一種基于司機顯示屏故障診斷中數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

任富爭，李如石，高興華，張紅星

（中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035）

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，分布于整個列車的各個智能單元連接成一個列車網(wǎng)絡(luò)，各個不同的分布式單元將使用TCN 或ECN 總線連接起來，且符合IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障診斷功能是實時診斷列車運行時發(fā)生的故障并以恰當(dāng)?shù)姆绞斤@示出來，為司乘或檢修人員提供故障信息及處理意見［1］。完成故障診斷功能的主要設(shè)備有列車網(wǎng)絡(luò)主控設(shè)備（CCU）和司機顯示屏（HMI）。主控設(shè)備主要負(fù)責(zé)故障信息的分析診斷，司機顯示屏主要功能就是將診斷結(jié)果顯示給司機和維護人員，同時提供相應(yīng)的操作指導(dǎo)說明。傳統(tǒng)顯示屏列車故障診斷功能的實現(xiàn)是通過幾個文本文件，分別配置故障代碼、等級、發(fā)生故障的車號信息、故障發(fā)生原因以及故障處理措施，這幾個文本文件之間要行號名稱相互匹配才能引用，對列車故障診斷代碼的配置往往需要耗費很長時間才能配置正確，即使如此，在后續(xù)對故障的修改更新后還需要重新配置。因此，文中重點闡述了基于顯示屏使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對列車故障診斷信息實時顯示功能的實現(xiàn)。

1 故障診斷顯示需求

主要通過列車顯示屏提供圖形和文字信息，實時顯示列車運行狀態(tài)和故障信息，故障部分包括故障信息的發(fā)生和消失以及發(fā)生故障時列車環(huán)境參數(shù)信息，從列車司乘人員行車便捷操作和易于維修人員排查故障的角度，顯示屏對列車故障顯示和處理的需求簡述如下：

（1）故障等級通常分輕微故障、中等故障、嚴(yán)重故障。

（2）故障是否消失分為當(dāng)前故障和歷史故障顯示。

（3）每條故障以純文本顯示，且有故障代碼、故障等級、故障發(fā)生的時間等信息，并能查看相應(yīng)的故障處理措施建議等信息。

（4）在查看時可以根據(jù)故障等級對故障進行篩選顯示。

（5）對列車行駛安全有影響的嚴(yán)重故障和事件信息，實時彈出故障信息內(nèi)容供列車司乘人員查看確認(rèn)。

（6）輕微故障及其相關(guān)信息僅對維修人員可見。

（7）顯示屏主界面上可以提示司乘人員列車存在的故障及故障等級。

2 數(shù)據(jù)庫列表

在實際的項目中，故障診斷顯示的數(shù)據(jù)信息可以通過數(shù)據(jù)庫列表來存放，結(jié)合故障診斷顯示需求內(nèi)容和故障診斷程序可分別設(shè)計出故障字典列表、當(dāng)前故障列表和歷史故障列表。在數(shù)據(jù)庫的選擇上使用SQLite 數(shù)據(jù)庫，選用SQLite 主要是基于其自身優(yōu)勢，首先它是完全免費的，數(shù)據(jù)庫體積小易維護、存儲量比較高、健壯性好和運行速度快，且可以在所有主流的操作系統(tǒng)上運行等優(yōu)點［2］。

2.1 故障字典列表

編制一個故障字典列表（FaultDic）表格，根據(jù)列車故障的參數(shù)及屬性，在SQLite 故障字典表格中對每條故障的信息設(shè)計包含以下字段，見表1。

表1 故障字典列表

故障字典用來描述每條故障信息屬性，使用數(shù)據(jù)庫表格編制故障字典的明顯優(yōu)勢體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)的變更方面。隨項目的進程，后續(xù)因各方原因需要多次對故障信息的內(nèi)容進行增減或更改，這是不可避免，如調(diào)試試驗后需要對某些故障信息的內(nèi)容進行增加、刪除，或修改故障等級、處理意見等。

