南京地铁1号线车辆数据记录仪的研究与应用

张晓健

南京地铁1号线车辆数据记录仪的研究与应用

张晓健

（南京地铁运营有限责任公司，210012，南京//助理工程师）

南京地铁1号线运营10年以来,列车在正线运行中发生的故障数量和类型都越来越多，但车上现有的诊断设备记录车辆关键数据的能力有限，当车辆发生故障时，并不足以给维修技术人员提供全面的信息。针对此问题，对车辆WorldFIP网络协议进行研究，开发了的车辆数据记录仪。该记录仪通过专用隔离变压器接入列车WorldFIP网络总线，在物理层解决网络接入问题的同时，根据网络节点特征及变量特征进行协议分析，并结合已有的变量定义，解析并记录FIP网络中的所有通信数据。通过实际应用中的数据对比可以看出，所设计的车辆数据记录仪能持续且较全面地记录所有WorldFIP网络上的通信数据，非常有利于故障的查找和分析，从而能准确地解决故障、提高车辆故障的处理效率。

南京地铁；车辆；WorldFIP网络；数据记录仪

目前，南京地铁1号线电客车采用的是WorldFIP（以下简为FIP）网络，车上没有安装独立的车辆运行数据记录仪，而现有的用于车辆数据记录、分析的设备和工具（电子视频记录仪）已无法满足需要。由于1号线电客车的技术设备以及总线协议均由国外公司提供，想要提升设备性能，完成升级改造，需要承担昂贵的改造费用。因此，实现关键技术和设备的国产化非常必要，也是我国轨道交通行业的发展趋势［1-3］。

经统计，约有50%的电客车故障为瞬态故障。当列车发生瞬态故障后，由于缺乏相关的历史记录信息（原有EVR记录时间短，记录信息少且为条件式触发记录），只能回库后进行模拟试验或者在试车线上试跑，这给准确查找出故障原因带来了较大困难。若对调设备或器件进行跟踪观察，又容易造成故障的二次发生，不仅降低了列车故障的处理率，也降低了列车的可靠性。

本文设计的车辆数据记录仪是一个面向列车的通信网络设备，具有较高的实时性、同步性和可靠性。该设备可实时监视列车各子系统的运行状况，实现关键数据连续、长时间的记录和存储，使车辆维修人员能掌握更多的车辆数据信息，从而快速、深入地定位、分析、排除故障，促进地铁运营车辆的保障工作。

1 电客车的网络通信系统

图1所示为南京地铁1号线电客车TIMS（列车综合管理系统）网络结构。FIP数据网络是TIMS的核心，分为FIPT列车级网络和FIPV车辆级网络。其中，FIPT为两个单元MPU（网络主控制单元）之间的通信网络；FIPV为本单元设备间的通信网络。车辆数据记录仪直接接入FIPV车辆级网络的物理层，每个单元1台，负责所在单元的信息监测和记录，只监听、解析和存储数据，不向网络发送任何数据。FIP网络上所接设备及功能如表1所示。

图1 南京地铁1号线TIMS网络结构

表1 南京地铁1号线电客车FIPV网络所接设备及功能

2 车辆数据记录仪的硬件

车辆数据记录仪的硬件部分包括机箱、CPU板、FIP网卡、开关量采集板、模拟量采集板、110 V电源板和总线底板等。按照车载电子系统硬件框架的标准，并考虑到系统的可扩展、可升级、易测试、易维护等要求，车载记录诊断装置的硬件结构采用多板结构。将各功能模块的板卡（子板）采用边缘插头的互连结构插在母板上，构成整个系统的基本硬件结构，如图2所示。其中，FIP网卡接收车辆总线上的交互数据。FIP网卡以PC104的形式接插在CPU之上（见图3），用于FIP网络的电平转换、解码、校验、数据格式整理和FIP总线网络的数据收发。网卡板的核心控制元件选用Altera公司Cyclone系列FPGA（现场可编程门阵列）芯片EP1C3T100C8N，完全从底层自主设计。该网卡实物图如图4所示。

图2 车辆数据记录仪硬件结构示意图

图3 CPU板与网卡板连接示意图

图4 FIP网卡

为了保证物理层上FIP网卡接收到的信号能够与总线上其他设备相匹配，网卡的总线驱动器沿用了阿尔斯通公司所用的FIP总线驱动器FIELDRIVE。该驱动器是一种集成化的总线驱动芯片，具有总线信号驱动、监测、调理、电平转换和相关异常保护功能［4-5］。它与信号隔离变压器联用，用于连接FIP通用控制器（自主研发的FIP网卡则以FPGA芯片替代）与FIP物理层通信介质（如屏蔽双绞线）。根据FIELDRIVE器件的相应功能，在网卡中设计了相应的驱动器外围电路，如总线驱动电路、总线接收电路、总线监测电路，以及相关监测接口电路和测试接口电路等。

