靈活編組動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張廣吉

（中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266031）

目前，我國鐵路投入運(yùn)營的動(dòng)車組基本采用8輛或16輛的固定編組模式，旅客運(yùn)輸在春運(yùn)、節(jié)假日、寒暑假等期間會(huì)出現(xiàn)短期客流高峰，而在淡季時(shí)出現(xiàn)客流大幅減少等現(xiàn)象，造成客流量的不平衡，采用固定編組模式，在動(dòng)車組上座率較低的時(shí)候，造成資源的浪費(fèi)[1]。因此設(shè)計(jì)維修簡便、靈活編組、動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)力與客流需求相匹配、具備良好經(jīng)營效益的動(dòng)車組成為迫切需要，靈活編組的動(dòng)車組對(duì)客流變化較大線路具有重要意義，既可以很好地滿足旅客出行需求，又可節(jié)省運(yùn)營成本[2]。

本文依托可變靈活編組CRH3X[3]動(dòng)車組及CRH3X動(dòng)車組的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。顯示屏是在動(dòng)車組上完成人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)信息顯示及反饋的重要設(shè)備，它為司機(jī)正確操作和控制動(dòng)車組、及時(shí)掌握動(dòng)車組工作狀況起到了至關(guān)重要的作用[4]。

1 總體方案

本文設(shè)計(jì)是基于Linux嵌入式操作系統(tǒng)，用Qt Creator開發(fā)工具開發(fā)，對(duì)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究[5]。實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示，顯示系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中央控制單元的通信，并根據(jù)中央控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車輛的狀態(tài)，另外可以通過顯示系統(tǒng)發(fā)出控制指令，比如控制空調(diào)溫度等。顯示系統(tǒng)由電源模塊、中央處理器（CPU ，Central Processing Unit）、通信板卡及人機(jī)接口（HMI，Human Machine Interface）顯示屏組成[6]，電源模塊實(shí)現(xiàn)DC110 V轉(zhuǎn)DC5 V，為CPU、通信板卡、HMI顯示屏供電；通信板卡通過多功能車輛總線（MVB，Multifunctional Vehicle Bus）實(shí)現(xiàn)與中央控制單元的通信；底層通信程序和應(yīng)用程序運(yùn)行在CPU上，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，通過串行通信端口（COM，Cluster Communication Port ）用戶界面（UI，User Interface）；HMI顯示屏負(fù)責(zé) UI界面顯示。UI結(jié)構(gòu)樹，如圖2所示[7]。

圖1 實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 UI界面結(jié)構(gòu)樹

本文設(shè)計(jì)的靈活編組動(dòng)車組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，解決了顯示屏軟件不能實(shí)時(shí)顯示多種編組形式的難題，避免編組形式變化后需要人工進(jìn)行配置的問題。在顯示屏軟件開發(fā)過程中，因其編組數(shù)量的靈活性及不確定性，較于固定編組的動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顯示屏增加了開發(fā)難度，因此，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)大小端及拖車模式、界面重繪機(jī)制、動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)變量、故障變量與網(wǎng)關(guān)賬號(hào)綁定等創(chuàng)新措施，解決了獲知實(shí)時(shí)編組數(shù)量、實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車輛狀態(tài)、判斷發(fā)生故障部件的物理位置等難題，最終完成了可靈活編組的動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顯示屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的開發(fā)[8]。

2 靈活編組模式

2.1 動(dòng)車組顯示屏位置

每個(gè)司機(jī)室內(nèi)設(shè)有相互冗余的兩臺(tái)顯示屏，其中，駕駛位置的左側(cè)為主屏，右側(cè)為從屏，正常情況下主屏和從屏都可以顯示所有信息，但只有主屏可以發(fā)出操作命令，如果主屏發(fā)生故障時(shí)，從屏需要代替主屏，既可以顯示所有信息，還能發(fā)出操作命令。另外在餐車還設(shè)有一個(gè)乘務(wù)員顯示屏，該顯示屏只有司機(jī)室顯示屏的部分功能，本文不再介紹。

2.2 動(dòng)車組編組模式

本文開發(fā)的實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)滿足最大車輛編組為10編組，最小車輛編組為1編組，即帶司機(jī)室的動(dòng)車可以單獨(dú)運(yùn)行，其動(dòng)車分布在動(dòng)車組的兩端，定義物理車號(hào)較小的動(dòng)車為小端，物理車號(hào)較大的動(dòng)車為大端，拖車分布在小端動(dòng)車與大端動(dòng)車之間。大小端動(dòng)車編組最多分別為3編組，拖車最大編組為4編組，圖3為3-4-3編組形式，拖1車具有餐車功能。