數(shù)據(jù)庫列表的設(shè)計可減少應(yīng)用軟件開發(fā)者的工作量，只需要將整理好的列車故障診斷代碼表另存為CSV 格式文件，直接導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫列表即可，節(jié)省了傳統(tǒng)文本方法中的反復(fù)核對文本文件行號等信息過程，且能保證其正確性；后期的維護極其方便，只需要在更新列車故障診斷代碼表后將CSV 格式文件導(dǎo)入，不需更改應(yīng)用軟件程序的任何代碼，維護更新時間快且準(zhǔn)確；因數(shù)據(jù)字典的端口號、字節(jié)偏移和位偏移存在，使故障數(shù)據(jù)解析不會有錯位現(xiàn)象而導(dǎo)致空白記錄行的問題。

2.2 故障字典數(shù)組

二維故障字典數(shù)組是故障診斷程序初始化時將數(shù)據(jù)庫字典列表的數(shù)據(jù)完整地拷來1 份用于實時訪問，根據(jù)顯示屏上對故障顯示和程序邏輯處理的需要，對二維故障字典數(shù)組設(shè)計成員變量，見表2。

表2 二維故障字典數(shù)組

在列車故障診斷中需要實時輪詢列車網(wǎng)絡(luò)總線上的故障信息數(shù)據(jù)，為減少應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫文件訪問的頻率，避免造成數(shù)據(jù)庫文件不必要的損壞，二維故障字典數(shù)組（FaultDic）來替代數(shù)據(jù)庫列表提供網(wǎng)絡(luò)總線上端口輪詢參數(shù)和故障相關(guān)信息，既可以加快程序輪詢運行時間，又能降低因不間斷訪問數(shù)據(jù)庫文件引起的CPU 負(fù)荷，也能保證程序可靠性。二維故障字典數(shù)組的內(nèi)容在設(shè)備每次上電的程序初始化時都會跟最新的故障字典數(shù)據(jù)保持一致，相比于故障字典多了一故障標(biāo)識的成員變量，用于判斷故障是當(dāng)前故障還是歷史故障。

2.3 故障信息列表

由于界面要分別顯示當(dāng)前故障和歷史故障信息，為數(shù)據(jù)處理方便需要設(shè)計2 個SQLite 數(shù)據(jù)庫列表：當(dāng)前故障列表（Cur_Fault）和歷史故障列表（His_Fault）。當(dāng)前故障列表設(shè)計的各字段見表3，歷史故障列表設(shè)計的各字段見表4。

表3 當(dāng)前故障列表

表4 歷史故障列表

當(dāng)前故障列表存放當(dāng)前故障相關(guān)的關(guān)鍵信息，歷史故障列表存放歷史故障相關(guān)的關(guān)鍵信息，列表中的索引號，是用于在數(shù)據(jù)庫字典數(shù)組中檢索故障詳情的行號，對數(shù)據(jù)列表的查詢均可以使用成熟快捷的SQL 語句實現(xiàn)。

3 故障顯示功能的實現(xiàn)

3.1 故障診斷的初始化

列車各顯示屏在上電之后，首先執(zhí)行初始化程序，如圖1 所示。首先判斷故障列表的故障數(shù)量，如果故障數(shù)量為0（上次斷電時數(shù)據(jù)庫列表損壞），則需用備份文件替換，替換后數(shù)據(jù)庫當(dāng)前故障列表數(shù)據(jù)會在設(shè)備上電后重新判斷當(dāng)前故障，統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫歷史故障列表數(shù)據(jù)并按故障發(fā)生時間排序，然后把故障字典數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)逐條放入二維故障數(shù)據(jù)字典數(shù)組中。

圖1 診斷初始化

3.2 故障的發(fā)生和消失

在列車上電2 min（列車各個子系統(tǒng)上電需要進行自診斷過程）之后，開始執(zhí)行故障診斷程序，診斷程序以一定周期（200 ms）循環(huán)執(zhí)行故障判斷程序，循環(huán)時根據(jù)VCU 生命信號標(biāo)識正常，并記錄本次循環(huán)的時間。每次執(zhí)行的故障判斷程序均按照故障字典數(shù)組的端口配置信息在列車總線上輪詢所有的故障數(shù)據(jù)位，根據(jù)故障數(shù)組中每條故障成員的cur_flag 的值和故障端口輪詢的值，來判斷相應(yīng)該條故障是新發(fā)生還是新消失（判斷流程如圖2 所示），以便將故障信息更新到當(dāng)前故障列表或歷史故障列表中。

