自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甕嘉民，周成虎

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程系，河南 鄭州 451191)

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備主要包括軌道車(chē)、接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)及大型養(yǎng)路機(jī)械，是用于鐵路建設(shè)、設(shè)備修理、搶險(xiǎn)和檢查等工作的主要運(yùn)輸設(shè)備[1].鐵道部《軌道車(chē)管理規(guī)則》鐵運(yùn)[2007]22號(hào)文中明確提出，“軌道車(chē)管理工作應(yīng)貫徹‘安全第一、預(yù)防為主、養(yǎng)修并重、服務(wù)生產(chǎn)’的方針；實(shí)施逐級(jí)負(fù)責(zé)，堅(jiān)持保養(yǎng)與檢修相結(jié)合，修理、改造與更新相結(jié)合；倡導(dǎo)集中管理，積極推行軌道車(chē)計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)管理”.但從目前自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的日常運(yùn)用和管理來(lái)看，尚存在一些問(wèn)題： ①司機(jī)較少，業(yè)務(wù)素質(zhì)不高，單獨(dú)在外作業(yè)，無(wú)法監(jiān)控其出乘前是否按規(guī)定檢修，或者由于管理人員少造成安全檢查不足；②檢修質(zhì)量不高，大部分單位沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的維修人員，檢修作業(yè)依靠維修廠(chǎng)家進(jìn)行，造成維修不及時(shí)、不規(guī)范；③運(yùn)記轉(zhuǎn)儲(chǔ)分析和發(fā)碼檢查周期較長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足當(dāng)前安全管理的需要；④自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的作業(yè)分散，車(chē)輛防溜防護(hù)等安全關(guān)鍵環(huán)節(jié)不易控制；⑤分散配置造成運(yùn)行揭示調(diào)度命令無(wú)法及時(shí)傳送到軌道車(chē).總體來(lái)說(shuō)，目前軌道車(chē)的安全管理缺陷較多，不能滿(mǎn)足當(dāng)前需要.

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督控制的系統(tǒng)，可以作為目前自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備安全管理的補(bǔ)充手段，保證自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的行車(chē)安全.

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由車(chē)載采集/顯示裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)GJX)、鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)中心和各站段指揮終端3個(gè)部分組成，如圖1所示.GJX安裝在軌道車(chē)司機(jī)室內(nèi)，并配備便攜式巡檢器，司機(jī)可利用巡檢器對(duì)軌道車(chē)各重點(diǎn)巡檢部位進(jìn)行電子記錄，并將巡檢信息下載至GJX進(jìn)行保存，通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至鐵路局地面數(shù)據(jù)中心服務(wù)器.GJX同時(shí)可以作為站段軌道車(chē)管理人員與軌道車(chē)司機(jī)的交互設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)地向站段發(fā)送軌道車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行軌跡信息，同時(shí)實(shí)時(shí)地接收來(lái)自站段的運(yùn)行顯示命令信息、相關(guān)政策和管理辦法等信息.鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和維護(hù)終端等設(shè)備組成,它負(fù)責(zé)接收GJX通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母黝?lèi)信息，結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或鐵路辦公網(wǎng)傳輸給各站段指揮終端，同時(shí)記錄GJX和地面指揮終端之間所有的交互信息，并負(fù)責(zé)各站段指揮終端的數(shù)據(jù)權(quán)限管理工作.各站段設(shè)置指揮終端，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或鐵路辦公網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)督管內(nèi)軌道車(chē)的運(yùn)行狀況和軌跡，并對(duì)軌道車(chē)的日常檢修工作進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督管理，如向軌道車(chē)發(fā)送調(diào)度命令、限速的運(yùn)行揭示調(diào)度命令和各種規(guī)章制度等.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 車(chē)載裝置

2.1 設(shè)備構(gòu)成

車(chē)載裝置的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.

車(chē)載裝置主要由車(chē)載主機(jī)和巡檢系統(tǒng)組成.車(chē)載主機(jī)主要是由GPS天線(xiàn)、GPRS天線(xiàn)、顯示、輸入/輸出和電源管理等部分組成；巡檢系統(tǒng)主要由巡檢監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電子標(biāo)簽、巡檢記錄器和巡檢記錄讀取裝置等組成.

2.2 工作原理

2.2.1 車(chē)載主機(jī)

車(chē)載主機(jī)主要是由GPS天線(xiàn)、GPRS天線(xiàn)、顯示、輸入/輸出、巡檢數(shù)據(jù)接口和電源管理等部分組成，如圖3所示.

