)質(zhì)量，保障社會(huì)正常運(yùn)行。

本文通過(guò)武漢、徐州、重慶、北京和成都的幾條地鐵線LED屏故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生概率較高的故障有燈珠損壞、顯示異常、網(wǎng)絡(luò)通信功能異常等，并對(duì)上述幾類故障進(jìn)行了原因分析和故障排查，從物料選型、電子設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、工藝裝配和存儲(chǔ)包裝幾個(gè)方面入手，尋求提高產(chǎn)品質(zhì)量的方法，以更好地保障服務(wù)質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王偉熙.LED地鐵顯示屏除潮方法[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（12）：34-35.

[2]李德麟.淺談地鐵乘客信息系統(tǒng)顯示設(shè)備設(shè)置方案[J].科學(xué)與信息化，2019（14）：147，151.

[3]唐史峰.乘客信息系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用及發(fā)展[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2014（9）：103-104，102.