地鐵列車安防監(jiān)控系統(tǒng)CCTV監(jiān)控屏黑屏故障分析及整改

江 騰 鄭吳富 莫厶礦 陳秀珍 梁家智

(南寧軌道交通集團有限責(zé)任公司運營分公司 廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展完善，人們對城市軌道交通運營安全提出了更高的要求。城市軌道交通安防監(jiān)控系統(tǒng)在運營事件和安全事件調(diào)查過程中，發(fā)揮著日益重要的作用[1]。安防監(jiān)控系統(tǒng)作為軌道交通安全防范的重要組成部分，可實現(xiàn)車內(nèi)監(jiān)控及視頻上傳兩個功能，車內(nèi)監(jiān)控主要是實現(xiàn)司機對客室車廂的實時畫面監(jiān)控，以利于對車廂出現(xiàn)的突發(fā)情況作出響應(yīng)；視頻上傳指利用車地?zé)o線，將視頻上傳至控制中心，使控制中心對運行列車實現(xiàn)實時監(jiān)控，能在第一時間了解現(xiàn)場情況，作出相應(yīng)的指令及措施。某地鐵1號線自2016年開通以來，電客車在正線多次發(fā)生CCTV監(jiān)控黑屏故障，直接造成列車監(jiān)控?zé)o畫面輸出，且導(dǎo)致監(jiān)控視頻無法發(fā)送到OCC控制中心及地鐵公安防控大屏。為提高安防監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，本文將對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及故障進行探究，針對故障原因進行分析并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的解決措施。

1 安防監(jiān)控系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

某地鐵1號線車載安防監(jiān)控系統(tǒng)由以太網(wǎng)交換機、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機、CCTV監(jiān)控屏、攝像機等組成，具體如表1所示。

表1 安防監(jiān)控系統(tǒng)配置表

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

某地鐵1號線車載安防監(jiān)控系統(tǒng)采用全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方案，2個司機室交換機和6個客室交換機的2個端口通過跳接方式組成以太環(huán)網(wǎng)，可避免單個交換機故障后，影響其余客室攝像機錄像的實時監(jiān)控及存儲。整列車攝像機通過以太網(wǎng)連接至司機室、客室交換機端口，視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸，從而實現(xiàn)整車畫面的實時監(jiān)控及錄像文件存儲，安防監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交換機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.3 CCTV監(jiān)控屏組成及工作原理

某地鐵1號線車載安防監(jiān)控系統(tǒng)中的CCTV監(jiān)控屏用于調(diào)取并實時顯示攝像機監(jiān)控畫面；監(jiān)控屏主機可進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)車地?zé)o線AP傳輸至地面OCC控制中心。監(jiān)控屏內(nèi)部主要由主控板、VGA轉(zhuǎn)LVDS板、電源板、電源濾波器和LCD顯示屏組成?；谇度胧紸RM架構(gòu)設(shè)計，操作系統(tǒng)為嵌入式Linux系統(tǒng)，分辨率為1024×768。

2 系統(tǒng)故障分析及處理情況

據(jù)統(tǒng)計，2019年某地鐵1號線CCTV監(jiān)控屏共發(fā)生故障125起，主要為宕機黑屏、通訊失聯(lián)黑屏、重啟黑屏，為徹底解決共性故障，降低CCTV監(jiān)控屏故障，以下分別對以上三類故障進行原因分析并制定整改措施。

2.1 CCTV監(jiān)控屏宕機黑屏

2.1.1故障現(xiàn)象

CCTV監(jiān)控屏宕機黑屏，斷開該設(shè)備供電的微型斷路器后重新合閘，CCTV監(jiān)控屏顯示恢復(fù)正常。檢查插頭、線纜、DC110 V電源等無異常，監(jiān)控屏操作卡頓，更換備件后功能正常。

2.1.2故障原因分析

(1)主控板CPU占用率分析

使用工業(yè)PTU維護電腦連接列車交換機以太網(wǎng)口，登陸CCTV觸摸屏設(shè)備的后臺程序，檢查監(jiān)控屏的內(nèi)部運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控屏在4分屏工作狀態(tài)時，CPU占用率為53.3%；全屏顯示狀態(tài)，CPU占用率為72.5%。

