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(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組“復(fù)興號(hào)”的投入運(yùn)營，是中國高鐵自主創(chuàng)新的標(biāo)志性成果，對(duì)保持中國高速鐵路列控技術(shù)的國際先進(jìn)性具有重要意義。顯示屏(人機(jī)接口單元)是動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主要設(shè)備，能夠?qū)?dòng)車組的相關(guān)設(shè)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(jī)，有效地指導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行相關(guān)操作，為動(dòng)車組的安全運(yùn)行提供重要的保證。

TCN(列車通信網(wǎng)絡(luò))技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車、動(dòng)車組以及城軌等領(lǐng)域，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性[1-2]。以太網(wǎng)實(shí)時(shí)控車技術(shù)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(dòng)車項(xiàng)目上得到應(yīng)用?，F(xiàn)提出一種基于TCN與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)相結(jié)合的顯示屏軟件設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)完成[3]。

1 雙網(wǎng)控車顯示屏軟件設(shè)計(jì)流程

1.1 顯示屏界面設(shè)計(jì)

為了便于闡述界面功能，將顯示界面分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)。公共信息顯示A區(qū)主要顯示日期時(shí)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(duì)應(yīng)的界面內(nèi)容；顯示設(shè)備狀態(tài)C區(qū)顯示列車的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；按鍵信息提示D區(qū)分布10個(gè)按鍵，對(duì)應(yīng)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(yùn)行的主要技術(shù)參數(shù)、主要狀態(tài)信息、故障提示、控制信息以及維護(hù)信息。按照功能需求顯示屏界面顯示分為運(yùn)行模式和維護(hù)模式。運(yùn)行模式主要包括列車牽引狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備控制、當(dāng)前故障、低恒速控制、運(yùn)行界面、顯示子系統(tǒng)其他信息的二級(jí)子界面及列車關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)；維護(hù)模式下可進(jìn)行列車輪徑值、時(shí)間等車輛參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)版本信息顯示，整備試驗(yàn)等，進(jìn)入維護(hù)模式需要權(quán)限和密碼。用戶可以通過按鍵切換顯示界面。圖1為動(dòng)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(yùn)行信息。

圖1 顯示屏牽引主界面

1.2 顯示屏應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

顯示屏應(yīng)用程序根據(jù)動(dòng)車組人機(jī)接口需求的實(shí)際運(yùn)用和功能要求對(duì)各功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括通信數(shù)據(jù)收發(fā)、故障診斷顯示、遠(yuǎn)程維護(hù)以及界面顯示等功能模塊。顯示屏應(yīng)用程序基本架構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 顯示屏應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

顯示屏應(yīng)用程序基本架構(gòu)主要分為以下幾個(gè)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(shè)置 MVB 設(shè)備地址、端口大小、端口刷新周期等信息；TRDP通信初始化設(shè)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(yīng)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(shí)時(shí)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(dǎo)致CPU占有率過高，應(yīng)用程序只對(duì)當(dāng)前界面進(jìn)行刷新。應(yīng)用程序可以通過按鈕切換，更新當(dāng)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(chǔ)，對(duì)鏈表節(jié)點(diǎn)的添加查找和刪除來實(shí)現(xiàn)故障的添加、查找和刪除功能。

(5)遠(yuǎn)程維護(hù)。通過專用服務(wù)軟件可以實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)下載、更新應(yīng)用程序及下載系統(tǒng)日志的功能。

1.3 TCN控車設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

TCN控車包含兩級(jí)總線層次架構(gòu)，分別為可用于連接各節(jié)可動(dòng)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(shè)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(gè)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(chǔ)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(shí)時(shí)更新TCN協(xié)議棧模塊，并同時(shí)將列車運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

以太網(wǎng)控車主要由列車級(jí)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(shí)現(xiàn)列車級(jí)以太網(wǎng)互聯(lián)互通、信息處理。ECN總線實(shí)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(bǔ)償列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)線路衰減的功能。

相對(duì)于TCN控車無法滿足大數(shù)據(jù)量通信的缺點(diǎn)，以太網(wǎng)總線具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、應(yīng)用廣泛、組網(wǎng)靈活、集成度高等優(yōu)點(diǎn)[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(jìn)行交互，獲取的通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在程序定義的以太網(wǎng)的協(xié)議棧模塊中，并同時(shí)將列車運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)流程

TCN控車技術(shù)與以太網(wǎng)實(shí)時(shí)控車技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)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(dòng)模式和熱啟動(dòng)模式。

冷啟動(dòng)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(jìn)而確定通信數(shù)據(jù)獲取的途徑為TCN數(shù)據(jù)協(xié)議?；蛞蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)議棧。該方法CPU只存儲(chǔ)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(shè)備，冗余切換占用的時(shí)間較長。圖5為冷啟動(dòng)冗余控車模式流程圖。

圖5 冷啟動(dòng)冗余控車流程圖

熱啟動(dòng)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(shí)時(shí)讀取公共端口的對(duì)應(yīng)控車模式值，當(dāng)該數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，顯示屏則按照控車模式值進(jìn)行對(duì)應(yīng)的切換。軟啟動(dòng)冗余控車模式可以實(shí)現(xiàn)兩種控車方式的實(shí)時(shí)切換，不需要重新啟動(dòng)設(shè)備，切換時(shí)間短，但CPU存儲(chǔ)兩種數(shù)據(jù)協(xié)議棧，占用資源較多。熱啟動(dòng)冗余控車流程圖如圖6所示。

圖6 熱啟動(dòng)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(yàn)證

2.1 TCN控車模式功能驗(yàn)證

通過強(qiáng)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(gè)子系統(tǒng)工作正常，整個(gè)列車通信正常。圖7為TCN模式下動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)通信圖。

圖7 TCN控車網(wǎng)絡(luò)通信圖

2.2 以太網(wǎng)控車模式功能驗(yàn)證

通過強(qiáng)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(gè)子系統(tǒng)工作正常，整個(gè)列車通信正常。圖8為以太網(wǎng)控車模式下動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)通信圖。

圖8 以太網(wǎng)控車網(wǎng)絡(luò)通信圖

3 結(jié)論

“復(fù)興號(hào)”中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組作為擁有自主化知識(shí)產(chǎn)權(quán)的動(dòng)車組，其核心技術(shù)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已被我國完全掌握，司機(jī)顯示屏在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中扮演了重要的角色。顯示屏通過實(shí)現(xiàn)TCN控車與以太網(wǎng)控車相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)列車控車方式的冗余，極大地提高了列車運(yùn)行的可靠性以及實(shí)時(shí)性。

目前時(shí)速250 km中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組TCN與以太網(wǎng)結(jié)合的控車方式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并已驗(yàn)證，但以太網(wǎng)控車對(duì)于列車信息的安全性要求比較高，后續(xù)需對(duì)TCN與以太網(wǎng)的融合性進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和提升。