城軌列車故障仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究

劉夢(mèng)成，孔繁虹

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

城軌列車故障仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究

劉夢(mèng)成，孔繁虹

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

城軌列車故障仿真培訓(xùn)系統(tǒng)用于培訓(xùn)列車駕駛員對(duì)故障的處理能力，使得駕駛員可以從容應(yīng)對(duì)列車駕駛過(guò)程中出現(xiàn)的故障。本文主要使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件來(lái)建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)，基于電路模型反推故障現(xiàn)象，根據(jù)故障現(xiàn)象查詢故障原因，并給出合理的故障處理建議，運(yùn)用 Qt軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)。

故障仿真；數(shù)據(jù)庫(kù)；電路模型

地鐵是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，包括機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行的地鐵列車故障診斷，最早開始于機(jī)械設(shè)備故障診斷，即狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。但最高效的解決方法還應(yīng)是地鐵駕駛員通過(guò)在地鐵模擬駕駛器上獲得的培訓(xùn)。本文主要針對(duì)地鐵列車電氣系統(tǒng)的故障狀況進(jìn)行研究并模擬故障現(xiàn)象。故障仿真系統(tǒng)獨(dú)立于地鐵模擬駕駛器之外，又與模擬駕駛有著重要聯(lián)系，是模擬駕駛過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

以上海市地鐵3號(hào)線為仿真對(duì)象，依據(jù)該線路的電氣線路圖和相應(yīng)的司機(jī)駕駛操作手冊(cè)，在介紹故障仿真界面實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)介紹如何實(shí)現(xiàn)故障仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。優(yōu)勢(shì)在于可以嚴(yán)格按照電氣線路圖的元器件連接情況來(lái)實(shí)現(xiàn)故障現(xiàn)象的觸發(fā)，故障的設(shè)置可以涉及到每一個(gè)電氣線路的元器件，更加切合實(shí)際情況。本文所設(shè)計(jì)的故障仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由兩部分組成：（1）供教員使用，且需要輸入密碼才可以登錄的故障設(shè)置系統(tǒng)；（2）供學(xué)員使用，指導(dǎo)學(xué)員依據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行故障處理。

1 故障數(shù)據(jù)庫(kù)

1.1 故障數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

仿真系統(tǒng)中故障顯示即故障的現(xiàn)象，而故障的原因排查即故障的機(jī)理?；诠收犀F(xiàn)象和故障原因的關(guān)系考慮建立具有3張表格的數(shù)據(jù)庫(kù)，本文使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件來(lái)構(gòu)建故障數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)中一共包含3張表格，依次為：Elements_List（元件表），F(xiàn)aults_List（故障現(xiàn)象表）和Suggestions_List（故障處理建議表）。第1張?jiān)碛脕?lái)存儲(chǔ)電氣線路中的電子元器件，如斷路器、繼電器、接觸器等，針對(duì)輔助逆變器這種具有整體模塊性的元件直接以模塊化存儲(chǔ)，如相應(yīng)車廂上的AUX。此外，該表格中需要包含連接第2張表的共用判斷元件，已有的元器件可以直接使用，如MP1_ S3（MP1車上的電弓升弓到位行程開關(guān)），沒有的元器件則考慮新建一個(gè)器件，如Doors_Open（虛擬元件），但教員在設(shè)置元器件狀態(tài)時(shí)，不允許更改虛擬元件的狀態(tài)，即需要保證該元件處于正常工作狀態(tài)（1值）。第2張故障現(xiàn)象表用來(lái)存儲(chǔ)共用的判斷元件及相應(yīng)的故障現(xiàn)象。第3張故障處理建議表，用來(lái)存儲(chǔ)供學(xué)員排查故障原因和處理建議，考慮到故障現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的故障原因具有發(fā)生概率的問題，此處存儲(chǔ)的故障原因僅是發(fā)生故障頻率較多的故障元器件，所以第3張表與前兩張表沒有鏈接關(guān)系，但是培訓(xùn)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)已有的故障處理經(jīng)驗(yàn)去更改這張?jiān)?建議表，不需要修改原程序，可以直接在數(shù)據(jù)庫(kù)中更改。

1.2 故障數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

Qt軟件除了提供QSqlQuery類，還提供了3個(gè)更高級(jí)的類來(lái)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，分別是SQL查詢模型（QSqlQueryModel），SQL表格模型（QSqlTableModel）和SQL關(guān)系表格模型（QSqlRelationalTableModel）。本文使用SQL表格模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增加、刪除、查詢、更改功能。

