车辆综合信息记录仪在轨道交通车辆中的应用

龚 伟， 龚泽丰

1. 上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245 2. 香港中文大学(深圳) 深圳 518172

1 研究背景

目前，轨道交通车辆运行的安全隐患除责任机制和安全监督不到位外，还包括技术支持不足。技术支持不足在城市轨道交通安全管理工作中是一个重要的安全影响因素，它导致了城市轨道交通安全管理工作难以进行[1]，一旦发生故障，故障原因如何判断，是司机人为操作因素还是设备本身原因，运营部门和设备维护部门往往争论不休。此外，虽然车辆上有故障记录仪，但是仅记录故障现象，调查故障原因往往要花费大量人力和物力。

车辆综合信息记录仪汇集各方面综合信息，包括司机和沿路轨道的图像与声音信息，可以将管人、管车和管安全有机结合起来[2]。笔者就此探讨车辆综合信息记录仪在轨道交通车辆中的应用。

2 车辆综合信息记录仪系统

车辆综合信息记录仪，俗称黑匣子，原本是航空器上的专用电子设备，主要记录航空器各个机械部件和电子仪器仪表在航空器停止工作或失事前0.5h的语音对话和2h的飞行参数, 需要时将所记录的内容解码，可供飞行试验、事故分析使用。目前，记录介质从最早的磁带式改进成为能承受较大冲击的静态存储式[3]。车辆综合信息记录仪系统主要由中央处理器(CPU)模块、输入输出模块、多功能车辆总线(MVB)模块、事故数据记忆模块、电源模块和数据扩展模块组成，如图1所示。

图1 车辆综合信息记录仪系统示意图

(1) CPU模块。CPU模块是整个系统的控制中心，负责系统的运算、控制和管理工作。CPU模块主要接收信号和变量，并将数据记录在事故数据记忆模块中。CPU模块内嵌网络访问服务器，可以在线监测信号，并进行故障诊断。CPU模块基本功能包括： ① 启动和自动测试系统；② 输入输出信号的取样及报警；③ 内存镜像存储冗余控制；④ 实时管理和全球定位；⑤ 车辆内部网络的维护和数据传送；⑥ 外部局域网的维护和配置；⑦ 系统自诊断和故障代码输出。

(2) MVB模块。MVB是轨道交通车辆之间和车辆内部设备互联、传送控制、检测与诊断信息的数据通信网络，是一种主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通信总线[4]。为了提高系统的可靠性，在MVB模块中采用了冗余技术。

(3) 以太网通信。以太网通信的主要功能是进行大数据量的传输，适用于对实时控制通信要求不高的场合，如车载广播系统、视频系统、故障信息传送等。

(4) 模拟与脉冲信号。由于系统需要采集脉冲和模拟信号，如电机和车轴的转速、制动管道的压力等，因此配置了驱动电路来满足系统的驱动要求[5]。输入脉冲信号的频率最高为20kHz，模拟信号可以采用电流源或电压源，输入电流的范围为 0～20mA，输入电压的范围为0～10V。

(5) 数字信号。与数字信号匹配的输入输出模块具有快速数据处理能力。为了提高系统抗干扰性能和过压过流保护能力，设置了电隔离过滤器和高低电位测试点，并增设湿性电流保护线路来对线路触点进行抗氧化保护[6]。

(6) 事故数据记忆模块。事故数据记忆模块具有数据存储功能，可以按事件重要性、超过设定值幅度和时间先后来存储。针对不同性质的数据，可以通过软件来定义不同的数据存储方式。本系统数据存储采用镜像内存技术，用来创造内存的冗余副本，从而确保当某个存储器失效时，能够自动利用备用内存找回数据[7-8]。每个通道都有一套完整的内存数据拷贝，从而保证服务器的平稳运行。所使用的事故数据存储器应符合IEEE 1482.1标准要求，其基本功能包括： ① 在事故状态下能够承受冲击、振动、挤压，以及水和火的考验，且时间不短于2h；② 所存储关键信息和数据连续时间不短于2h；③ 所存储司机室影像和声音信息不晚于事故发生前30min。

