轨道交通车辆故障诊断系统设计与实现

王 琦，宋小宁，凌 飞

（ 中车大连电力牵引研发中心有限公司，大连 116052）

轨道交通车辆故障诊断系统作为车辆网络控制系统的重要部分，用于实现对网络控制系统传输数据的采集、处理、通信和调用功能，从而能够发现、记录、分析、报告故障和运行状态，对车载各个子系统进行监视和诊断。

1 系统架构

故障诊断系统采用分布式控制技术，车辆的通信网络采用多功能车辆总线（MVB），用于车辆信号传输和控制，符合IEC61375-1标准要求。

车辆网络拓扑结构如图1所示，其中，数据采集单元（DRU）、事件记录仪（ERM）为故障诊断系统设备。DRU可采集车辆MVB总线上的所有子设备数据，记录并存储通用的设备运行状态和故障信息；ERM从网络中获取车辆的重要事件进行存储，再通过专用的诊断软件进行分析。

故障诊断系统通过MVB总线接入车辆网络，与中央控制单元、远程输入输出单元、牵引控制单元、制动控制单元、空调、门控单元等子设备交换数据；通过以太网与PC连接，用于实现数据维护、下载、分析和诊断；另外，通过在车载设备上安装无线客户端模块、在地面安装无线接入点模块，实现DRU与地面服务器的无线通信。

图1 车辆网络拓扑图

故障诊断系统结构如图2所示。

图2 故障诊断系统结构图

数据存储方面，DRU支持1 GB RAM和8 G存储空间，ERM支持512 MB RAM和2 G Flash存储空间。ERM内部的独立非易失的数据存储模块“黑匣子”是保存数据的重要存储介质，“黑匣子”的结构设计符合IEEE 1482.1-1999标准，拥有IP54防护等级，保证了系统断电后数据不丢失，在不可预知的碰撞、火灾情况下，仍然能够保持数据的完整性，所以本系统使用ERM来记录车辆的关键事件信息。

2 系统软件实现

2.1 软件开发环境

DRU软件基于VxWorks操作系统和OpenPCS集成开发环境，满足IEC61131-3工业自动化系统的程序编制标准；ERM软件基于Linux操作系统，使用ISAGRAF环境进行应用层软件开发，使用MySQL实现诊断软件的数据管理。

2.2 软件架构

系统上电后，将收到的MVB总线数据寄存到固定的内存中；同时，将需要发送的数据发送到MVB总线，实现MVB通信。DRU搭载的VxWorks操作系统，主要完成与控制系统相关的底层通用功能，其为DRU上层控制应用程序创建PLC任务，该任务实现对上层DRU应用软件可执行文件的解析和执行。ERM搭载的Linux操作系统主要完成与MVB通信、以太网通信和故障事件相关的底层通用参数，在实现底层驱动配置后为ERM应用软件提供可实例化的MVB端口数据、文件存储数据格式和功能块定义。由此，DRU的软件系统由底层引导模块、底层操作系统模块、系统调用接口模块和应用层软件组成；ERM软件分为底层操作系统文件接口模块、数据底层配置模块和应用层软件组成。

系统的软件架构如图3所示。

图3 软件架构

2.3 软件实现

根据软件功能需求，故障诊断系统软件设计主要包括文件系统配置模块、初始化模块、MVB通信模块、底层驱动模块、DRU自检模块、文件记录模块和分析诊断模块等。

（1）文件系统配置模块：用于实现Linux操作系统中对MVB总线设备地址、以太网IP地址、故障诊断信息等配置；

（2）初始化模块：主要用于实现以太网模块初始化、MVB初始化、硬件寄存器初始化和看门狗初始化等，在设备上电后启动软件看门狗，防止程序跑飞，并能在程序跑飞后重启设备，保证了通信的安全；

（3）MVB通 信 模 块：用于实现基于IEC61375-1的MVB通信协议，完成MVB端口参数配置，完成MVB端口数据结构定义，实现MVB通信；

（4）底层驱动模块：用于实现VxWorks与OpenPCS的接口驱动，此模块被封装成库，底层驱动模块中还定义了运行记录和故障记录的功能块，作为接口提供给应用层实现文件记录功能；

（5）DRU自检模块：用于对DRU在上电启动时执行自检，包括对系统任务初始化状态及运行状态是否正常进行检查；在工作时监视任务的状态和内存的状态，一旦发现任务异常或者内存溢出等问题，立刻报错并重启操作系统；

（6）文件记录模块：用于将需要的车辆运行通用数据和关键事件以文件的形式存储记录，记录的文件可通过专用的诊断软件进行分析并查找故障原因等；

（7）分析诊断模块：基于以太网通信基础之上，用于与诊断软件接口，实现目标机文件的上传和下载，主要用于维护、分析和诊断，该模块还为应用软件OpenPCS和ISAGRAF在调试时，提供实时变量监视和变量强制赋值的功能，便于调试。

