地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用＊

李 球 朱士友 龍 靜

（廣州市地下鐵道總公司，510310，廣州／／第一作者，工程師）

目前，現(xiàn)有的地鐵車輛車載自診斷故障系統(tǒng)僅涵蓋了牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和車門等，缺乏對(duì)車輛關(guān)鍵部件，如輪對(duì)軸承、車軸、輪對(duì)踏面等運(yùn)動(dòng)部件的綜合監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警。為了對(duì)車輛關(guān)鍵部件相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，本文提出了在運(yùn)營(yíng)正線軌道旁邊安裝振動(dòng)、溫度和車輪等傳感器的方案，探測(cè)站和數(shù)據(jù)中心完成對(duì)相關(guān)信號(hào)的采集、分析后，生成各種報(bào)表和趨勢(shì)圖，并對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和分級(jí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，可為地鐵車輛的安全運(yùn)營(yíng)及檢修作業(yè)提供有利的安全保障和技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由軌旁傳感器、探測(cè)站和數(shù)據(jù)中心等3部分組成。其中，探測(cè)站采集分析軟件由LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)而成，主要實(shí)現(xiàn)車號(hào)識(shí)別、軸溫和振動(dòng)等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)及信號(hào)分析處理；數(shù)據(jù)中心通過(guò)2臺(tái)Dell optilexTM755主機(jī)存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)，并最終完成WEB發(fā)布。

1.2 主要傳感器的選型

車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用的傳感器包括車輪傳感器、紅外軸溫探測(cè)器和振動(dòng)傳感器等。

車輪傳感器采用有源車輪傳感器，其型號(hào)為YJ 03。YJ 03與無(wú)源磁鋼相比，由于利用了小匝數(shù)低電感值線圈作為敏感元件，并加載了高頻正弦波激勵(lì)，因此波形定位更準(zhǔn)確，性能更穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)，滿足實(shí)際使用要求。

紅外軸溫探測(cè)器型號(hào)為HTK－391。與第一代紅外軸溫探測(cè)器相比，具有精度高、檢測(cè)準(zhǔn)確以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，完全可以滿足地鐵列車軸溫監(jiān)測(cè)的要求。

振動(dòng)傳感器選用13200型壓電式加速度振動(dòng)傳感器。具有分辨率和靈敏度高、頻率范圍寬、壽命長(zhǎng)，且對(duì)環(huán)境的要求低等特點(diǎn)，滿足選型要求。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括探測(cè)站和數(shù)據(jù)中心設(shè)備的設(shè)計(jì)。由于數(shù)據(jù)中心采用的是2臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)配置的Dell optilexTM755型主機(jī)作為服務(wù)器，因此以下重點(diǎn)介紹探測(cè)站的設(shè)計(jì)。探測(cè)站主要由下位機(jī)、上位機(jī)及輔助設(shè)備組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 探測(cè)站內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)硬件平臺(tái)由TMS 320F2812型DSP及其外圍硬件電路組成。該處理器主頻達(dá)150MHz，具有增強(qiáng)的eCAN 2.0B接口模塊，該接口與CAN 2.0B接口完全兼容，同時(shí)擁有16個(gè)高速A／D采樣通道［5］。下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

各傳感器采集到的模擬信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入TMS 320F2812的A／D采樣通道，TMS 320F2812將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)采用的是美國(guó)NI公司的PXI系列數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，硬件主要包括PXI－1052機(jī)箱，PXI－8108嵌入式控制器，PXI－6259 16位1MS／s（多通道）、1.25 MS／s（單通道），32路模擬輸入、PXI－6542 32位I／O卡，采用NI－DAQ驅(qū)動(dòng)程序。輔助設(shè)備主要包括GU 980 C型車號(hào)識(shí)別裝置、山特C 3K型Rack－Ups以及威圖PS 4000型機(jī)箱等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件可分為數(shù)據(jù)采集分析軟件、控制臺(tái)管理軟件、WEB發(fā)布管理軟件和系統(tǒng)管理軟件等4類，其構(gòu)成如圖3所示。其中數(shù)據(jù)采集分析軟件運(yùn)行于探測(cè)站上位機(jī)，采用NI公司的Lab VIEW 8.6軟件作為采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)自檢、傳感器電源控制、車號(hào)識(shí)別、紅外線校零、數(shù)據(jù)同步采集以及數(shù)據(jù)打包傳輸?？刂婆_(tái)管理軟件以VC＋＋6.0為平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用專門的模塊化設(shè)計(jì)，嵌入到數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)管理軟件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)站數(shù)據(jù)的讀取、控制網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以及對(duì)探測(cè)站電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集過(guò)程監(jiān)視等。采用MS SQL SERVER 2008作為數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)管理軟件平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)報(bào)表以及故障報(bào)警等。采用.NET及SQL大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等編程工具，在地鐵內(nèi)部局域網(wǎng)上完成WEB發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)用戶登陸、用戶管理權(quán)限、瀏覽過(guò)車報(bào)表、瀏覽工作報(bào)表、系統(tǒng)管理、查詢報(bào)表、歷史故障報(bào)表、歷史曲線、退出登陸、數(shù)據(jù)庫(kù)同步、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)機(jī)等功能。