教員在設(shè)置完故障，培訓(xùn)學(xué)員結(jié)束時(shí)，需要把數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，恢復(fù)到初始狀態(tài)，以備下次培訓(xùn)時(shí)使用。正常狀態(tài)時(shí)元件的isOK值為1，故障狀態(tài)時(shí)元件的isOK值為0。通過(guò)使用SQL語(yǔ)言中Update語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，實(shí)現(xiàn)程序如下：

query.exec("update Elements_list set isOK='1' where isOK='0'")

2 基于電路模型顯示故障現(xiàn)象的模擬實(shí)現(xiàn)

實(shí)際的故障檢測(cè)系統(tǒng)中會(huì)實(shí)時(shí)采集地鐵車載狀態(tài)的數(shù)據(jù)，能有效監(jiān)視地鐵列車行車過(guò)程中各種運(yùn)行狀態(tài)量的變化過(guò)程，并基于這些故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)進(jìn)行故障診斷和處理，并對(duì)這些故障數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備份。本文中的地鐵列車故障仿真培訓(xùn)系統(tǒng)分為教員故障設(shè)置系統(tǒng)和學(xué)員故障處理系統(tǒng)兩部分，它們之間共用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

針對(duì)復(fù)雜的地鐵列車的電氣線路，所有諸如斷路器、繼電器等元件定義為基本類Element，而元件是否正常工作不僅與狀態(tài)值相關(guān)，還與其輸入有關(guān)。從而在Element中定義QList ＜Element*＞類型的類成員inputElements，使用鏈表結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)輸入的元件，構(gòu)成輸入元件集。而元件的輸入關(guān)系有兩種：相互之間為“與”關(guān)系的輸入，直接使用QList下的append()函數(shù)進(jìn)行添加；相互之間為“或”關(guān)系的輸入，額外添加虛擬的“node”節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。部分程序如下：

void addOneInput(Element *e) {

this-＞inputElements.append(e);

}

void addAllToOneInput(QList＜Element *＞ eList) {

Element *n=new Element("node", eList);

this-＞inputElements.append(n);

}

以上海地鐵3號(hào)線列車上110 V永久電壓得電為例，考慮到需要顯示故障現(xiàn)象，基于電路模型的元器件邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 110 V永久電壓得電與否的示意圖

其中Line_506表示110 V永久電壓的電源線，MP_S3表示列車升弓到位開關(guān)，TC_AUX表示TC車上輔助逆變器模塊，M_AUX表示M車上輔助逆變器模塊，node表示引入的用于表示“或”關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，PEVCB表示列車永久電壓斷路器，BATCB表示列車永久電源斷路器。MP_S3，PEVCB，BATCB，TC_AUX或者M(jìn)_AUX，同時(shí)得電，才可以使得Line_506線得電，也就是獲得110 V永久電壓。110 V永久電壓的獲得既可以通過(guò)TC車的輔助逆變器獲得，也可以通過(guò)M車的輔助逆變器獲得，所以兩者之間是“或”的關(guān)系。所以其電路模型可以通過(guò)如下的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)：

line_506-＞addOneInput(mp_s3);

line_506-＞addOneInput(pevcb);

line_506-＞addOneInput(batcb);

QList＜Element *＞ tc_m_aux;

tc_m_aux.append(tc_aux);

tc_m_aux.append(m_aux);

line_506-＞addAllToOneInput(tc_m_aux);

其中，line_506存儲(chǔ)Line_506，mp_s3存儲(chǔ)元件MP_S3，pevcb存儲(chǔ)元件PEVCB，batcb存儲(chǔ)元件BATCB，tc_aux存儲(chǔ)元件TC_AUX，同理m_aux存儲(chǔ)模塊元件M_AUX。

3 依據(jù)故障現(xiàn)象查詢故障原因及建議功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫(kù)第3張表是Suggestions_List表，實(shí)現(xiàn)的功能是查詢故障原因并給出相應(yīng)的建議。例如，對(duì)于列車的開門故障原因和建議列表如圖2所示，其實(shí)現(xiàn)是通過(guò)使用SQL語(yǔ)言中SELECT DISTINCT語(yǔ)句查詢故障現(xiàn)象“faults”列，并添加到ComboBox控件中，以供學(xué)員自己去選擇故障，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)“faults”去數(shù)據(jù)庫(kù)中查找到該故障現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的故障原因及相應(yīng)的描述、位置、處理建議。