(2)主控板以太網(wǎng)性能分析

通過網(wǎng)絡(luò)診斷工具向CCTV監(jiān)控屏發(fā)送數(shù)據(jù)包，大小為32 767 byte，超時設(shè)定為1 000 ms，每次數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)量為30 000個；測試結(jié)果丟包數(shù)為0，未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，因此排除CCTV監(jiān)控屏通訊問題。

2.1.3結(jié)論

綜上，初步判斷CCTV監(jiān)控屏宕機黑屏故障原因為：在正常使用過程中主控板CPU占用率長時間處于高負(fù)荷狀態(tài)，CPU占用率過高、性能不足是導(dǎo)致CCTV監(jiān)控屏卡頓、宕機黑屏的主要原因。

2.1.4主控板CPU運算能力不足整改措施

主控板是將MINI PC的核心功能打包封裝的一種電子主板，包含有控制單元、邏輯單元、存儲單元等，經(jīng)過對CCTV監(jiān)控屏上核心板3520A的性能調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該核心板僅支持入門級720P數(shù)據(jù)處理及單通道DDR等配置，存在技術(shù)老舊、性能不佳、穩(wěn)定性差等問題，導(dǎo)致在使用過程中CPU占用率長時間處于滿負(fù)載狀態(tài)，最終造成CCTV監(jiān)控屏宕機黑屏，因此需要重新市場調(diào)研分析替換核心板的可行性。

海思Hi3521芯片是一款基于ARM Cortex A9的專業(yè)通信媒體處理器，具有高達(dá)8路D1實時多協(xié)議編解碼能力的引擎和專用TOE網(wǎng)絡(luò)加速模塊，處理頻率達(dá)930 MHz，能夠滿足1080P級別以上視頻處理需求、配置雙DDR架構(gòu)，具備快速數(shù)據(jù)處理帶寬的能力、可提供H.264和MJPEG多協(xié)議編解碼。因此Hi3521具有技術(shù)更新、性能更強、穩(wěn)定性強的特點，故決定替換原3520A核心板并試裝兩列車，跟蹤觀察一個月，整改后CCTV監(jiān)控屏在全屏顯示狀態(tài)時，CPU占用率由原來72.5%下降為0.7%，未發(fā)生宕機黑屏故障，如圖2所示。

圖2 整改實物及使用效果圖

2.2 CCTV監(jiān)控屏攝像機顯示重聯(lián)字樣

2.2.1故障現(xiàn)象

CCTV監(jiān)控屏攝像機位置全部顯示“重聯(lián)”字樣，檢查插頭、線纜緊固無松動，DC110 V電源無異常，重啟后故障仍存在。

2.2.2故障原因分析

CCTV監(jiān)控屏與交換機間通信使用四芯網(wǎng)絡(luò)線，與CCTV監(jiān)控屏連接處采用DB9連接器，拆解DB9連接器插頭，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部母針存在氧化、變形及線纜焊接點斷裂現(xiàn)象，如圖3所示，更換連接器后故障消失。

圖3 故障DB9連接器故障圖

對30列電客車進行批量普查，發(fā)現(xiàn)其余列車CCTV監(jiān)控屏的DB9連接器插頭內(nèi)部母針同樣存在不同程度的變形及氧化現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計故障率占比高達(dá)93%，如表2所示。

表2 DB9插頭故障件故障點統(tǒng)計表

2.2.3結(jié)論

通過拆解故障CCTV監(jiān)控屏DB9連接器以及普查發(fā)現(xiàn)某地鐵1號線DB9插頭內(nèi)部母針普遍存在氧化、變形、脫焊等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致CCTV監(jiān)控屏通信不穩(wěn)定，因此可以判斷該型號DB9插頭存在質(zhì)量問題。

2.2.4DB9插頭選型不佳整改措施

因電客車CCTV監(jiān)控屏DB9數(shù)據(jù)連接器采用9PIN焊線式插頭，導(dǎo)線連接為焊接式，母針材質(zhì)為鋁、U字平面型，固定方式為側(cè)面擠壓，長期運行振動后，存在插頭焊點脫落、U字型母針失效、針頭氧化等隱患。整改換型后的DB9數(shù)據(jù)連接器采用了9PIN免焊式插頭，與舊型號對比，導(dǎo)線連接采用壓接方式，母針材質(zhì)為銅、O字環(huán)型，通過環(huán)形彈簧滾珠擠壓固定，具有耐久度高、接觸可靠、不易變形等特點。