软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图

3 故障诊断与数据分析

故障诊断系统完成车辆故障数据和运行数据的记录和分析功能，记录内容按记录方式分为两种类型：触发性记录的故障数据和周期性记录的运行状态数据。

3.1 通信接口

故障诊断和数据分析功能既可以使用以太网接口与PC相连，也可以通过在车载设备上安装无线客户端模块、在地面安装无线接入点模块，实现DRU与地面服务器的无线通信。车载无线设备实时搜索周边无线网络状态，当车辆回库后车载无线设备检测到车辆段无线局域网络时，将自动通过该局域网将汇总的车辆历史故障、运行状态数据文件传输至指定的管理服务器。地面服务器数据采集软件收到数据记录单元通过车载无线设备发送过来的车辆故障、运行状态等信息后，自动对数据进行分类、统计和评估，存入数据库中并形成相应图表，可通过网页远程访问，经分析统计形成曲线、图形、报表等，向用户分类展示车辆运用、故障诊断等车辆各方面的情况，为用户提供故障评估、车辆维护与快捷服务的决策支持。车辆段管理人员可通过地面服务器软件对车辆故障及运行状态进行实时监控，并对数据库中保存的车辆历史数据做相应分析统计。车辆段工作人员可使用专用的诊断与分析软件，通过网络与车辆段服务器或车载数据采集单元建立连接，将所记录的车辆故障、运行状态等数据导出到PC中，供车辆段工作人员对车辆故障及运行状态等数据做进一步深入的离线分析。

3.2 故障诊断

故障诊断系统将故障划分为3个级别，当检查到故障时，网络控制系统将按照每个故障等级采取定义好的如下动作：

（1）一级故障信息：即关键信息，对列车运营和服务会造成显著影响的列车事故和故障，需要立即采取措施处理；

（2）二级故障信息：即次关键信息，对列车运营和服务不会造成显著影响的列车事故和故障，在列车返回车辆段之后采取处理措施；

（3）三级故障信息：即非关键信息，对列车运营和服务不会造成影响的列车事故和故障，可在列车日常维修时排除。

TCMS系统人机交互单元HMI显示当前实时故障和历史故障；用户可使用故障诊断软件对故障记录进行查看和分析，同时查看故障发生时刻的关键信息，如级位、速度、轮径等，故障诊断界面如图5所示。

3.3 运行数据分析

故障诊断系统通过WEBTIP软件进行数据分析。WEBTIP软件分为维护工具和数据监视工具两部分，维护工具通过导入相关配置和数据库文件决定需要解析的数据格式，如图6所示，再通过数据监视工具在线实时监视数据，也可以将记录数据导出通用格式文件，并对文件（数字量数据和模拟量数据）分别以表格或曲线的方式进行查看和分析，如图7所示。

图5 故障诊断

图6 数据库配置

图7 运行数据监视

4 结束语

故障诊断系统是轨道交通车辆的核心系统之一，整个故障诊断系统包括设备硬件、操作系统、诊断软件、监视软件和维护工具等。本文设计实现了一套故障诊断系统，该系统通过MVB接口获取车辆故障数据和运行状态数据，不间断地记录和存储所有必要的数据；通过以太网接口下载车辆故障和运行状态信息，以分析和审查车辆子系统（包括牵引系统、辅助系统、门控系统、空调系统、火警系统、旅客信息系统、制动系统等）的运行状态和故障原因，采用基于WLAN的无线车地传输模块，实现了列车运行状态数据和故障数据的自动下载，节省了人力成本，提高了工作效率；且在不可预知的碰撞和火灾等情况下，能够保持关键数据的完整性，确保数据安全。

[1]邱 岳. 列车事件记录仪硬件与配置软件设计与实现[D].大连：大连交通大学，2015.

[2]李坤明,谢金莉,李春燕,等. IEEE标准—轨道交通车辆事件记录仪[J]. 国外铁道车辆，2016，53（4）：35-46.

[3]刘家栋,毛如香,马喜成,等. 事件记录仪在城轨车辆中的应用[J]. 电力机车与城轨车辆，2013，36（4）：81-82.

[4]刘绍凯. 轨道交通车辆远程故障诊断系统的研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[5]翁羽翔. 基于VxWorks嵌入式系统的应用研究[D].上海：同济大学，2007.

[6]张 唯. 事件记录仪在地铁列车故障分析中的应用[J]. 现代城市轨道交通，2014（5）：78-82.

[7]李启磊,许娟红,虞君彪,等. 基于多功能车辆总线的城市轨道交通车辆数据采集系统[J]. 城市轨道交通研究，2015，18（11）：132-135.

[8]徐 可，张陈斌，陈宗海. 轨道交通故障诊断综述[C]//中国系统仿真技术及其应用学术年会，2017.