动车组人机交互控制系统故障成因分析与诊断研究

张幼庆 许帅帅 中国铁路上海局集团有限公司上海动车段

动车组人机交互控制系统，是动车组与司乘人员、乘客之间的联系与接口界面，是动车组安全高效运营及提高旅客乘车体验的重要设备。在CRH3型动车组（包括CRH3C、CRH380BK、CRH380B、CRH380BL等型号）中，其全列人机交互控制系统，简称HMI，主要实现牵引指令、制动指令的串行传输状态检测，设备的切除、复位，空调温度控制，乘务员支援，服务设备控制，数据记录与显示，车上试验等。

每组短编组动车组自然列中，包括两头车各两套互为热备的监控系统，另外在监控室有另一套监控系统，即全列共五套人机交互系统；每组长编组动车组自然列中，每台CCU对应一台HMI，即全列共八套人机交互系统。其基本供电及通信，如图1所示。

图1 HMI供电及通信连接位置

随着动车组运用检修的不断深入，动车组数量不断增加，相对应的动车组维护压力也越来越大，对部件检修要求不断提升，对动车组监控、控制设备的检修要求也越来越高。

2013-2017年间，CRH3型车人机交互系统共因故障更换193套，且故障数量呈逐年上升趋势。

面对较大检修压力，动车组人机交互设备故障，无法实现自行维护，仅能进行简单和初级的检修。由于西门子等生产商技术封锁与垄断，相关内容路内尚无先例，无法获得相关参考。查阅相关领域文献及研究成果，其类似领域研究主要集中在汽车中央控制等方面，与动车组人机交互控制有较大区别，借鉴意义有限。

1 故障情况分析

1.1 故障情况整理

基于2013-2017年CRH3型动车组检修记录，对193套人机交互系统故障进行了整理统计。其故障主要表现为：监控系统不启动、监控系统显示异常、通信传输异常、监控屏触摸不良和其他异常。统计结果如表1所示。

表1 故障现象统计

由此可知，在HMI故障统计中，主要是不启动和传输异常。

为了分析对应故障现象的产生原因，通过对收集到2016年9月-2017年3月间主要因故障换下的动车组全列人机交互控制系统，总计56套，进行了故障类型统计。

1.2 故障情况分析

通过对于系统的大量拆解测量分析，对各种故障原因进行了分析整理。根据分析整理，确定故障主要来源，基于数据分析，可知占比较多的故障原因为：传输模块异常，高压驱动部件异常，CPU模块异常，电源模块故障，触屏老化，SRAM模块异常，液晶驱动模块异常，传输及转换模块异常。此外，还有少量转换模块故障及壳体故障。

综上所述，HMI故障原因重点集中在部分PCB电路出现故障。进一步分析，发现PCB主要存在电容、二极管击穿，IC烧损等问题。基于现象，推测由于过电压、不平衡电流导致了击穿故障。

2 车上数据采集装置设置

选择某CRH380BL型动车组，选用Rhode&Schwarz 100985型四通道示波器，安装在EC00车操纵台内。由司机室配电柜内BD 110 V断路器出线端供电，并通过逆变器逆变为AC 220 V为示波器供电；通道分别监测各参数值。安装位置如图2所示。

图2 监测设备安装位置

其基本连接方式如图3所示。

图3 示波器安装原理

3 数据采集与分析

3.1 监测数据

监测数据如表2所示。

表2 监测数据

其中，CH4通道监测Compact I/O模块24 V供电，与HMI进行对比。设置CH2通道触发记录电平120 V/130 V对数据图像进行记录。

3.2 车上操作与数据采集

对蓄电池进行两次开断试验，对主断路器进行四次合断操作，对头灯进行两次切换操作，对紧急通风装置进行两次通断操作。操作结果如表3所示。

表3 操作结果

图4 第一次合断主断路器触发

图5 第二次合断主断路器触发

图6 第三次合断主断路器触发

图7 第四次合断主断路器触发

3.3 数据分析

由触发情况可知，DC110 V输入瞬变，主要与合断主断路器存在关联，与其他操作包括合断蓄电池、操作应急通风和头灯等无明显联系。基于波形图可知，直流110 V电源的瞬变形式存在不同，在最极端状态下（第三次合断主断），阻尼正弦波持续0.8 μs，同时出现了一个4 MHz高次谐波。

该谐波可能由主断路器本身两侧的寄生电容和电感引起，或临近部件如电压互感器，过压抑制器，接地开关，电缆，主变压器和接触网等引起。此外，主断的电弧放电特性连同寄生元件也可能是造成这一现象原因，从而导致列车发生很强的瞬变。相应瞬态变化，极易导致HMI内各元件老化加速或超限击穿。

4 检修工艺开发

针对故障件检修，由于相关技术完全由生产商垄断，且相关生产商拒绝提供相应系统最小单元配件；同时，对于人机交互控制系统，不同型号设备、不同板卡的故障均不相同，因此，适应于特定故障的最佳检修工艺方案也不确定。

对于自主检修工艺，主要有元件修、换件修及混合修三种方案。元件修即对故障部件进行元件级检修；换件修即将故障部件模块更换；混合修即对有条件部件进行元件修，其他进行换件修。

因此，针对以上主要故障，需分别进行分析，制定相应计划，进行方案对比，并针对性提出最佳检修工艺方案。

为了实现检修工艺分析，需要对各故障模块进行分别分析。具体分析过程，需要对各故障模块功能、分区、性质进行确定，后对其进行原理倒推，逆向绘制相关原理图，明确故障模块上各元件工作原理，精确定位故障元件位置并分析故障产生原因，对相应故障元件进行针对性讨论。具体分析如下：

（1）高压驱动部件异常

通过对该板路分析，其主要故障点集中于钽电容击穿、高频变压器烧损，该故障模块适用于元件修。

（2）电源模块故障

通过对该板路分析，其主要故障点集中于电容击穿、肖特基二极管击穿、稳压IC老化及电路主板击穿，适用于混合修。

（3）SRAM模块异常

通过对该板路分析，其主要故障点集中于PC104损坏，可采用元件修。

（4）CPU模块异常

CPU模块零部件较多，其南桥组，北桥组及CPU所涉及IC封装虽然易于购买，但由于整版布局密，且绝缘保护级别高，加工难度极大，且加工后难以保证整板的安全性，因此适用于换件修。

（5）传输模块异常

实际故障中，主要以89C51老化、82C250损坏等为主要原因，适用于混合修。

（6）各种连接异常

连接异常仅需目测或简单表具测量，较为简单。更换过程也相对简单，适用于元件修。

（7）传输及转换模块异常

实际故障中，主要以MCU老化、收发器损坏等为主要原因，适用于混合修。

5 应用效果

目前，对于55套全列人机交互控制系统设备，共完成检修48套，修复率达到87.27%，平均检修时间约为2.18 h，平均检修成本252.88元。作为高价部件，更换48套人机交互控制系统，所需成本总计768万元（每套平均单价16万元）；相应修复成本总计1.21万元。考虑修复后产品20%寿命损失，目前该项目为动车段节约直接经济成本614万元，项目预计全年可为节约直接经济成本1053.3万元。

相关技术在全路推广后，可以取得可观的直接经济效益。同时，通过相关技术的推广，能够提高动车组部件自主检修率，提升检修人员自主化意识，推进动车组自主检修的发展，为实现动车组完全自主检修提供帮助。