圖3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成框圖

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

探測(cè)站的下位機(jī)主要執(zhí)行監(jiān)測(cè)信號(hào)的測(cè)量與控制服務(wù)。軟件開(kāi)發(fā)采用TI公司的DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用了C和匯編語(yǔ)言的混合方式，主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，然后開(kāi)中斷等待中斷事件。當(dāng)磁鋼接收振動(dòng)沖擊開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，A／D通道通過(guò)中斷的方式開(kāi)始采集軸溫、車輪和振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序，并通過(guò)CAN總線上傳給上位機(jī)作進(jìn)一步的處理。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集分析軟件安裝于探測(cè)站的上位機(jī)，采用美國(guó)NI公司的圖形化的編程語(yǔ)言NI LabVIEW 8.6開(kāi)發(fā)，通過(guò)圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的編程和數(shù)據(jù)采集［6］。來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)軸溫?cái)?shù)值的顯示、車輪振動(dòng)信號(hào)波形顯示、車號(hào)顯示和平輪特性參數(shù)顯示等4部分以波形和數(shù)值的方式顯示出來(lái)。具體的實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析上傳模塊上傳數(shù)據(jù)分析、生成報(bào)告和上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，其主程序框圖如圖5所示。

圖4 下位機(jī)主程序流程圖

2.3 控制臺(tái)管理軟件設(shè)計(jì)

控制臺(tái)管理軟件是通過(guò)VC＋＋6.0平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的，運(yùn)行于數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控探測(cè)站、軌旁設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，探測(cè)站與控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)傳輸與通訊，系統(tǒng)報(bào)警，用戶及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。主要顯示的系統(tǒng)信息有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接狀態(tài)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)連接狀態(tài)等。具體包括系統(tǒng)自檢狀態(tài)、傳感器工作狀態(tài)、系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)、過(guò)車檢測(cè)結(jié)果、系統(tǒng)工作日志、系統(tǒng)工作異常報(bào)警信息等?？刂婆_(tái)軟件界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.4 瀏覽網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)

采用.NET及SQL大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等編程工具，在地鐵內(nèi)部局域網(wǎng)上完成 WEB發(fā)布。用戶輸入用戶名和密碼后，進(jìn)入查詢終端網(wǎng)頁(yè)。可查詢數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)分析、故障報(bào)表等，并可根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)模塊的擴(kuò)展。

圖5 數(shù)據(jù)采集分析工作主程序

3 數(shù)據(jù)通訊方式

軌旁傳感器通過(guò)CAN總線與探測(cè)站進(jìn)行連接；探測(cè)站通過(guò)光纖以太網(wǎng)接口方式與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通訊；數(shù)據(jù)中心通過(guò)光纖以太網(wǎng)接口方式進(jìn)入地鐵內(nèi)部局域網(wǎng)，并通過(guò)加裝網(wǎng)絡(luò)防火墻的方式與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)；通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程WEB瀏覽。

4 測(cè)試應(yīng)用情況

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)功能，對(duì)所有車號(hào)標(biāo)簽進(jìn)行10次輪流測(cè)試，系統(tǒng)識(shí)別率達(dá)到100%，符合設(shè)計(jì)要求。利用車輪有擦傷的故障列車進(jìn)行來(lái)回10次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)均能準(zhǔn)確地探測(cè)到該車的車輪擦傷，并及時(shí)給出報(bào)警，探測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果相近，誤差＜0.2mm。另外，通過(guò)對(duì)剛回庫(kù)的不同車輛的軸溫進(jìn)行多次人工測(cè)量，并與系統(tǒng)所報(bào)溫度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)量方法所測(cè)量的溫度變化趨勢(shì)相同，系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差＜3℃，能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖6 控制臺(tái)管理軟件

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和性能均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。目前該系統(tǒng)在廣州地鐵2、8號(hào)線已進(jìn)入施工安裝階段，建成投入運(yùn)行后，將能有效提高車輛檢修作業(yè)的準(zhǔn)確性和效率，為廣州地鐵的安全運(yùn)營(yíng)提供有力保障。隨著計(jì)算機(jī)、傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也將不斷發(fā)展，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

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