圖3 3-4-3編組形式

2.3 動(dòng)車組靈活編組模式

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的可靈活編組，在10編組時(shí)共需要6個(gè)網(wǎng)關(guān)（不考慮冗余情況），大端動(dòng)1、小端動(dòng)1各有一個(gè)網(wǎng)關(guān)，每輛拖車各有一個(gè)網(wǎng)關(guān)，所以在靈活編組時(shí)，動(dòng)車組上的網(wǎng)關(guān)數(shù)量為小端、大端及拖車數(shù)量的總和，這樣動(dòng)2車、動(dòng)3車及拖車的數(shù)量可以在不超過規(guī)定編組數(shù)量時(shí)自由組合，而不影響整車的通信，從而可實(shí)現(xiàn)靈活編組動(dòng)車組的目的。當(dāng)小端動(dòng)1車司機(jī)室鑰匙激活時(shí)，即小端動(dòng)1車占用時(shí)，小端動(dòng)1車、拖1、拖2、拖3、拖4和大端動(dòng)1車的網(wǎng)關(guān)依次為網(wǎng)關(guān)1—6；當(dāng)大端動(dòng)1車占用時(shí)，大端動(dòng)1車、拖4、拖3、拖2、拖1和小端動(dòng)1車的網(wǎng)關(guān)依次為網(wǎng)關(guān)1—6，即占用端網(wǎng)關(guān)賬號(hào)為1。

3 靈活編組與固定編組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的區(qū)別

3.1 動(dòng)車組編組數(shù)量的多變性

（1）固定編組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)因其編組數(shù)量的固定性，在顯示屏啟動(dòng)時(shí)就完成了整個(gè)界面的初始化，只有涉及到連掛時(shí)才會(huì)出現(xiàn)編組數(shù)量的變化，顯然固定編組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的編組數(shù)量只有2種情況，連掛和非連掛，所以在實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中可以把2種界面都畫進(jìn)去，只根據(jù)連掛和非連掛切換不同的模式。

（2）靈活編組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的編組情況不僅僅是簡單的幾種，不能使用枚舉法把每種可能的編組方式都畫出來，只能根據(jù)車輛編組方式的變化實(shí)時(shí)重繪顯示屏界面的圖標(biāo)，并且需要在不進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)復(fù)位的情況下實(shí)現(xiàn)，這無疑增加了實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的開發(fā)難度。

3.2 關(guān)聯(lián)變量

（1）由于固定編組動(dòng)車組（以8編組為例）單列時(shí)只有2個(gè)網(wǎng)關(guān)（不考慮冗余），把列車分為2個(gè)半列，每半列4節(jié)車，分別為1、2、3、4車，固定編組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的每個(gè)變量都帶有網(wǎng)關(guān)號(hào)信息，可以根據(jù)網(wǎng)關(guān)號(hào)的不同區(qū)分位于哪一個(gè)半列，再根據(jù)1、2、3、4車信息就可以判斷其對(duì)應(yīng)的實(shí)際的物理車號(hào)，進(jìn)而正確地與顯示屏界面的控件相關(guān)聯(lián)。

（2）靈活編組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)由于網(wǎng)關(guān)及動(dòng)車數(shù)量的不確定性，無法在程序中預(yù)先把每個(gè)控件與變量相關(guān)聯(lián)，只能根據(jù)實(shí)際編組中網(wǎng)關(guān)及動(dòng)車數(shù)量確定后，再動(dòng)態(tài)地關(guān)聯(lián)變量，這也增加了實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的開發(fā)難度。

3.3 故障顯示的車輛號(hào)信息

（1）固定編組動(dòng)車組的故障信息中給出的車輛號(hào)是邏輯的車號(hào)，只需要根據(jù)當(dāng)前占用情況，就可以得到實(shí)際的物理車號(hào)，以8編組為例，當(dāng)物理1車占用時(shí)，邏輯1—8車即為物理1—8車，當(dāng)物理8車占用時(shí)，邏輯1—8車即為物理8—1車。

（2）靈活編組動(dòng)車組的編組數(shù)量是變化的，根據(jù)不同的編組組合選擇不同的故障庫也是不現(xiàn)實(shí)的，因此靈活編組動(dòng)車組的故障信息給不出對(duì)應(yīng)的邏輯車號(hào)，從而無法直接得到真實(shí)的物理車號(hào)，所以只能根據(jù)實(shí)際的情況再進(jìn)一步計(jì)算得到故障的實(shí)際物理車號(hào)。

4 解決方法

實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)得到車輛編組大小端動(dòng)車數(shù)量和拖車數(shù)量，可以根據(jù)得到的當(dāng)前編組情況實(shí)時(shí)地重繪顯示屏界面，具體的解決方法如下。

4.1 實(shí)現(xiàn)圖標(biāo)重繪

需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛編組大小端動(dòng)車數(shù)量、拖車數(shù)量的變化，一旦發(fā)現(xiàn)編組信息發(fā)生變化和編組數(shù)量相關(guān)的顯示屏界面就執(zhí)行初始化程序，對(duì)其進(jìn)行重繪，使顯示屏界面與實(shí)際的編組情況相符合。在界面開發(fā)中，定義各種類型的圖標(biāo)，例如車輛圖標(biāo)，觀察發(fā)現(xiàn)，其涉及4種不同類型的車輛：占用端頭車，非占用端頭車，非頭車動(dòng)車及拖車，4種類型車輛圖標(biāo)，如圖4所示。

