鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置的研制

徐超凡，姜 璐，劉 飛，康旭韡，曹 源

（1．北京交通大學(xué) 軌道交通控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置的研制

徐超凡1，2，姜 璐3，劉 飛1，2，康旭韡1，2，曹 源1，2

（1．北京交通大學(xué) 軌道交通控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

列車軸溫過高會給列車運(yùn)行帶來危險(xiǎn)，因此列車軸溫檢測系統(tǒng)的意義重大。本研究不同于其他軸溫檢測設(shè)計(jì)，采用Android平臺手機(jī)與ARM11開發(fā)板相互通信以實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。設(shè)計(jì)中采用Wi-Fi技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收開發(fā)板采集的軸溫?cái)?shù)據(jù)，并將手機(jī)作為Socket通信過程中的服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，ARM開發(fā)板作為客戶端發(fā)送軸溫?cái)?shù)據(jù)，使機(jī)械師能夠在列車的任意位置對每一車軸的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。經(jīng)測試，研制的鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置基本實(shí)現(xiàn)了軸溫檢測和無線發(fā)送軸溫?cái)?shù)據(jù)到智能手持終端的功能。

便攜式軸溫檢測；鐵路列車；WiFi通信；安卓平臺；ARM開發(fā)板

隨著鐵路提速的范圍不斷擴(kuò)大，對列車運(yùn)輸安全的技術(shù)保障有了更高要求。因此，充分利用列車軸溫報(bào)警裝置，提高檢測報(bào)警質(zhì)量，防止車輛因熱軸漏報(bào)、誤報(bào)，對保證鐵路列車運(yùn)行安全具有重要意義。既有的高速列車軸溫報(bào)警裝置有很多弊端，在過流時(shí)很容易被燒壞、不易更換，客車與貨車也缺少相應(yīng)的軸溫檢測報(bào)警裝置。列車快速運(yùn)行過程中，車軸與軸承之間互相摩擦所產(chǎn)生的熱會引起軸溫的異常升高，從而導(dǎo)致燃軸、切軸等問題，甚至造成列車顛覆，此時(shí)若沒有可靠的便攜設(shè)備來保證正常的檢測與報(bào)警，會嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全。

當(dāng)前國外軸溫檢測系統(tǒng)主要采用紅外溫度傳感器檢測裝置，國內(nèi)主要從處理器的選型和溫度采集傳感器的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了不斷的創(chuàng)新，從基于單片機(jī)到基于ARM系列的嵌入式系統(tǒng)的軸溫檢測系統(tǒng)，從簡單傳感器到數(shù)字型溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集設(shè)計(jì)等方向進(jìn)行研制。解決問題的關(guān)鍵在于提高檢測系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)檢測軟件對誤報(bào)故障的判斷能力，避免因外部干擾或系統(tǒng)量的問題而造成誤報(bào)故障的假象。為此，需要研制一種便于安裝的軸溫報(bào)警裝置，通過無線通信系統(tǒng)把軸溫的數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)械師的手持終端，以保證對車軸溫度能夠?qū)崟r(shí)檢測。

1 鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)過程

1.1 方案設(shè)計(jì)

鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置需要使溫度測量采集開發(fā)板與智能手持終端之間進(jìn)行無線通信，能夠使其與手持終端建立有效可靠的連接，基本實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集和無線的有效傳輸；無線傳輸?shù)木嚯x可有效覆蓋整車；通過手持終端能夠?qū)崟r(shí)查看列車軸溫?cái)?shù)據(jù)。

當(dāng)前，針對軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的研究主要是在軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的溫度采集模塊、主機(jī)模塊部分中不斷地引進(jìn)新技術(shù)，以改善系統(tǒng)性能。數(shù)字溫度傳感器（如DS18B20）溫度采集精確、部署簡單、抗干擾、成本低，能夠與單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)等配合使用。嵌入式系統(tǒng)豐富多樣，在處理芯片、芯片版本和操作系統(tǒng)等方面選擇眾多。在嵌入式中ARM為主流的處理芯片，為了滿足更高的處理速度，低功耗，對無線網(wǎng)絡(luò)的完美支持，采用最新的ARM11進(jìn)行高速軸溫檢測報(bào)警裝置進(jìn)行研制。方案實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