2.3 CCTV監(jiān)控屏反復(fù)黑屏

2.3.1故障現(xiàn)象

CCTV監(jiān)控屏反復(fù)黑屏重啟，重新斷電可恢復(fù)正常，檢查插頭、線纜、DC110 V電源等無異常，更換CCTV監(jiān)控屏后，功能恢復(fù)正常。

2.3.2故障原因分析

CCTV監(jiān)控屏由散熱器、BX3保險絲、電源模塊、電容以及顯示屏等組成，如圖4所示。其中BX3設(shè)計的目的在于檢測機箱內(nèi)部平均溫度是否超過50 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度上升超過50 ℃時，BX3自恢復(fù)保險絲阻值迅速增大，工作電流從正常的0.91 A下降到0.69 A，主板因供電不足無法工作，最終實現(xiàn)高溫電源斷開的保護邏輯；而CCTV監(jiān)控屏的電源模塊的溫度控制則由自身散熱器進行。經(jīng)測量故障復(fù)現(xiàn)時CCTV監(jiān)控屏內(nèi)部工作環(huán)境平均溫度為30 ℃，而電路板上自恢復(fù)保險絲BX3一側(cè)的電源模塊溫度高達(dá)65 ℃，此時BX3自復(fù)位保險絲會進入保護狀態(tài)。

圖4 CCTV監(jiān)控屏組成

2.3.3結(jié)論

綜上，BX3自恢復(fù)保險絲的設(shè)計位置不合理，直接造成對主板溫度的誤判，CCTV監(jiān)控屏誤觸發(fā)重啟保護功能。

2.3.4BX3誤觸發(fā)整改措施

對CCTV監(jiān)控屏的供電電路進行分析，發(fā)現(xiàn)接口板背面安裝有BX2保護器，如圖5所示，由原理圖可知BX2與BX3自復(fù)位保險絲功能一致，可實時監(jiān)控CCTV觸摸屏內(nèi)部環(huán)境的工作溫度，溫度過高時能限制電流以斷開電源，防止過熱損傷元件。

圖5 CCTV監(jiān)控屏供電原理圖

結(jié)合CCTV監(jiān)控屏的供電電路圖，將BX3作屏蔽處理，在不影響其他元件功能的前提下解決BX3自恢復(fù)保險絲誤觸發(fā)問題。最終決定通過使用2.5 mm2線徑銅質(zhì)線纜作為PCB跳線材料短接BX3保險，杜絕該設(shè)計缺陷問題。

3 整改后的效果對比及可靠度驗證

截至2020年7月，某1號線安防監(jiān)控系統(tǒng)CCTV監(jiān)控屏全部完成整改，對整改后安防監(jiān)控系統(tǒng)正線故障率進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2020年8月份故障下降為1.79次/10萬km，10月份鞏固期下降為1.0次/10萬km，遠(yuǎn)低于2019年平均故障率4.05次/10萬km，結(jié)果表明，以上整改措施行之有效，如圖6所示。

圖6 安防監(jiān)控系統(tǒng)故障率

根據(jù)1號線地鐵長時間實際運營數(shù)據(jù)計算得出，系統(tǒng)無故障時間(MTBF)可達(dá)到5 050 h。符合電子設(shè)備故障率維護木桶原理[2]且滿足EN50126MTBF基于鐵路應(yīng)用的可靠性、可用性、可維護性和安全性(RAMS)規(guī)范與證明的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

上文首先介紹了1號線電客車安防監(jiān)控系統(tǒng)的工作控制原理，結(jié)合CCTV監(jiān)控屏故障現(xiàn)象對故障件進行分析后得出CCTV監(jiān)控屏存在核心板運算能力不足、DB9插頭選型不佳、BX3保護器設(shè)計缺陷等問題，針對以上問題進行深入研究后分別制定了硬件升級替換、DB9插頭換型、短接BX3保護電路等整改措施使某地鐵1號線安防監(jiān)控系統(tǒng)CCTV監(jiān)控屏故障得到有效解決，為后續(xù)電客車的維護運營及新線列車設(shè)備選型提供了強有力的技術(shù)支持。