圖4 占用端頭車、非占用端頭車、非頭車動(dòng)車及拖車圖標(biāo)

當(dāng)顯示屏得到動(dòng)車組大小端及拖車編組數(shù)量時(shí)，初始化顯示屏界面，確定所需要的圖標(biāo)；再根據(jù)大小端占用情況確定各個(gè)圖標(biāo)的位置，標(biāo)注當(dāng)前車輛代表的物理車號(hào)。當(dāng)車輛編組大小端編組都為3，拖車編組為4，小端占用時(shí)的車輛排列，如圖3所示；當(dāng)小端編組為2，大端編組數(shù)為3，拖車編組為3，小端占用時(shí)的車輛排列，如圖5所示。其他圖標(biāo)可以通過同樣的方法進(jìn)行重繪。

圖5 2-3-3編組形式

4.2 實(shí)現(xiàn)變量關(guān)聯(lián)

在關(guān)聯(lián)變量時(shí)，因?yàn)閯?dòng)車組編組數(shù)量及網(wǎng)關(guān)數(shù)量的不確定性，無法確定非占用端動(dòng)車的網(wǎng)關(guān)號(hào)，無法直接關(guān)聯(lián)變量。首先應(yīng)該確保動(dòng)車組無論采取何種編組時(shí)，都可以收到每輛車的變量信息，研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車組網(wǎng)關(guān)帳號(hào)最大為6，一個(gè)網(wǎng)關(guān)下最多有3輛車，所以可以在顯示屏程序中定義一個(gè)6行3列二維數(shù)組ac[6][3]，如公式1所示，行表示網(wǎng)關(guān)帳號(hào)，表示最多6個(gè)網(wǎng)關(guān)，列表示此網(wǎng)關(guān)下車輛號(hào)，表示一個(gè)網(wǎng)關(guān)下最多有3輛車，這樣不論編組形式如何變化，均可以在定義的二維數(shù)組中找到對(duì)應(yīng)的變量。以表1所示的空調(diào)狀態(tài)變量為例，當(dāng)編組形式為3-4-3且物理1車占用時(shí)，acD1G1、acD2G1、acD3G1、acD1G2、 acD1G3、 acD1G4、 acD1G5、 acD1G6、acD2G6、acD3G6分別表示小端動(dòng)1車、小端動(dòng)2車、小端動(dòng)3車、拖1車、拖2車、拖3車、拖4車、大端動(dòng)1車、大端動(dòng)2車、大端動(dòng)3車空調(diào)狀態(tài)變量，如表1所示，即物理1車、2車、3車、4車、5車、6車、7車、10車、9車、8車的空調(diào)狀態(tài)變量。

表1 空調(diào)狀態(tài)變量

4.3 實(shí)現(xiàn)故障車號(hào)計(jì)算

對(duì)于靈活編組動(dòng)車組的故障信息，直接可以得到的只有故障變量名，之后通過遍歷故障庫得到其他的故障信息，比如故障名稱、故障等級(jí)、故障描述和操作指南等。但對(duì)于故障車輛的物理車號(hào)，因?yàn)殪`活編組動(dòng)車組編組數(shù)量及網(wǎng)關(guān)數(shù)量的不確定性，對(duì)于同一個(gè)故障變量，無法得到固定的物理車號(hào)?；谝陨显颍诠收蠋熘屑尤肓嗽摴收献兞克鶎?duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)帳號(hào)及該網(wǎng)關(guān)下第幾輛車的信息，這樣就可以在得知其編組模式和占用情況后，推算出其對(duì)應(yīng)的物理車號(hào)，比如在2-3-3編組模式，小端占用時(shí)，得知網(wǎng)關(guān)5，動(dòng)車2發(fā)生某一故障，可以計(jì)算得出該故障發(fā)生在物理的7車。

5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障工況下的顯示設(shè)計(jì)方法

在動(dòng)車組編組或運(yùn)營期間不可避免地會(huì)發(fā)生故障，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)如何快速有效地解決故障，將影響降低到最低，是動(dòng)車組設(shè)計(jì)的重要因素，因此本文設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障工況下的顯示方法，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)處理機(jī)制流程

6 結(jié)束語

本文討論了研制可靈活編組動(dòng)車組的必要性及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顯示屏的重要性，分析了開發(fā)靈活編組相對(duì)于固定編組實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)存在的不同和難點(diǎn)，針對(duì)這些問題提出了合理的解決方案，最后分析了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障工況下的顯示方法，在此基礎(chǔ)上順利完成了靈活編組動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的開發(fā)。