圖2 車(chē)載裝置組成框圖

圖3 車(chē)載主機(jī)框圖

車(chē)載主機(jī)主要利用GPS信號(hào)采集自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的速度、位置等信息，利用巡檢系統(tǒng)采集自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的重要機(jī)械部位信息，把這些信息通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到鐵路局地面數(shù)據(jù)中心，以便站段的指揮終端實(shí)時(shí)調(diào)用查看.車(chē)載裝置的輸入/輸出接口主要接收站段指揮終端的揭示調(diào)度命令、規(guī)章制度等信息，通過(guò)觸摸屏輸入行車(chē)日志和工作日志.同時(shí)，車(chē)載主機(jī)具有USB接口，可以通過(guò)U盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，打印機(jī)接口可以把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印.車(chē)載主機(jī)顯示界面通過(guò)良好的人機(jī)界面車(chē)載和地面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.車(chē)載通過(guò)顯示界面可以閱讀留言顯示調(diào)度命令和規(guī)章制度，同時(shí)可以輸入和修改工作和行車(chē)日志、調(diào)閱車(chē)載信息的歷史記錄等.GPS天線(xiàn)安裝在自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的車(chē)體外，主要用來(lái)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)通過(guò)電纜把接收到的GPS信號(hào)送給車(chē)載主機(jī)內(nèi)部的GPS接收模塊進(jìn)行解碼和譯碼，轉(zhuǎn)變成車(chē)載設(shè)備需要的速度和位置信息.

(1)GPS全球衛(wèi)星定位

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有全球GPS定位功能.GPS模塊使用加拿大NovAtel公司的OEMV-1高速GPS模塊，主處理器使用PHILIPS公司生產(chǎn)的單片32位ARM微控制器LPC2220.OEMV-1 GPS模塊通過(guò)GPS天線(xiàn)接收衛(wèi)星信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分譯碼，把解析的數(shù)據(jù)發(fā)送給主處理器，主處理器通過(guò)通訊把數(shù)據(jù)傳給自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備主機(jī)的主處理器.

(2)GPRS/GMS_R無(wú)線(xiàn)傳輸

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)督系統(tǒng)及信息平臺(tái)車(chē)載裝置與地面數(shù)據(jù)中心是通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的.GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是GSM移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2].GPRS功能的工作原理是GPRS模塊使用Motorola G24，主處理器使用PHILIPS公司生產(chǎn)的單片32位ARM微控制器LPC2124[3],主處理器通過(guò)AT指令控制GPRS模塊撥號(hào)到地面數(shù)據(jù)中心的靜態(tài)IP上，再通過(guò)精簡(jiǎn)的TCP/IP與地面數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并定時(shí)檢測(cè)設(shè)備是否在線(xiàn).同時(shí),主處理器通過(guò)底板總線(xiàn)與裝置的中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把接收到的地面數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)發(fā)給中央處理器，同時(shí)接收中央處理器的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器.

圖4 顯示屏的主界面

(3)觸摸屏顯示

觸摸屏顯示是為車(chē)載人員提供良好的人機(jī)交互見(jiàn)面的平臺(tái)，操作人員可以在顯示界面上瀏覽調(diào)度命令和作業(yè)制度，同時(shí)可以通過(guò)該界面編寫(xiě)和修改行車(chē)與工作日志、回放分析車(chē)載的歷史數(shù)據(jù)等，顯示屏的主界面如圖4所示.

(4)電源管理

電源使用軌道車(chē)的直流24 V電源，平常工作時(shí)電源電壓穩(wěn)定，但當(dāng)軌道車(chē)啟動(dòng)瞬間，軌道車(chē)電源電壓會(huì)降至很低，有時(shí)甚至低至7 V以下，在這種情況下系統(tǒng)會(huì)因電壓不穩(wěn)而重新啟動(dòng)或死機(jī).為解決軌道車(chē)啟動(dòng)瞬間電源電壓太低而導(dǎo)致的系統(tǒng)重啟或死機(jī)問(wèn)題，在主機(jī)內(nèi)部增加了一個(gè)電池以管理電路.當(dāng)軌道車(chē)正常工作時(shí)，軌道車(chē)電源為系統(tǒng)提供電源并給增加的電池充電，當(dāng)電池充滿(mǎn)時(shí)，電池管理電路保護(hù)電池的電量；當(dāng)軌道車(chē)啟動(dòng)瞬間電源電壓降至系統(tǒng)設(shè)置的保護(hù)點(diǎn)時(shí)，則由電池為系統(tǒng)供電，當(dāng)電源電壓恢復(fù)到正常時(shí)，繼續(xù)由軌道車(chē)電源為系統(tǒng)提供電壓.

