CRH3C型動(dòng)車(chē)組人機(jī)接口顯示屏慣性故障分析及整改措施

錢(qián) 卿，周 文

(1 廣州鐵路(集團(tuán))公司 車(chē)輛處，廣東廣州510088; 2 廣深鐵路實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，廣東廣州518001)

CRH3C型動(dòng)車(chē)組人機(jī)接口顯示屏慣性故障分析及整改措施

錢(qián) 卿1，周 文2

(1 廣州鐵路(集團(tuán))公司 車(chē)輛處，廣東廣州510088; 2 廣深鐵路實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，廣東廣州518001)

介紹了CRH3C型動(dòng)車(chē)組HMI硬件結(jié)構(gòu)、通訊機(jī)制與工作原理等，針對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的4類(lèi)HMI慣性故障，進(jìn)行深入的原因分析，提出了有效地整改措施與運(yùn)用建議。

動(dòng)車(chē)組;CRH3C;人機(jī)接口顯示屏;故障

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，特別是客運(yùn)專(zhuān)線建設(shè)的推進(jìn)，動(dòng)車(chē)組列車(chē)在鐵路客運(yùn)中承擔(dān)著越來(lái)越重要的作用，CRH3C型動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)時(shí)速高，旅客乘坐舒適，承擔(dān)了京津、武廣等高鐵線路的客運(yùn)任務(wù)。

由于動(dòng)車(chē)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)用環(huán)境復(fù)雜，CRH3C型動(dòng)車(chē)組作為我國(guó)投入使用的第一批高速動(dòng)車(chē)組，在運(yùn)用初期，動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)不能完全適應(yīng)我國(guó)實(shí)際運(yùn)用環(huán)境的需求，尤其是作為動(dòng)車(chē)組神經(jīng)中樞系統(tǒng)的列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。所有通信、控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和處理都依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，很有可能影響列車(chē)的正常運(yùn)輸秩序。

其中列車(chē)人機(jī)接口顯示屏(Human Machine Interface，簡(jiǎn)稱(chēng):HMI)作為列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分，存在黑屏、以太網(wǎng)中斷等慣性故障，既影響司機(jī)操控列車(chē)，也可能因故障造成晚發(fā)、臨停甚至換乘等影響運(yùn)營(yíng)秩序的事故，亟需對(duì)此進(jìn)行深入分析，并提出針對(duì)性的整改措施。

1 HMI組成及工作原理

1.1 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

CRH3C型動(dòng)車(chē)組是動(dòng)力分散型電動(dòng)車(chē)組，采用8輛編組，分為兩個(gè)牽引單元，每個(gè)牽引單元由2輛動(dòng)車(chē)和2輛拖車(chē)組成。整車(chē)采用TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，列車(chē)級(jí)使用WTB總線，車(chē)輛級(jí)使用MVB總線［1］。CRH3C型動(dòng)車(chē)組的列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一列車(chē)兩個(gè)MVB車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)，為反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)上均有WTB/MVB網(wǎng)關(guān)，兩個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)通過(guò)WTB進(jìn)行列車(chē)級(jí)通信。半列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

CRH3C型動(dòng)車(chē)組共裝有5臺(tái)HMI，其中4臺(tái)是司機(jī)HMI，每個(gè)頭車(chē)司機(jī)室內(nèi)各安裝2臺(tái)，采用左右冗余對(duì)稱(chēng)布局;1臺(tái)機(jī)械師HMI安裝在5車(chē)機(jī)械師室內(nèi)。所有HMI均接入MVB總線，通過(guò)MVB總線與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。HMI的主要功能是幫助司機(jī)(機(jī)械師)掌握列車(chē)當(dāng)前各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)、便于司機(jī)(機(jī)械師)按不同權(quán)限對(duì)列車(chē)施加控制指令，以及實(shí)現(xiàn)整車(chē)運(yùn)行情況綜合診斷。

1.2 HMI硬件結(jié)構(gòu)

CRH3C型動(dòng)車(chē)組HMI硬件由嵌入式計(jì)算機(jī)、環(huán)境控制器、MVB控制器、TFT顯示器和各種外圍接口組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 HMI通訊機(jī)制

CRH3C型動(dòng)車(chē)組HMI主要對(duì)外接口是MVB和以太網(wǎng)，其中MVB接口用于接入MVB總線，從而與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互;以太網(wǎng)口用于司機(jī)HMI左右屏之間的數(shù)據(jù)同步。