(7) 电源模块。电源作为整个系统的动力中心，采用电隔离技术，具有过流、过压等保护功能。此外，还设有专门的供电蓄电池，可确保在断电的情况下连续工作250h。

3 安装

通常一列列车配置1～2台车辆综合信息记录仪，可分别设置在车头车尾的电气柜中，一般建议记录4类数据。

(1) 车载设备现状，包括主控制器的手柄位、列车控制系统的运行状态等。

(2) 列车现状，包括司乘人员编号、列车行驶方向、列车停放制动状态等。

(3) 列车运行实时信息，包括速度、里程、总风缸压力、车载质量等。

(4) 操作和监控相关数据，包括常用制动施加、紧急制动触发、开关门等。

车辆综合信息记录仪接线如图2所示。

图2 车辆综合信息记录仪接线示意图

4 软件设计

车辆综合信息记录仪在车辆运行过程中记录所有涉及运行安全的参数，不仅提供分析事故的重要依据，而且可以有效避免事故的发生。车辆综合信息记录仪的软件设计包括基础软件和系统分析软件两部分，基础软件的作用是真实记录运行车辆的参数，系统分析软件则可以对数据进行科学分析。

基础软件基本功能如下。

(1) 通电自检。一旦通电，系统会测试各存储单元的工作情况，并进入等待状态。如果测试不通过，系统会显示故障代码，故障继电器激活，通知CPU。

(2) 电源关闭程序。正常电源关闭程序会在关闭电源之前将系统从数据记录状态切换至系统禁用状态，从而确保数据存储的安全性。

(3) 数据传送和存储。当系统确认数据传送和存储功能正常后，系统进入运行模式。在运行模式下，有三种布尔变量决定系统运行状态，具体为记录命令、记录激活和便携式测试设备维护需求。系统运行状态包括禁止、准备、记录、维护和记录超时等，通过各种系统运行状态确保数据传送的有效性和正确性。

系统分析软件基本功能如下。

(1) 数据存储。车辆综合信息记录仪所记录的数据非常多，为确保原始数据的真实性，使用时间值，以及车辆和记录仪编号作为数据库的表头，然后将数据存储到表头对应的数据库中。一旦数据被完整存储，将不再允许向对应数据库中添加或删除任何内容。为防止下载数据中出现错误，可以同时从备份镜像数据存储器中下载数据。

(2) 数据处理。根据数据库的表头读取相对应一个或几个文件，重新合并，同时生成一个新文件，用以防止用户在数据分析过程中修改或删除原始数据中的内容。系统分析软件中的数据库如图3所示。数据处理模块具有同时处理30个数字和模拟信号的能力，通过调用Matlab软件曲线拟合功能，可以对运行参数进行数据转换[9]。数据分析时，可以人为定义故障时间段，选择相应的变量组合来判断故障产生的原因。在选择屏上可以对文件进行选择、下载、修改和删除，同时选择相应的变量和图形显示形式，如图4所示。

图4 数据文件操作截图

5 应用实例

图5为车辆综合信息记录仪记录的列车在调试过程中冲出终点并撞坏端墙事故的各参数曲线，表1为各时间节点数据分析结果。司机在接近终点时两次从快速制动位拉回至运行位，起始最高速度为 90.13km/h。列车刚撞击端部止挡时，速度为 40.01km/h，之后第二次撞击端墙，速度为 29.33km/h，最终列车失电速度为11.9km/h。列车从90.13km/h开始运行了786m受到撞击，历时34s，之后1s又撞击端墙。根据上述记录分析，得出结论为这是一起严重的因司机违反操作规程而造成的事故。

6 结论与展望

随着无线通信技术的发展，通过无线局域网通信设备，车辆综合信息记录仪与地面车辆控制中心可以进行实时通信。通过数据交换，控制中心可实现对车辆的监控。与此同时，通过对记录数据的读取分析，控制中心可实时监督司机操作，并提供相应的协助[10]。

笔者对车辆综合信息记录仪在轨道车辆中的应用提出设计方案，目前仅实现车对车的监控。车辆综合信息记录仪的应用是一项系统工程，还需要实现车对地和地对车的监控[11-12]，将与行车安全有关的所有装备都纳入监控之中，这样才能真正保证行车安全。

图5 车辆综合信息记录仪事故参数曲线

序号时间操作速度/(km·h-1)距离/m110:18:24 49A取消激活00210:18:25 50A激活司机室00310:18:27 50A缓解制动00410:18:33 50A开始牵引00510:19:01 50A开始惰行90.13383610:19:03 50A方向驾驶列车到达最大速度92.74435710:19:26 50A惰行结束85.62991810:19:26 50A施加快速制动85.62991910:19:28 50A施加紧急制动83.3610401010:19:35 50A迅速离开快速制动位,并于200ms后回到快速制动位40.0111691110:19:36 50A第二次离开快速制动位29.3311741210:19:36 50A丢失司机室激活信号和手动驾驶模式信号29.3311741310:19:38 列车失电11.991182

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