2.2.2 巡檢系統(tǒng)

巡檢系統(tǒng)是利用先進(jìn)的檢波原理開(kāi)發(fā)的管理系統(tǒng)，可有效管理工作人員的巡檢活動(dòng)，規(guī)范出乘前按規(guī)定檢修，巡檢系統(tǒng)由巡檢電子標(biāo)簽、巡檢器和巡檢管理軟件組成[4].

巡檢系統(tǒng)工作原理是，巡檢電子標(biāo)簽分別安裝在軌道車(chē)需要日常巡檢的位置，如發(fā)動(dòng)機(jī)總成、水箱口、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油檢查孔車(chē)鉤處等，操作人員手持巡檢器到指定的巡檢位置進(jìn)行巡檢，以巡檢器讀取的巡檢電子標(biāo)簽作為該位置完成巡檢的依據(jù).巡檢完后，把巡檢器中的數(shù)據(jù)通過(guò)巡檢管理軟件讀出，再通過(guò)車(chē)載主機(jī)的巡檢數(shù)據(jù)接口傳輸給主機(jī)的主處理器，通過(guò)車(chē)載設(shè)備的GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸径蔚闹笓]終端.

3 鐵路局地面數(shù)據(jù)中心

鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)中心通過(guò)靜態(tài)IP與車(chē)載裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把接收到的車(chē)載數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、存儲(chǔ)并發(fā)送到每個(gè)站段指揮終端.同時(shí)，對(duì)接收的站段指揮終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、存儲(chǔ)并根據(jù)數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址發(fā)送到車(chē)載裝置，鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)載裝置的數(shù)據(jù)并及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，其主要功能如下：①記錄保存自特設(shè)備運(yùn)行軌跡和巡檢數(shù)據(jù)并形成數(shù)據(jù)庫(kù)；②記錄保存站段指揮終端的運(yùn)行揭示調(diào)度命令；③向站段指揮終端提供特設(shè)備的運(yùn)行軌跡和巡檢數(shù)據(jù)；④向自特設(shè)備發(fā)送站段指揮終端的運(yùn)行揭示調(diào)度命令并接收記錄自特設(shè)備對(duì)運(yùn)行揭示調(diào)度命令的操作情況，如是否接收或打印等.

4 站段指揮終端

站段指揮終端通過(guò)鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)中心接收車(chē)載裝置的數(shù)據(jù)并通過(guò)良好的人機(jī)界面實(shí)時(shí)分析自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的各種信息，同時(shí)把要發(fā)送的揭示調(diào)度命令和作業(yè)指導(dǎo)制度等信息通過(guò)鐵路局?jǐn)?shù)據(jù)中心發(fā)送到車(chē)載裝置，主要功能如下：①查詢(xún)自特設(shè)備的運(yùn)行軌跡，監(jiān)督自特設(shè)備的巡檢信息；②歷史回放自特設(shè)備的運(yùn)行軌跡；③錄入運(yùn)行揭示調(diào)度命令并發(fā)送到軌道車(chē)GJX車(chē)載設(shè)備；④錄入規(guī)章及應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)自特設(shè)備遠(yuǎn)程更新.

站段指揮終端軟件[5]主要有7個(gè)功能：電子地圖、車(chē)輛登記記錄、發(fā)送信息、工作日志、運(yùn)行日志、巡檢記錄和資料學(xué)習(xí)記錄.

4.1 電子地圖

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用電子地圖與GPS定位技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成軌道車(chē)的電子導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)目的主要是為了實(shí)時(shí)、便利地查看軌道車(chē)行車(chē)過(guò)程及狀況，以便于管理軌道車(chē)的行車(chē)過(guò)程.

4.2 車(chē)輛登記

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)車(chē)輛登記窗口的目的如下：①查看本部門(mén)所有的軌道車(chē)；②進(jìn)行新增車(chē)輛的登記；③管理本部門(mén)所有軌道車(chē)的車(chē)輛登記及更改任務(wù)；④可以選擇任意車(chē)輛或者全部車(chē)輛的信息，導(dǎo)出Excel格式文檔并支持打印輸出.

4.3 信息發(fā)送

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)發(fā)送信息窗口的目的如下：①可以對(duì)本部門(mén)下的所有軌道車(chē)下達(dá)限速命令或者發(fā)送文件，實(shí)時(shí)地對(duì)軌道車(chē)行車(chē)過(guò)程中進(jìn)行管理調(diào)度；②可以查看已發(fā)送的各軌道車(chē)的命令及文件記錄；③可以選擇任意車(chē)輛或者全部車(chē)輛的信息所發(fā)出的命令及學(xué)習(xí)文件，導(dǎo)出word格式文檔并支持打印輸出.