圖2 故障數(shù)據(jù)庫(kù)中Suggestions_List表

4 仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果

教員通過(guò)輸入登錄名和密碼登錄故障設(shè)置系統(tǒng)，如圖3所示。通過(guò)界面中Button控件可以選擇相應(yīng)的表格對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)增加、刪除、查詢、修改功能。其中控件元件庫(kù)，故障現(xiàn)象庫(kù)和故障處理庫(kù)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的Elements_List（元件表），F(xiàn)aults_List（故障現(xiàn)象表）和Suggestions_List（故障處理建議表）。

圖3 教員故障設(shè)置系統(tǒng)

本文以地鐵司機(jī)按下開門按鈕（左門或右門），地鐵列車的左門或右門均無(wú)法打開這一故障現(xiàn)象為例，進(jìn)行仿真。

教員在開始進(jìn)行故障設(shè)置前，先點(diǎn)擊“復(fù)位初始值”Button控件，復(fù)位所有元器件的狀態(tài)值，然后再通過(guò)更改設(shè)置元器件的狀態(tài)值（0或1）進(jìn)行故障設(shè)置，1表示元件處于正常工作的狀態(tài)，0表示元件處于故障狀態(tài)，如圖3中所示，設(shè)置DOCB（車門開斷路開關(guān)）處于非正常工作狀態(tài)（0值）即故障狀態(tài)。教員通過(guò)選擇相應(yīng)的元件庫(kù)，找到需要設(shè)置故障的元件，更改狀態(tài)值，從而依據(jù)程序中設(shè)計(jì)的電路模型去模擬電路的邏輯關(guān)系，顯示出故障現(xiàn)象。除了以上的故障設(shè)置方式，教員還可以通過(guò)查詢功能（點(diǎn)擊“查詢”Button控件或者直接按鍵盤上的Enter鍵）實(shí)現(xiàn)快速查找到希望設(shè)置故障的元器件，從而進(jìn)行故障設(shè)置，如圖4所示。

圖4 快速查找元器件的功能

教員設(shè)置好故障后，學(xué)員系統(tǒng)中學(xué)員通過(guò)點(diǎn)擊Button控件“顯示故障現(xiàn)象”，在空白區(qū)域顯示故障的現(xiàn)象，圖5所示故障現(xiàn)象為：司機(jī)按下DOPB_A開左門或DOPB_B開右門所有門不打開，其余的如110 V列車啟動(dòng)后電壓、升弓是否到位的狀態(tài)，則都顯示為正常工作狀態(tài)。

為了達(dá)到培訓(xùn)目的，學(xué)員需要手動(dòng)選擇故障類型，通過(guò)Button控件查詢故障原因。

在查詢到可能的故障原因后，學(xué)員點(diǎn)擊Button控件“故障處理建議”，在頁(yè)面上會(huì)顯示出對(duì)應(yīng)故障原因的故障處理建議。司機(jī)按照系統(tǒng)給出的提示去檢查該元件是否有故障，如果故障解除，則表明問題解決了。如果故障沒有解除，則按Button控件“原因（Next）”繼續(xù)查找下一條故障原因，以及相應(yīng)的故障處理建議。

圖5 學(xué)員查看故障現(xiàn)象

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件實(shí)現(xiàn)了故障數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、存儲(chǔ)，基于電路模型，使用Qt軟件實(shí)現(xiàn)界面設(shè)計(jì)以及調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，初步培訓(xùn)學(xué)員熟悉故障處理的各項(xiàng)操作。這對(duì)于司機(jī)在駕駛列車過(guò)程中遇到故障事件，提高其應(yīng)急處理能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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責(zé)任編輯 陳 蓉

Troubleshooting Simulation Training System for train of Urban Transit

LIU Mengcheng, KONG Fanhong
( School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China )

The Troubleshooting Simulation Training System for train of Urban Transit was benef i cial to improve the driver’s ability of fault handling for train operation. This paper used the SQLite database management software to set up faults database, reversed the failure phenomenon based on the circuit model, inquired the failure cause on the basis of failure phenomenon, proposed rational suggestion of fault handling. Qt software was used for interfacial design and programming implementation.

troubleshooting simulation; database; circuit model

U231.9∶TP39

A

1005-8451（2015）10-0064-04

2015-01-28

劉夢(mèng)成, 在讀碩士研究生；孔繁虹，副教授。