圖2 故障判斷邏輯

3.3 故障信息顯示

故障信息的顯示按照顯示方式分為：在故障界面顯示、彈出界面顯示故障和故障詳情（包括處理措施）的顯示。在故障界面顯示時根據(jù)界面輸入的故障等級和頁碼號，使用SQL 語句在當(dāng)前故障或歷史故障數(shù)據(jù)列表和故障字典中查找相關(guān)故障信息顯示即可；在故障診斷程序中實時地輪詢當(dāng)前故障列表，如查找到發(fā)生對列車行駛安全有影響的嚴(yán)重故障和事件信息，根據(jù)當(dāng)前故障列表中的索引號查找故障字典中相關(guān)故障信息，在彈出界面顯示；故障詳情信息一般是在故障界面中選擇所要查看的故障條目，點擊后，界面會自動彈出，程序會根據(jù)故障代碼在故障字典中查找相關(guān)故障信息用于顯示。

3.4 故障列表文件的保護

當(dāng)程序診斷到有故障發(fā)生或消失時，需要對數(shù)據(jù)庫列表文件進行讀寫操作，此時如遇列車斷電，數(shù)據(jù)庫列表文件就會被損壞，造成不可修復(fù)的錯誤。因此，對數(shù)據(jù)庫文件進行備份是必要的。在程序中單獨開一個線程，其功能是每隔5 min 對數(shù)據(jù)庫文件進行1 次備份，這樣確保數(shù)據(jù)庫列表文件損壞時有備份文件可用，使故障顯示內(nèi)容不致空白。

4 應(yīng)用實例

使用tNetrol 系列10 寸新一代智能顯示屏開發(fā)HMI 應(yīng)用軟件，其硬件環(huán)境包含MVB 和ETH 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計，嵌人式Linux 操作系統(tǒng)，通過Qt Creator開發(fā)軟件使用C/C++編寫故障診斷程序代碼并編譯為可執(zhí)行程序。此屏在某高速動車組項目中，整個網(wǎng)絡(luò)使用以太網(wǎng)TRDP 數(shù)據(jù)通訊，HMI 程序的故障診斷部分使用上述SQLite 數(shù)據(jù)庫技術(shù)在列車司機顯示屏故障診斷，開發(fā)出的故障相關(guān)界面如圖3、圖4 所示。

圖3 高速車故障彈出界面

圖4 高速車故障信息界面

同樣使用tNetrol 系列12 寸新一代智能顯示屏在某地鐵的城軌列車項目中，整個網(wǎng)絡(luò)使用多功能車輛總線MVB 數(shù)據(jù)通訊，HMI 程序的故障診斷部分亦使用上述SQLite 數(shù)據(jù)庫技術(shù)在列車司機顯示屏故障診斷，開發(fā)出的故障相關(guān)界面如圖5、圖6所示。

圖5 城軌車故障信息界面

圖6 城軌車故障彈出界面

經(jīng)現(xiàn)車做列車調(diào)試試驗和動態(tài)運行試驗驗證，程序運行良好，對故障信息的修改維護方便快捷，完全能滿足列車運行和維修需求。

5 結(jié) 語

文中首先描述了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與顯示屏的通信原理，以及列車司乘人員和庫內(nèi)檢修人員對列車顯示屏的故障顯示需求項點，在顯示屏設(shè)計和實現(xiàn)列車故障診斷系統(tǒng)顯示故障功能的過程中，對每個步驟做詳細(xì)介紹，結(jié)果表明該方法對列車故障診斷結(jié)果的顯示具有高效性、健壯性，并保證了顯示屏故障信息顯示的準(zhǔn)確性。在今后的實踐過程中，將側(cè)重于對列車顯示屏故障診斷應(yīng)用程序處理方法的繼續(xù)優(yōu)化和擴展數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用，以幫助司機或維護人員能更準(zhǔn)更快地查找并解決故障。