基于TCDS的普速旅客列車安全監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)*

張瑞芳，申宇燕，關(guān)曉曄，延九磊

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081)

通過5T系統(tǒng)一期、一期擴展和二期的不斷建設，TCDS系統(tǒng)已經(jīng)成為基本覆蓋全鐵路的對客車運行安全監(jiān)控的信息網(wǎng)絡。根據(jù)5T系統(tǒng)的建設綱要，TCDS二期建設完成后，客車安全監(jiān)測的信息通道已經(jīng)建成就緒。為了充分利用此信息平臺，下一階段應著重在擴充監(jiān)測項目上開展工作，豐富TCDS的監(jiān)測內(nèi)容。在滿足鐵路安全生產(chǎn)實際需要的同時，又充分發(fā)揮現(xiàn)有平臺的作用。

在車輛運用部門日常維護管理需關(guān)注的眾多車輛安全部件中，車輛的制動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架是與車輛安全運行相關(guān)的最重要部分。在大多數(shù)普速旅客列車上，車輛的制動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架尚未安裝運行監(jiān)測設備。大量案例證明，客車制動與轉(zhuǎn)向架監(jiān)測診斷報警在列車運行過程中可起到及時發(fā)現(xiàn)車輛設備的異常情況，及時防止故障的發(fā)生和擴大的作用，對于保障提速客車運行安全是必不可少的。但是由于普速旅客列車技術(shù)條件的限制，鐵路客車中占有很大的比例的25G、25B、25K型普速旅客列車尚無條件安裝25T型提速客車專用的客車運行安全監(jiān)測診斷系統(tǒng)。研制開發(fā)適合普通旅客列車安裝的安全監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用既有的TCDS網(wǎng)絡信息平臺，實現(xiàn)對普速旅客列車的制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架運行全過程監(jiān)測報警，對鐵路客車的運行安全具有重大的意義。

根據(jù)現(xiàn)場需求，借鑒25T提速客車監(jiān)測系統(tǒng)安全監(jiān)測的成功經(jīng)驗，基于TCDS網(wǎng)絡平臺開發(fā)研制適合普速旅客列車安裝的安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應具有下列功能:

(1)實時采集車輛制動系統(tǒng)的列車管、制動缸等壓力數(shù)據(jù)，監(jiān)測診斷單車和全列車制動系統(tǒng)狀態(tài)。

(2)實時采集車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車體振動加速度，監(jiān)測車輛轉(zhuǎn)向架的工作狀態(tài)。

(3)將全列各車廂的監(jiān)測節(jié)點連接為對等網(wǎng)絡，乘務員在任意車能查看全列車的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(4)具備從防滑器主機獲取速度功能。各車廂的監(jiān)測節(jié)點均能獲取防滑器速度，用于轉(zhuǎn)向架和制動系統(tǒng)嚴重故障的診斷。

(5)具備蜂鳴報警以及報警消聲功能。當診斷列車發(fā)生嚴重故障時，全列車蜂鳴報警提示，提醒乘務員處理故障，乘務員在任意車能通過按鍵進行報警消聲。

(6)具備與TCDS主機交互數(shù)據(jù)功能。TCDS主機所在車廂的監(jiān)測節(jié)點將通過列車網(wǎng)絡獲得的全列車監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至TCDS主機，再通過TCDS的GPRS無線網(wǎng)絡傳輸至地面網(wǎng)頁終端進行實時監(jiān)測顯示，通過車站W(wǎng)LAN下載至地面服務器的專家系統(tǒng)進行分析、診斷，指導列車的日常維護與檢修。

(7)單車具備數(shù)據(jù)存儲與下載功能，存儲容量不小于30天。運用部門可據(jù)此數(shù)據(jù)回溯車輛轉(zhuǎn)向架與制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

根據(jù)上述需求，基于既有的TCDS網(wǎng)絡通道，利用普速旅客列車中預留的貫通全列車的網(wǎng)絡通信線，設計適用于普速旅客列車的安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下所示。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

普速旅客列車安全監(jiān)測系統(tǒng)總體拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體拓撲結(jié)構(gòu)圖

(1)每節(jié)車廂安裝一個安全監(jiān)測節(jié)點，通過列車網(wǎng)絡實現(xiàn)全列車通信;

(2)列車網(wǎng)絡類型為LonWorks，傳輸介質(zhì)為車輛中的雙絞屏蔽線纜(備用線);

(3)監(jiān)控車(廣播車)安裝的監(jiān)測節(jié)點與TCDS主機連接完成無線傳輸功能。

1.2 單車結(jié)構(gòu)

單車安全監(jiān)測節(jié)點由監(jiān)測主機、壓力傳感器、加速度傳感器線纜和連接器組成。其中壓力傳感器用于采集制動系統(tǒng)氣體壓力信號，加速度傳感器用于采集轉(zhuǎn)向架振動信號。監(jiān)控車(廣播車)監(jiān)測節(jié)點連接TCDS主機，各車廂安全監(jiān)測節(jié)點均可與防滑器通信獲取速度，均可連接便攜式顯示設備顯示全列車的監(jiān)測狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 單車監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于TCDS的可擴展安全監(jiān)測平臺架構(gòu)