HMI使用的MVB數(shù)據(jù)包括過(guò)程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)。過(guò)程數(shù)據(jù)用于獲取網(wǎng)壓、網(wǎng)流、本牽引單元車(chē)門(mén)、照明等子系統(tǒng)狀態(tài)，本牽引單元各關(guān)鍵部件溫度等信息。此外，HMI跳動(dòng)信號(hào)也通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)送。消息數(shù)據(jù)用于獲取受電弓、主斷路器等子系統(tǒng)狀態(tài)，司機(jī)(機(jī)械師)對(duì)空調(diào)、照明等系統(tǒng)的指令也通過(guò)消息數(shù)據(jù)發(fā)送。不同牽引單元之間的HMI采用私有消息數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行通訊，從控單元的HMI通過(guò)WTB網(wǎng)關(guān)將本單元的子系統(tǒng)狀態(tài)以及本單元的列車(chē)故障信息向主控單元HMI發(fā)送。

1.4 HMI冗余設(shè)計(jì)

由于HMI是司機(jī)掌握列車(chē)狀態(tài)，施加控制指令的重要設(shè)備，因此CRH3C型動(dòng)車(chē)組對(duì)司機(jī)HMI采用了主從式冗余設(shè)計(jì)。每個(gè)司機(jī)室內(nèi)配備有2臺(tái)司機(jī)HMI，采用左右式布局，默認(rèn)狀態(tài)下，右屏為主屏，左屏為從屏。

圖1 半列車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 HMI硬件結(jié)構(gòu)

主屏是列車(chē)的診斷中心，負(fù)責(zé)采集各子系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車(chē)的綜合故障診斷。為了保證列車(chē)診斷功能穩(wěn)定可靠，從屏?xí)冀K監(jiān)測(cè)主屏的心跳信號(hào)，當(dāng)主屏故障時(shí)，從屏自動(dòng)重新配置，切換到主屏模式;當(dāng)主屏故障恢復(fù)時(shí)，當(dāng)前工作在主屏模式下的從屏?xí)詣?dòng)恢復(fù)到從屏模式，防止功能沖突。

2 HMI慣性故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 HMI黑屏故障

故障現(xiàn)象:動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行途中，偶發(fā)HMI無(wú)任何顯示，等同關(guān)機(jī)狀態(tài)，且無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)，發(fā)生該故障后，按照相關(guān)操作規(guī)程，司機(jī)需立即停車(chē)處理，并占用一定時(shí)間進(jìn)行恢復(fù)操作，極易形成臨停、造成列車(chē)晚點(diǎn)。如2015年1月15日，CRH3C－3054車(chē)組擔(dān)當(dāng)G6224次交路時(shí)，由于HMI黑屏導(dǎo)致列車(chē)臨停6分;2014年1月18日，CRH3040C+037C車(chē)組擔(dān)當(dāng)D7802次交路時(shí)，由于HMI黑屏造成臨停21分。

原因分析:

(1)看門(mén)狗失效

HMI設(shè)計(jì)了硬件看門(mén)狗，HMI應(yīng)用軟件必須定時(shí)更新看門(mén)狗心跳信號(hào)，以表明軟件工作正常。當(dāng)HMI應(yīng)用程序出現(xiàn)處理器阻塞，而心跳信號(hào)未能及時(shí)更新時(shí)，看門(mén)狗控制器出于對(duì)HMI軟件的保護(hù)目的，會(huì)自動(dòng)重啟，在連續(xù)3次重啟后，需要人工干預(yù)進(jìn)行重新開(kāi)機(jī)，從而發(fā)生HMI發(fā)生黑屏故障。

(2)環(huán)境控制器通訊異常

HMI的顯示器背光由環(huán)境控制器控制，環(huán)境控制器與HMI內(nèi)置的嵌入式計(jì)算機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通訊。如果二者之間的通訊出現(xiàn)異常，環(huán)境控制器有可能會(huì)自動(dòng)關(guān)閉顯示器背光，造成HMI發(fā)生黑屏故障。

2.2 HMI“問(wèn)號(hào)”故障

故障現(xiàn)象:動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行途中，偶發(fā)HMI會(huì)出現(xiàn)某子系統(tǒng)(如制動(dòng)、空調(diào)、照明、車(chē)門(mén))的狀態(tài)無(wú)法正常獲取，對(duì)應(yīng)于該子系統(tǒng)的顯示頁(yè)面為問(wèn)號(hào)。發(fā)生該故障時(shí)，司機(jī)無(wú)法得知該子系統(tǒng)的狀態(tài)，尤其是涉及行車(chē)相關(guān)的制動(dòng)或車(chē)門(mén)狀態(tài)，在狀態(tài)未知時(shí)，司機(jī)為安全起見(jiàn)，可能會(huì)停車(chē)進(jìn)行故障排查，稍有延誤，可能導(dǎo)致列車(chē)臨停甚至晚點(diǎn)。