FIP网卡通过并行总线的方式实现与CPU板之间的数据交互。CPU板是车辆数据记录仪的核心板卡之一，主要功能有：

（1）解析网卡收到的查询帧并作出应答；

（2）处理I/O（输入/输出）板（110 V开关量）和AD板（4～20 mA模拟量）传回的列车状态信息；

（3）判断网卡所接收的信息并将其按周期变量和偶发变量存入CF卡中；

（4）掉电数据保护与上电恢复，多任务调度以及内存管理。

CPU板与FIP网卡之间通过64位的接插件进行连接，与其他板卡之间则通过背板的I2C总线进行连接，CPU板实物图如图5所示。CPU板使用ARM STM32F103内核处理器作为核心控制部件。STM32F103系列微处理器是基于ARMv7-M体系结构的32位标准RISC处理器，代码效率很高，可将ARM内核的高性能特性在常规8位和16位系统的存储空间上发挥得相当充分。STM32F103系列微处理器的工作频率最高可达72 MHz，芯片内置高达128 K字节的Flash存储器和20 K字节的SRAM，通用I/O端口功能多种多样。

图5 CPU板

车辆数据记录议采用CF卡作为大容量的存储介质，当系统断电后，可将本装置的CF卡取出，通过上位机软件将其中的数据转储到上位机，然后将所选时间段的数据进行图表显示。本装置采用循环存储方式，当CF卡写满后会以新采集的数据自动覆盖历史数据。

3 应用情况

在实际应用中，车辆数据记录仪的数据下载方式设计得较为便捷：将本装置断电后取出CF卡（原EVR数据下载需要将MPU断电），在车上经专用读卡器连接上位机程序，即可完成数据的的下载、显示与分析。数据转储时，可选择CF卡存储数据时间段内的任意时间区间，在选择好时间区间和车号后可快速导出数据，如图6所示。可选择所在时间区间内的所有设备与MPU之间的通信变量（见图7），并对所选变量进行图表显示且无变量个数和时间的限制，如图8所示。图8中为ATC设备发送到MPU的所有数据的说明。

图6 数据导入时间选择界面

图7 显示变量选择界面

另外，车辆数据记录仪可记录682个故障信息，DDU（驾驶显示单元）上显示过的故障均能被记录，其中比较典型的是车门控制电子单元（EDCU）发给MPU的车门故障和状态信息。

图8 ATC相关变量的图表显示界面

正线车门系统故障数量比较多。当发生车门故障时，DDU故障栏中只显示“车门轻级故障”或“车门严重故障”，对应车门图标显红。正线上相当数量的车门故障为非永久性的，回库后故障现象已消失，此时需下载故障车门的EDCU。图9所示为从EDCU下载的车门故障信息界面，界面为全英文，且只有故障代码（Failure-Code）和故障发生的次数（Failure-Counter），无具体故障发生的对应时间。故针对车门故障，只能试着将车门尺寸、电气线路普查一遍，但很难检查出故障点，致使同类故障再次发生。若是司机报错故障车门位置，回库后故障又消失，则基本上很难定位故障点。

图9 EDCU导出的车门故障显示

图10 所示为从车辆数据记录仪中导出的故障信息表，导出的故障清单可以使用办公软件（Office Excel）打开。从图10中可以看到，列车故障信息的记录比较全面和具体，且以中文描述，包含了每个故障发生以及消失的时刻、名称和位置。通过故障信息表，车辆维修人员对发生过的故障一目了然，可对故障进行快速定位，并不依赖于司机对故障的描述。尤其是针对车门故障，可以看到所有故障车门的具体故障信息，不再需要去下载EDCU，较之前省时又省力。该车辆数据记录仪可大大提高故障的查找和处理效率，从而提高列车的可靠性。车辆数据记录仪的主要技术指标见表2。

图10 车辆数据记录仪导出的故障表

表2 车辆数据记录仪的主要技术指标

4 结语

车辆数据记录仪从物理层接入，不影响原FIP网络结构，不向网络发送数据，既能侦听到底层数据，又能减少对原有网络的影响。该装置结构比较简单，直接接入FIPV网络即可，且不需要更改原网络的任何软、硬件。而具有自主知识产权的自主研发打破了国外对该项技术的垄断，并有进一步的创新，在一定程度上填补了我国地铁车辆数据实时记录仪技术的空白。

［1］ 时玮.WorldFIP总线技术的研究与应用［D］.北京：北京交通大学，2008.

［2］ 郭然.地铁列车WorldFip网络通信系统可靠性分析与应用研究［D］.北京：北京交通大学，2014.

［3］ 王洪俭.车载控制器诊断数据实时记录共享系统研究［J］.城市轨道交通研究，2014，17（7）：32-36.

［4］ 吴涛，马晨普，李砾工.基于ARM核CPU的WorldFIP现场总线主控网卡的设计［J］.电力机车与城轨车辆，2006，29（2）：51-53.

［5］ 孔利东.基于FPGA的数据采集与处理技术的研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［6］ 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用［J］.微计算机应用，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）