TCDS經(jīng)過6大干線建設、二期工程建設后已實現(xiàn)了全鐵路覆蓋，我國各式類型客車的安全監(jiān)測車地數(shù)據(jù)傳輸及地面三級網(wǎng)絡已經(jīng)具備網(wǎng)絡信息的全覆蓋。

在TMIS的全國鐵路通信網(wǎng)絡的基礎上，利用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸平臺，將鐵道部查詢中心、鐵路局監(jiān)控中心、車輛段監(jiān)控中心聯(lián)系起來;在實時數(shù)據(jù)采集的基礎上，利用現(xiàn)代無線通信技術(shù)，將車輛段與配屬客車聯(lián)系起來，實現(xiàn)客車與地面的有機結(jié)合。車地無線聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)列車和地面間的數(shù)據(jù)傳輸，地面信息網(wǎng)絡實現(xiàn)各級中心間的數(shù)據(jù)傳輸。在三級聯(lián)網(wǎng)的基礎上，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式、統(tǒng)一標準，實現(xiàn)客車安全信息完全共享。有效利用TCDS網(wǎng)絡通道可實現(xiàn)普速旅客列車的安全監(jiān)測(圖3)。

圖3 TCDS系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

2.2 對等式LonWorks列車網(wǎng)絡

利用目前普速旅客列車通訊線中預留的雙絞屏蔽線，使用LonWorks技術(shù)可實現(xiàn)全列車所有車廂監(jiān)測節(jié)點的網(wǎng)絡連接。

每節(jié)車廂的網(wǎng)絡節(jié)點安裝一個網(wǎng)關(guān)，用于實現(xiàn)全列車網(wǎng)絡連接，監(jiān)測節(jié)點面板上設置終端電阻投入開關(guān)，首尾車手動投入終端電阻，中間車不投入(圖4)。

圖4 列車網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

為便于各車廂網(wǎng)絡共享數(shù)據(jù)，列車網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用對等網(wǎng)的列車網(wǎng)絡，任意車廂的網(wǎng)絡節(jié)點上都能接收全列車的通信數(shù)據(jù)。

2.3 采用并行通信方式的LonWorks網(wǎng)關(guān)

(1)硬件設計

對等式列車網(wǎng)絡要求每節(jié)車廂的制動監(jiān)測節(jié)點網(wǎng)關(guān)能接收全列車數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)收發(fā)能力是設計的重點。根據(jù)監(jiān)測節(jié)點的模塊化設計要求，網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)采用微處理器+LonWorks控制器模塊的方式，兩者之間的通信方式可選擇并行、串行、雙口RAM等。其中使用并行通信的方式相對于串行方式有明顯速度優(yōu)勢，相對于雙口RAM的方式由于不需要增加附加存儲芯片，成本上有優(yōu)勢，且減少了故障點，所以選擇采用并行通信的方式。

使用并行通信的網(wǎng)關(guān)采用神經(jīng)元Neuron芯片F(xiàn)T3150和單片機C8051F040聯(lián)合作為通信控制器，單片機和Neuron芯片之間通過并口方式通信，和便攜式顯示器之間通過RS232通信，與車廂主機其他節(jié)點間通過CAN總線通信。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

(2)軟件設計

軟件設計是整個網(wǎng)關(guān)設計的重點，包括單片機程序與神經(jīng)元芯片程序兩個方面。

神經(jīng)元模塊軟件設計應用程序采用Neuron C語言編寫，主要起LonWorks網(wǎng)接口作用，向下與單片機進行并口通訊，向上與LonWorks網(wǎng)利用LonWorks收發(fā)器進行通訊。

單片機部分的程序用Keil C51來編寫。神經(jīng)元的并行模式由芯片內(nèi)部固件程序?qū)崿F(xiàn)，程序代碼較為簡單。而單片機部分的程序則相對復雜，要在應用程序中模擬3150的寫令牌傳送協(xié)議。根據(jù)神經(jīng)元在并口模式的定義，單片機通信程序主要完成4個工作:與3150同步;向3150寫數(shù)據(jù);從3150讀數(shù)據(jù);傳送空令牌給3150。此外，單片機除了通過并口和3150通信外，還要通過串口和下位機通信，進行串口數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理。串口部分的數(shù)據(jù)接收主要通過串口中斷程序完成。數(shù)據(jù)接收完后，在主程序中進行數(shù)據(jù)處理。單片機主程序的流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.4 緊湊型、一體化的安全監(jiān)測主機