原因分析:

(1)HMI作為列車(chē)診斷中心，需要實(shí)現(xiàn)整車(chē)綜合診斷功能。因此各從控單元主屏，需向主控單元主屏發(fā)送本單元的故障信息。此外，各從控單元HMI還需向主控單元HMI發(fā)送本單元各子系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。為保證列車(chē)運(yùn)行安全，按照故障導(dǎo)向安全原則，故障信息的處理優(yōu)先級(jí)高于狀態(tài)數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)故障信息較多時(shí)，主控單元HMI有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊擁塞，無(wú)法及時(shí)更新其他單元的子系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致子系統(tǒng)狀態(tài)無(wú)法顯示故障。當(dāng)列車(chē)重聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于牽引單元數(shù)量增多，網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)加大，發(fā)生該故障的可能性也相應(yīng)增大。

(2)當(dāng)從控單元的主屏發(fā)生黑屏?xí)r，不再向主控單元發(fā)送故障信息與狀態(tài)數(shù)據(jù)，也可能導(dǎo)致主控單元無(wú)法顯示該單元所采集的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2.3 以太網(wǎng)中斷

故障現(xiàn)象:動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行途中，偶發(fā)司機(jī)左屏和右屏之間以太網(wǎng)通信中斷的故障。由于HMI左右屏之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，因此以太網(wǎng)通信中斷會(huì)導(dǎo)致左右屏之間的協(xié)調(diào)工作出現(xiàn)問(wèn)題，給司機(jī)操作帶來(lái)不便。

原因分析:HMI顯示屏目前采用的以太網(wǎng)控制器型號(hào)較為落后，驅(qū)動(dòng)軟件可靠性不高。同時(shí)，由于司機(jī)室左右屏之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，因此當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐量較大時(shí)，可能偶發(fā)以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)崩潰或硬件異常，造成以太網(wǎng)通信中斷，甚至觸發(fā)HMI操作系統(tǒng)異常退出。

2.4 操作系統(tǒng)崩潰

故障現(xiàn)象:動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行途中，偶發(fā)HMI操作系統(tǒng)崩潰，一旦發(fā)生，HMI軟件會(huì)退出正常程序與圖形界面模式，無(wú)法繼續(xù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，影響司機(jī)對(duì)列車(chē)的操控。

原因分析:目前HMI目前采用的操作系統(tǒng)版本為Microsoft Windows 3.11版本，運(yùn)行可靠性不足。當(dāng)列車(chē)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，或數(shù)據(jù)處理負(fù)載較大時(shí)，有可能由于操作系統(tǒng)自身原因發(fā)生系統(tǒng)崩潰，造成HMI應(yīng)用軟件退出，無(wú)法繼續(xù)實(shí)現(xiàn)功能。

3 HMI故障整改措施與運(yùn)用建議

根據(jù)上述故障現(xiàn)象及原因分析，結(jié)合CRH3C型動(dòng)車(chē)組的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，制定了如下有針對(duì)性的整改措施。

3.1 HMI故障整改措施

(1)操作系統(tǒng)及軟件升級(jí)

原有CRH3C型動(dòng)車(chē)組HMI軟件設(shè)計(jì)中，過(guò)多的考慮了設(shè)備的自我保護(hù)功能，無(wú)法適應(yīng)我國(guó)高速鐵路對(duì)運(yùn)營(yíng)秩序的嚴(yán)格要求。因此，改變?cè)性O(shè)計(jì)思路，采取了延長(zhǎng)硬件看門(mén)狗激活的時(shí)間，降低因未及時(shí)喂狗導(dǎo)致HMI關(guān)閉的發(fā)生幾率;同時(shí)，為防止由于操作系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致的HMI故障，基于高可靠性的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)QNX［2］，重新研發(fā)HMI應(yīng)用軟件中，提高系統(tǒng)軟件的可靠性。

