地铁列车安防监控系统CCTV监控屏黑屏故障分析及整改

江 腾 郑吴富 莫厶矿 陈秀珍 梁家智

(南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司 广西 南宁 530001)

0 引言

随着城市轨道交通的不断发展完善，人们对城市轨道交通运营安全提出了更高的要求。城市轨道交通安防监控系统在运营事件和安全事件调查过程中，发挥着日益重要的作用[1]。安防监控系统作为轨道交通安全防范的重要组成部分，可实现车内监控及视频上传两个功能，车内监控主要是实现司机对客室车厢的实时画面监控，以利于对车厢出现的突发情况作出响应；视频上传指利用车地无线，将视频上传至控制中心，使控制中心对运行列车实现实时监控，能在第一时间了解现场情况，作出相应的指令及措施。某地铁1号线自2016年开通以来，电客车在正线多次发生CCTV监控黑屏故障，直接造成列车监控无画面输出，且导致监控视频无法发送到OCC控制中心及地铁公安防控大屏。为提高安防监控系统的可靠性与稳定性，本文将对系统的结构及故障进行探究，针对故障原因进行分析并在此基础上提出相应的解决措施。

1 安防监控系统组成及原理

1.1 系统组成

某地铁1号线车载安防监控系统由以太网交换机、网络硬盘录像机、CCTV监控屏、摄像机等组成，具体如表1所示。

表1 安防监控系统配置表

1.2 系统网络结构

某地铁1号线车载安防监控系统采用全数字网络构架方案，2个司机室交换机和6个客室交换机的2个端口通过跳接方式组成以太环网，可避免单个交换机故障后，影响其余客室摄像机录像的实时监控及存储。整列车摄像机通过以太网连接至司机室、客室交换机端口，视频数据通过以太网传输，从而实现整车画面的实时监控及录像文件存储，安防监控系统以太网结构如图1所示。

图1 交换机网络拓扑图

1.3 CCTV监控屏组成及工作原理

某地铁1号线车载安防监控系统中的CCTV监控屏用于调取并实时显示摄像机监控画面；监控屏主机可进行数据转发，经车地无线AP传输至地面OCC控制中心。监控屏内部主要由主控板、VGA转LVDS板、电源板、电源滤波器和LCD显示屏组成。基于嵌入式ARM架构设计，操作系统为嵌入式Linux系统，分辨率为1024×768。

2 系统故障分析及处理情况

据统计，2019年某地铁1号线CCTV监控屏共发生故障125起，主要为宕机黑屏、通讯失联黑屏、重启黑屏，为彻底解决共性故障，降低CCTV监控屏故障，以下分别对以上三类故障进行原因分析并制定整改措施。

2.1 CCTV监控屏宕机黑屏

2.1.1故障现象

CCTV监控屏宕机黑屏，断开该设备供电的微型断路器后重新合闸，CCTV监控屏显示恢复正常。检查插头、线缆、DC110 V电源等无异常，监控屏操作卡顿，更换备件后功能正常。

2.1.2故障原因分析

(1)主控板CPU占用率分析

使用工业PTU维护电脑连接列车交换机以太网口，登陆CCTV触摸屏设备的后台程序，检查监控屏的内部运行状态，发现监控屏在4分屏工作状态时，CPU占用率为53.3%；全屏显示状态，CPU占用率为72.5%。

(2)主控板以太网性能分析

通过网络诊断工具向CCTV监控屏发送数据包，大小为32 767 byte，超时设定为1 000 ms，每次数据发送数量为30 000个；测试结果丢包数为0，未出现丢包现象，因此排除CCTV监控屏通讯问题。

2.1.3结论

综上，初步判断CCTV监控屏宕机黑屏故障原因为：在正常使用过程中主控板CPU占用率长时间处于高负荷状态，CPU占用率过高、性能不足是导致CCTV监控屏卡顿、宕机黑屏的主要原因。

2.1.4主控板CPU运算能力不足整改措施

主控板是将MINI PC的核心功能打包封装的一种电子主板，包含有控制单元、逻辑单元、存储单元等，经过对CCTV监控屏上核心板3520A的性能调查，发现该核心板仅支持入门级720P数据处理及单通道DDR等配置，存在技术老旧、性能不佳、稳定性差等问题，导致在使用过程中CPU占用率长时间处于满负载状态，最终造成CCTV监控屏宕机黑屏，因此需要重新市场调研分析替换核心板的可行性。

海思Hi3521芯片是一款基于ARM Cortex A9的专业通信媒体处理器，具有高达8路D1实时多协议编解码能力的引擎和专用TOE网络加速模块，处理频率达930 MHz，能够满足1080P级别以上视频处理需求、配置双DDR架构，具备快速数据处理带宽的能力、可提供H.264和MJPEG多协议编解码。因此Hi3521具有技术更新、性能更强、稳定性强的特点，故决定替换原3520A核心板并试装两列车，跟踪观察一个月，整改后CCTV监控屏在全屏显示状态时，CPU占用率由原来72.5%下降为0.7%，未发生宕机黑屏故障，如图2所示。

