雙網(wǎng)融合下動車顯示屏軟件設計與研究

王海臻

(中車青島四方車輛研究所有限公司 山東 青島 266031)

中國標準動車組“復興號”的投入運營，是中國高鐵自主創(chuàng)新的標志性成果，對保持中國高速鐵路列控技術的國際先進性具有重要意義。顯示屏(人機接口單元)是動車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的主要設備，能夠?qū)榆嚱M的相關設備狀態(tài)、故障信息和安全行車信息等以圖像、文字和音頻的形式反映給列車司機，有效地指導司機進行相關操作，為動車組的安全運行提供重要的保證。

TCN(列車通信網(wǎng)絡)技術已經(jīng)廣泛應用于國產(chǎn)內(nèi)燃機車、動車組以及城軌等領域，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性[1-2]。以太網(wǎng)實時控車技術是利用以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議的確定性通信調(diào)度策略，目前已在部分城軌以及動車項目上得到應用?，F(xiàn)提出一種基于TCN與實時以太網(wǎng)相結(jié)合的顯示屏軟件設計，此設計是基于Linux嵌入式操作系統(tǒng)，用Qt Creator開發(fā)，利用C/C++編程設計完成[3]。

1 雙網(wǎng)控車顯示屏軟件設計流程

1.1 顯示屏界面設計

為了便于闡述界面功能，將顯示界面分為A、B、C、D四個區(qū)。公共信息顯示A區(qū)主要顯示日期時間、列車速度等信息；主顯示B區(qū)根據(jù)不同界面之間的切換顯示對應的界面內(nèi)容；顯示設備狀態(tài)C區(qū)顯示列車的實時運行狀態(tài)；按鍵信息提示D區(qū)分布10個按鍵，對應顯示屏面板上的0～9數(shù)字硬鍵。

顯示界面主要包括列車運行的主要技術參數(shù)、主要狀態(tài)信息、故障提示、控制信息以及維護信息。按照功能需求顯示屏界面顯示分為運行模式和維護模式。運行模式主要包括列車牽引狀態(tài)、制動狀態(tài)、設備狀態(tài)、設備控制、當前故障、低恒速控制、運行界面、顯示子系統(tǒng)其他信息的二級子界面及列車關鍵設備的狀態(tài)；維護模式下可進行列車輪徑值、時間等車輛參數(shù)設置，網(wǎng)絡及子系統(tǒng)版本信息顯示，整備試驗等，進入維護模式需要權限和密碼。用戶可以通過按鍵切換顯示界面。圖1為動車牽引主界面，主要包括網(wǎng)壓、網(wǎng)流以及牽引力等列車運行信息。

圖1 顯示屏牽引主界面

1.2 顯示屏應用程序設計

顯示屏應用程序根據(jù)動車組人機接口需求的實際運用和功能要求對各功能模塊進行設計，主要包括通信數(shù)據(jù)收發(fā)、故障診斷顯示、遠程維護以及界面顯示等功能模塊。顯示屏應用程序基本架構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 顯示屏應用程序結(jié)構(gòu)圖

顯示屏應用程序基本架構(gòu)主要分為以下幾個線程：

(1)程序初始化，包括 MVB 通信初始化和TRDP通信初始化。MVB通信初始化用于設置 MVB 設備地址、端口大小、端口刷新周期等信息；TRDP通信初始化設置用于TRDP板卡IP信息、ComID大小、ComID刷新周期等信息。

(2)通信數(shù)據(jù)收發(fā)。應用程序通過MVB板卡以及TRDP板卡，獲取列車狀態(tài)數(shù)據(jù)和列車診斷數(shù)據(jù)，并向列車實時發(fā)送控制數(shù)據(jù)。

(3)界面刷新。為了避免界面控件過多導致CPU占有率過高，應用程序只對當前界面進行刷新。應用程序可以通過按鈕切換，更新當前界面信息。

(4)故障診斷。故障信息通過讀取故障文件，按規(guī)則存放到故障文件結(jié)構(gòu)體中，并將故障結(jié)構(gòu)體按照鏈表格式存儲，對鏈表節(jié)點的添加查找和刪除來實現(xiàn)故障的添加、查找和刪除功能。

(5)遠程維護。通過專用服務軟件可以實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)下載、更新應用程序及下載系統(tǒng)日志的功能。

1.3 TCN控車設計實現(xiàn)

TCN控車包含兩級總線層次架構(gòu)，分別為可用于連接各節(jié)可動態(tài)編組車輛之間的絞線式列車總線(WTB)，以及用于連接一節(jié)車輛或一組車輛單元內(nèi)部各種設備的多功能車輛總線(MVB)[4-6]。顯示屏內(nèi)部通過PC104接口同MVB板卡連接，通過背板總線提供MVB鏈路層接口，具有MVB總線管理器功能，支持4096個過程數(shù)據(jù)端口。