(2)優(yōu)化通訊機(jī)制

為避免由于數(shù)據(jù)通訊擁塞導(dǎo)致的子系統(tǒng)狀態(tài)無(wú)法顯示故障，需要優(yōu)化HMI通訊機(jī)制，改變了原有系統(tǒng)各牽引單元間定時(shí)完整同步故障的方法，采用故障數(shù)據(jù)響應(yīng)式更新機(jī)制，僅當(dāng)本單元故障信息發(fā)生變化時(shí)，才向主控端HMI發(fā)送數(shù)據(jù)，并且對(duì)同步發(fā)送的數(shù)據(jù)采用壓縮機(jī)制，從而極大地減小了數(shù)據(jù)通訊負(fù)載，降低了發(fā)生數(shù)據(jù)擁塞的可能性。

(3)研制與使用自主化HMI硬件

采用工業(yè)級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，研制自主化的HMI硬件，采用工業(yè)控制領(lǐng)域的主流以太網(wǎng)控制芯片，從根本上解決了以太網(wǎng)控制器硬件可靠性低導(dǎo)致的故障，同時(shí)解決了HMI硬件的質(zhì)量保證期結(jié)束后維修成本高的問(wèn)題。

3.2 運(yùn)用建議

(1)強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員應(yīng)急處理能力

動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、邏輯復(fù)雜，HMI是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顯示列車(chē)狀態(tài)、施加控制指令的重要設(shè)備，當(dāng)HMI發(fā)生故障時(shí)，對(duì)相關(guān)技術(shù)人員的應(yīng)急處理能力提出了較高的要求。為防止技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)采取措施不當(dāng)，延誤故障應(yīng)急處理，應(yīng)依據(jù)《CRH3C型動(dòng)車(chē)組應(yīng)急故障處理手冊(cè)》，加強(qiáng)對(duì)司機(jī)、隨車(chē)機(jī)械師的培訓(xùn)，并適當(dāng)安排故障處理演練。

(2)加強(qiáng)HMI軟件維護(hù)管理

動(dòng)車(chē)組HMI作為人機(jī)交互的接口，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有邏輯調(diào)整、問(wèn)題修正或新的功能需求時(shí)，都會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的軟件更新。有關(guān)軟件管理人員應(yīng)加強(qiáng)顯示屏軟件維護(hù)，及時(shí)更新軟件版本，降低軟件故障風(fēng)險(xiǎn)。

(3)加強(qiáng)HMI運(yùn)用情況跟蹤

在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，為保證應(yīng)急指揮人員能及時(shí)準(zhǔn)確掌握故障現(xiàn)場(chǎng)信息，地面檢修人員能完整全面了解列車(chē)故障數(shù)據(jù)，應(yīng)充分利用高速動(dòng)車(chē)組遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸系統(tǒng)［3］加強(qiáng)對(duì)顯示屏的運(yùn)用情況跟蹤;當(dāng)某列車(chē)HMI出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)舉一反三，分析故障規(guī)律，及時(shí)制訂解決方案并推廣，避免同類(lèi)故障再次發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CRH3C型動(dòng)車(chē)組HMI慣性故障現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與原因分析，制定了有針對(duì)性的整改措施。同時(shí)，在動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)、運(yùn)用和檢修部門(mén)還需要密切協(xié)作，對(duì)運(yùn)用過(guò)程中的各類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行深入總結(jié)和分析，不斷完善整改措施，才能有效地減少故障發(fā)生次數(shù)，消除慣性故障，提高動(dòng)車(chē)組運(yùn)用效率。

［1］ IEC 61375-1 Train Communication Network Protocol［S］.

［2］ 程 斐，苗克堅(jiān)，王瑞敏，等.QNX與VxWorks的特性分析和實(shí)時(shí)性能測(cè)試［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，18:4734-4735.

［3］ 黃志平，趙紅衛(wèi)，朱廣超，等.高速動(dòng)車(chē)組遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，34(1):33-36.

Failure Analysis and Lmprovement Design of Human Machine Lnterface for CRH3C

QIAN Qing1，ZHOU Wen2
(1 Car Department，Guangzhou Raiway(Group)Corporation，Guangzhou 510088 Guangdong，China; 2 Guangshen Raiway Industrial Development Corporation，Guangzhou 510088 Guangdong，China)

The hardware structure，communication mechanism and working principle of Human Machine Interface(HMI)，which is installed on EMU CRH3C，is described in this article.The reason of inertia failures during EMU operating are discussed and analyzed，improvement design is also proposed.

EMU;CRH3C;HMI;failure

U260

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.26

1008－7842(2015)02－0107－03

)男，高級(jí)工程師(

2015－01－12)