图2 整改实物及使用效果图

2.2 CCTV监控屏摄像机显示重联字样

2.2.1故障现象

CCTV监控屏摄像机位置全部显示“重联”字样，检查插头、线缆紧固无松动，DC110 V电源无异常，重启后故障仍存在。

2.2.2故障原因分析

CCTV监控屏与交换机间通信使用四芯网络线，与CCTV监控屏连接处采用DB9连接器，拆解DB9连接器插头，发现内部母针存在氧化、变形及线缆焊接点断裂现象，如图3所示，更换连接器后故障消失。

图3 故障DB9连接器故障图

对30列电客车进行批量普查，发现其余列车CCTV监控屏的DB9连接器插头内部母针同样存在不同程度的变形及氧化现象，据统计故障率占比高达93%，如表2所示。

表2 DB9插头故障件故障点统计表

2.2.3结论

通过拆解故障CCTV监控屏DB9连接器以及普查发现某地铁1号线DB9插头内部母针普遍存在氧化、变形、脱焊等现象，最终导致CCTV监控屏通信不稳定，因此可以判断该型号DB9插头存在质量问题。

2.2.4DB9插头选型不佳整改措施

因电客车CCTV监控屏DB9数据连接器采用9PIN焊线式插头，导线连接为焊接式，母针材质为铝、U字平面型，固定方式为侧面挤压，长期运行振动后，存在插头焊点脱落、U字型母针失效、针头氧化等隐患。整改换型后的DB9数据连接器采用了9PIN免焊式插头，与旧型号对比，导线连接采用压接方式，母针材质为铜、O字环型，通过环形弹簧滚珠挤压固定，具有耐久度高、接触可靠、不易变形等特点。

2.3 CCTV监控屏反复黑屏

2.3.1故障现象

CCTV监控屏反复黑屏重启，重新断电可恢复正常，检查插头、线缆、DC110 V电源等无异常，更换CCTV监控屏后，功能恢复正常。

2.3.2故障原因分析

CCTV监控屏由散热器、BX3保险丝、电源模块、电容以及显示屏等组成，如图4所示。其中BX3设计的目的在于检测机箱内部平均温度是否超过50 ℃，当环境温度上升超过50 ℃时，BX3自恢复保险丝阻值迅速增大，工作电流从正常的0.91 A下降到0.69 A，主板因供电不足无法工作，最终实现高温电源断开的保护逻辑；而CCTV监控屏的电源模块的温度控制则由自身散热器进行。经测量故障复现时CCTV监控屏内部工作环境平均温度为30 ℃，而电路板上自恢复保险丝BX3一侧的电源模块温度高达65 ℃，此时BX3自复位保险丝会进入保护状态。

图4 CCTV监控屏组成

2.3.3结论

综上，BX3自恢复保险丝的设计位置不合理，直接造成对主板温度的误判，CCTV监控屏误触发重启保护功能。

2.3.4BX3误触发整改措施

对CCTV监控屏的供电电路进行分析，发现接口板背面安装有BX2保护器，如图5所示，由原理图可知BX2与BX3自复位保险丝功能一致，可实时监控CCTV触摸屏内部环境的工作温度，温度过高时能限制电流以断开电源，防止过热损伤元件。

图5 CCTV监控屏供电原理图

结合CCTV监控屏的供电电路图，将BX3作屏蔽处理，在不影响其他元件功能的前提下解决BX3自恢复保险丝误触发问题。最终决定通过使用2.5 mm2线径铜质线缆作为PCB跳线材料短接BX3保险，杜绝该设计缺陷问题。

3 整改后的效果对比及可靠度验证

截至2020年7月，某1号线安防监控系统CCTV监控屏全部完成整改，对整改后安防监控系统正线故障率进行统计分析发现，2020年8月份故障下降为1.79次/10万km，10月份巩固期下降为1.0次/10万km，远低于2019年平均故障率4.05次/10万km，结果表明，以上整改措施行之有效，如图6所示。

图6 安防监控系统故障率

根据1号线地铁长时间实际运营数据计算得出，系统无故障时间(MTBF)可达到5 050 h。符合电子设备故障率维护木桶原理[2]且满足EN50126MTBF基于铁路应用的可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)规范与证明的标准。

4 结束语

上文首先介绍了1号线电客车安防监控系统的工作控制原理，结合CCTV监控屏故障现象对故障件进行分析后得出CCTV监控屏存在核心板运算能力不足、DB9插头选型不佳、BX3保护器设计缺陷等问题，针对以上问题进行深入研究后分别制定了硬件升级替换、DB9插头换型、短接BX3保护电路等整改措施使某地铁1号线安防监控系统CCTV监控屏故障得到有效解决，为后续电客车的维护运营及新线列车设备选型提供了强有力的技术支持。