顯示屏通過MVB總線獲取的通信數(shù)據(jù)存儲在程序中的TCN協(xié)議棧模塊，通過不斷刷新MVB總線數(shù)據(jù)實時更新TCN協(xié)議棧模塊，并同時將列車運行數(shù)據(jù)實時顯示在顯示屏上。圖3為TCN數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

圖3 TCN數(shù)據(jù)傳輸流程圖

1.4 以太網(wǎng)控車設計實現(xiàn)

以太網(wǎng)控車主要由列車級總線ETB以及車輛總線ECN組成。ETB總線物理上采用雙路冗余的以太網(wǎng)超5類雙絞線，ETB總線的傳輸速率為100 Mbit/s，實現(xiàn)列車級以太網(wǎng)互聯(lián)互通、信息處理。ECN總線實現(xiàn)子系統(tǒng)與車輛以太網(wǎng)的連接，具備以太網(wǎng)中繼器、補償列車級網(wǎng)絡線路衰減的功能。

相對于TCN控車無法滿足大數(shù)據(jù)量通信的缺點，以太網(wǎng)總線具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、應用廣泛、組網(wǎng)靈活、集成度高等優(yōu)點[7-9]。以太網(wǎng)控車方式利用TRDP(Train Real-time Data Protocol)協(xié)議，與ETBN數(shù)據(jù)進行交互，獲取的通信數(shù)據(jù)存儲在程序定義的以太網(wǎng)的協(xié)議棧模塊中，并同時將列車運行數(shù)據(jù)實時顯示在顯示屏界面上。圖4為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

圖4 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

1.5 TCN與以太網(wǎng)冗余控車設計流程

TCN控車技術與以太網(wǎng)實時控車技術的結(jié)合，可以實現(xiàn)列車控車方式的冗余切換。目前冗余切換方式主要有冷啟動模式和熱啟動模式。

冷啟動冗余控車模式是通過配置文件的方式確定列車的控車方式，進而確定通信數(shù)據(jù)獲取的途徑為TCN數(shù)據(jù)協(xié)議棧或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)議棧。該方法CPU只存儲一種數(shù)據(jù)協(xié)議棧，占用資源較少，可靠性比較高，但需要斷電重啟通信設備，冗余切換占用的時間較長。圖5為冷啟動冗余控車模式流程圖。

圖5 冷啟動冗余控車流程圖

熱啟動模式是列車的控車方式以通信協(xié)議方式寫入公共MVB端口或公共ComID端口中。無論TCN控車或以太網(wǎng)控車，通過實時讀取公共端口的對應控車模式值，當該數(shù)值發(fā)生變化時，顯示屏則按照控車模式值進行對應的切換。軟啟動冗余控車模式可以實現(xiàn)兩種控車方式的實時切換，不需要重新啟動設備，切換時間短，但CPU存儲兩種數(shù)據(jù)協(xié)議棧，占用資源較多。熱啟動冗余控車流程圖如圖6所示。

圖6 熱啟動冗余控車流程圖

2 顯示屏TCN控車與以太網(wǎng)控車結(jié)合功能驗證

2.1 TCN控車模式功能驗證

通過強制中央控制單元公共端口數(shù)據(jù)的控車方式變量為TCN控車模式，顯示屏則切換為TCN模式，在TCN控車模式下，列車各個子系統(tǒng)工作正常，整個列車通信正常。圖7為TCN模式下動車網(wǎng)絡通信圖。

圖7 TCN控車網(wǎng)絡通信圖

2.2 以太網(wǎng)控車模式功能驗證

通過強制中央控制單元公共端口數(shù)據(jù)的控車方式變量為以太網(wǎng)控車模式，顯示屏則切換為以太網(wǎng)模式，在以太網(wǎng)控車模式下，列車各個子系統(tǒng)工作正常，整個列車通信正常。圖8為以太網(wǎng)控車模式下動車網(wǎng)絡通信圖。

圖8 以太網(wǎng)控車網(wǎng)絡通信圖

3 結(jié)論

“復興號”中國標準動車組作為擁有自主化知識產(chǎn)權的動車組，其核心技術列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)已被我國完全掌握，司機顯示屏在列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中扮演了重要的角色。顯示屏通過實現(xiàn)TCN控車與以太網(wǎng)控車相結(jié)合，實現(xiàn)列車控車方式的冗余，極大地提高了列車運行的可靠性以及實時性。

目前時速250 km中國標準動車組TCN與以太網(wǎng)結(jié)合的控車方式已經(jīng)實現(xiàn)，并已驗證，但以太網(wǎng)控車對于列車信息的安全性要求比較高，后續(xù)需對TCN與以太網(wǎng)的融合性進行進一步的優(yōu)化和提升。