針對普速旅客列車電氣柜安裝空間有限的特點，為方便乘務員的操作與使用，安全監(jiān)測主機采用緊湊型、一體化設計。主機的尺寸不超過250 mm(長)×133 mm(高)×200 mm(深)，可嵌入式安裝于乘務員室的電氣柜門上。安全監(jiān)測主機操作面板集成了由狀態(tài)指示燈、蜂鳴器、數(shù)碼管、按鍵、電源開關(guān)、車類別開關(guān)、DBG口、USB接口等組件，如圖7所示。數(shù)碼管用于顯示本車的序號，有報警時顯示報警車的序號和報警類別碼。并可用于設定本車的序號及制造號。車類別開關(guān)用來選擇車類別為首尾車或者中間車，DBG口用來測試與連接便攜式檢測設備，USB接口可用來下載報警數(shù)據(jù)。數(shù)碼管與蜂鳴器在制動系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時發(fā)出聲光報警，同時數(shù)碼管顯示報警序號和報警碼。

圖7 通信網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.5 信息豐富的便攜式人機交互界面

通過安全監(jiān)測主機上的DBG接口，任意車可外接便攜式顯示器。在單車數(shù)據(jù)信息顯示區(qū)顯示該車的列車管壓力、制動缸壓力、制動狀態(tài)等，在單車壓力與速度曲線顯示區(qū)顯示該車的列車管壓力、制動缸壓力與速度曲線。可選功能按鈕查看全列數(shù)據(jù)信息、全列圖表信息、全列報警信息和系統(tǒng)設置(圖8～圖10)。

圖8 主界面顯示效果

圖9 全列圖表對比顯示效果

圖10 顯示界面結(jié)構(gòu)設計

2.6 網(wǎng)頁實時監(jiān)控

TCDS主機通過GPRS網(wǎng)絡通道將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至各鐵路局安全平臺后，數(shù)據(jù)進入TCDS三級網(wǎng)絡，總公司、鐵路局、車輛段各級中心通過WEB網(wǎng)頁可以遠程查詢故障信息，并可以獲得各種形式的報表。實時制動數(shù)據(jù)監(jiān)測效果如圖11所示:

2.7 地面專家系統(tǒng)

車載系統(tǒng)記錄了列車運行過程中的制動數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中包含了每輛車的列車管壓力、制動缸壓力、速度和車載系統(tǒng)的報警信息，車輛到站后，通過車站W(wǎng)LAN將數(shù)據(jù)下載到地面數(shù)據(jù)庫，經(jīng)專家系統(tǒng)通過處理后，能夠?qū)χ苿雍娃D(zhuǎn)向架的報警事件進行查詢，對制動的壓力曲線和轉(zhuǎn)向架的振動特征數(shù)據(jù)進行單車和多車的對比分析，對監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行全程回放。利用地面數(shù)據(jù)庫中保存的檢測數(shù)據(jù)和事件，結(jié)合車輛安全診斷的專家知識，在地面對旅客車輛進行綜合診斷，可以進一步對故障進行定性和定位，指導維修和質(zhì)量控制(圖12)。

圖11 制動監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示

圖12 制動監(jiān)測壓力曲線回放

3 系統(tǒng)驗證

3.1 網(wǎng)絡性能測試

為測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信能力是否達到要求，在試驗室連接18臺安全監(jiān)測主機組成列車網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡通信性能測試，如圖13所示。

開機運行，在4號車連接的便攜式顯示器上統(tǒng)計運行結(jié)果，當該車收到396個數(shù)據(jù)時測試結(jié)果如圖14所示。

圖13 試驗室聯(lián)網(wǎng)測試試驗臺

圖14 網(wǎng)絡性能測試

從圖14可知網(wǎng)絡最大丟包率為(396－392)/396=1%，網(wǎng)絡性能滿足18輛編組的列車網(wǎng)絡通信要求。

3.2 系統(tǒng)功能測試

在安全監(jiān)測試驗室中運用模擬測試試驗臺對壓力采集與制動故障診斷、振動加速度采集與轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測、便攜式設備顯示、車號設置、防滑器速度采集、與TCDS主機通信、全列車聲光報警與消聲等功能進行測試，測試結(jié)果如表1所示，達到了設計要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了普速旅客列車安全監(jiān)測系統(tǒng)的研制目的、系統(tǒng)設計、實現(xiàn)方法、系統(tǒng)集成調(diào)試和測試結(jié)果等。該系統(tǒng)針對目前普速旅客列車基于TCDS系統(tǒng)擴充安全監(jiān)測功能，在原25T型客車安裝的KAX1型客車行車安全監(jiān)測診斷系統(tǒng)的基礎上，保留原系統(tǒng)原理與功能等方面的優(yōu)點，同時根據(jù)25G型車輛的實際情況進行結(jié)構(gòu)與成本的優(yōu)化。測試表明系統(tǒng)設計合理，運行穩(wěn)定，可以為普速旅客列車在線路運行提供安全監(jiān)測，并為地面檢修提供支持。

［1］陳朝發(fā)，劉 峰，等.客車行車安全監(jiān)測診斷系統(tǒng)研究［J］.鐵道機車車輛，2003，(23):53-56.

［2］劉 峰，張瑞芳，等.轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性的實時在線監(jiān)測［J］.鐵道機車車輛，2010，(2):5-7.