4.4 工作日志

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作日志窗口的目的如下：①可以查看到本部門(mén)所有軌道車(chē)上傳的工作日志，通過(guò)這些信息及時(shí)了解到軌道車(chē)的行車(chē)狀況以及工作人員的工作情況；②可以查看已上傳的文件內(nèi)容；③可以選擇任意車(chē)輛或者全部車(chē)輛的上傳信息所發(fā)送回來(lái)的工作日志并支持打印輸出.

4.5 運(yùn)行日志

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)行日志窗口的目的如下：①可以查看到本部門(mén)所有軌道車(chē)上傳的運(yùn)行日志，通過(guò)這些信息及時(shí)了解到軌道車(chē)的行車(chē)狀況以及工作人員的工作情況；②可以查看已上傳的文件內(nèi)容；③可以選擇任意車(chē)輛或者全部車(chē)輛的上傳信息所發(fā)送回來(lái)的運(yùn)行日志并支持打印輸出.

4.6 巡檢記錄

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)巡檢記錄窗口的目的如下：①可以查看到本部門(mén)所有軌道車(chē)上傳的巡檢信息日志，可以通過(guò)這些信息及時(shí)了解軌道車(chē)的修護(hù)及檢修狀況；②可以選擇任意車(chē)輛或者全部車(chē)輛的上傳信息所發(fā)送回來(lái)的巡檢信息并支持打印輸出.

4.7 資料學(xué)習(xí)窗口

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)資料學(xué)習(xí)窗口的目的如下：①可以查看到本部門(mén)所有軌道車(chē)上傳及下傳的學(xué)習(xí)信息日志，通過(guò)這些信息可以及時(shí)了解軌道車(chē)工作人員對(duì)新章程及文件的學(xué)習(xí)狀況；②可以選擇任意車(chē)輛或者全部車(chē)輛的上傳信息所發(fā)送回來(lái)的學(xué)習(xí)信息并支持打印輸出.

5 跟車(chē)實(shí)驗(yàn)

2010年12月，鄭州供電段車(chē)號(hào)為0521026軌道車(chē)有作業(yè)任務(wù)，借此機(jī)會(huì)對(duì)GJX車(chē)載主機(jī)進(jìn)行了跟蹤實(shí)驗(yàn).剛上車(chē)時(shí)，司機(jī)反映啟動(dòng)機(jī)車(chē)時(shí)GJX車(chē)載主機(jī)會(huì)重新啟動(dòng)(當(dāng)時(shí)機(jī)車(chē)已經(jīng)在啟動(dòng)狀態(tài))，為了核實(shí)情況，重新啟動(dòng)了一次機(jī)車(chē)，車(chē)載主機(jī)運(yùn)行正常，沒(méi)有出現(xiàn)之前所說(shuō)的重啟現(xiàn)象，后因?yàn)榈忍齑包c(diǎn)，司機(jī)將機(jī)車(chē)關(guān)閉，20 min后，啟動(dòng)機(jī)車(chē)時(shí)車(chē)載主機(jī)出現(xiàn)重啟現(xiàn)象.因作業(yè)時(shí)間限制，一直無(wú)法對(duì)電源進(jìn)行測(cè)試，但車(chē)載主機(jī)在其后的運(yùn)行中沒(méi)有出現(xiàn)任務(wù)異?，F(xiàn)象.在整個(gè)運(yùn)行期間，軟件正常，GPRS和GPS工作正常.

軌道車(chē)作業(yè)完畢返回供電段后，對(duì)電源進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)軌道車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)剛停止運(yùn)行就重啟后，電池電壓為14 V，此時(shí)車(chē)載主機(jī)運(yùn)行正常沒(méi)有重啟，但當(dāng)軌道車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)停止20 min以后再重新啟動(dòng)，此時(shí)的電池電壓只有7 V，車(chē)載主機(jī)重新啟動(dòng).

存在的主要問(wèn)題和解決措施：①車(chē)載主機(jī)的電壓在軌道車(chē)啟動(dòng)時(shí)會(huì)低至7 V，導(dǎo)致車(chē)載主機(jī)重新啟動(dòng),需要增加一塊UPS電源；②開(kāi)機(jī)20 s主屏才顯示，關(guān)機(jī)20 s后主屏才關(guān)閉；③沒(méi)有安裝打印機(jī)，如果安裝一般的打印機(jī)，車(chē)上沒(méi)有220 V電源;④車(chē)載主機(jī)功率有些大，可以換成ARM9處理器；⑤客戶(hù)端地圖太舊，標(biāo)注時(shí)不太準(zhǔn)確，需要更新地圖.

6 結(jié)論

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督控制，作為自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備安全管理的補(bǔ)充手段，保證了自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備的行車(chē)安全，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

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