1.2 ARM開發(fā)板設(shè)計(jì)

對列車軸溫報(bào)警裝置的需求進(jìn)行分析之后，本設(shè)計(jì)采用開發(fā)板OK6410-A作為溫度采集和發(fā)送的核心部件，OK6410的開發(fā)以S3C6410芯片為核心，溫度采集部分采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。在軸溫采集時(shí)一般要求實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)采集，繼而多路溫度數(shù)據(jù)能不停地輸入嵌入式開發(fā)板,所以采用模擬開關(guān)+GPIO驅(qū)動控制的方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集，這樣在OK6410的基礎(chǔ)上簡化了多點(diǎn)檢測的難度。

本設(shè)計(jì)使用SDIO Wi-Fi模塊，采用TP-LINKWR700N便攜路由器模式創(chuàng)建無線局域網(wǎng)。為了方便對局域網(wǎng)中設(shè)備的IP地址進(jìn)行控制，可使用路由器自帶的靜態(tài)地址分配功能。Wi-Fi技術(shù)中的無線分散系統(tǒng)解決方案，通過提高無線路由器的發(fā)射功率和增減中繼器，實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)的拓展，將整個(gè)無線信號廣播范圍延展到整車長度，使得無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的研制有了實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖1 鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)方案

1.3 手持終端軟件設(shè)計(jì)

手持終端負(fù)責(zé)無線接收開發(fā)板測量的軸溫?cái)?shù)據(jù)，因此需要設(shè)計(jì)一款軟件來記錄、存儲、顯示數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)思想如圖2所示。SQlite數(shù)據(jù)庫是一個(gè)開源的、用C語言實(shí)現(xiàn)的嵌入式數(shù)據(jù)庫，它有非常適合于移動平臺處理器相對慢，內(nèi)存比較小的特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫適配器BaseAdapter將數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行匹配、解耦，降低了程序的耦合性，使得程序變得更加容易擴(kuò)展。通過添加Android的ScrollView組件來解決傳統(tǒng)方法中不能通過上下滾動顯示條目的問題，但在數(shù)據(jù)比較多時(shí)，需多次循環(huán)去查找數(shù)據(jù)，非常消耗資源。在ListView中顯示數(shù)據(jù)并不是一下把數(shù)據(jù)庫中所有條目全部查詢并加載出來，將其向上滑動時(shí)，第一條數(shù)據(jù)便會滑出屏幕，系統(tǒng)會將這條數(shù)據(jù)回收到Recycler View緩沖池中，要顯示的屏幕外下一條數(shù)據(jù)將被從緩沖池中取出，顯示到對應(yīng)位置上。因此，ListView控件極大地節(jié)省了系統(tǒng)內(nèi)存。

UDP是一個(gè)面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議，進(jìn)程的每個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生一個(gè)UDP數(shù)據(jù)，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)。Socket相當(dāng)于對傳輸層協(xié)議在編程層次上的封裝，Socket與Socket Server都被封裝于Java.net包內(nèi)。數(shù)據(jù)傳輸則采用TCP協(xié)議中規(guī)定的流格式進(jìn)行，Android手機(jī)作為接受數(shù)據(jù)的一端，調(diào)用getInputStream()方法獲取軸溫?cái)?shù)據(jù)。使用提示框提示用戶溫度過高，實(shí)現(xiàn)車軸溫度危險(xiǎn)的報(bào)警功能。此外，數(shù)據(jù)庫刪除時(shí)，提示框可以防止用戶誤操作。

圖2 手持終端軟件設(shè)計(jì)

2 鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件實(shí)現(xiàn)

鐵路列車便攜式軸溫檢測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的過程如圖3所示，主要用于開發(fā)手持終端軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種所需功能。

圖3 手持終端軟件實(shí)現(xiàn)

2.1.1 界面實(shí)現(xiàn)

在登錄界面的整體線性布局中，包含了一個(gè)相對布局登錄框的設(shè)計(jì)，登錄界面中各組件緊密聯(lián)合。其中Fragment相當(dāng)于一個(gè)輕量級的Activity，特點(diǎn)就是不需要在清單文件中配置，既有效利用了屏幕空間，也減輕了維護(hù)難度。同時(shí)，在大屏幕設(shè)備上支持更加動態(tài)和靈活的UI設(shè)計(jì)。

2.1.2 通過Socket與溫度測量硬件部分的通信實(shí)現(xiàn)

開發(fā)板接收到溫度傳感器從車軸上采集的溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送給同在一個(gè)熱點(diǎn)內(nèi)的手機(jī)，手機(jī)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。這里手機(jī)相當(dāng)于客戶端。當(dāng)要測的車軸數(shù)較多時(shí)手機(jī)作為客戶端很不便，在Socket通信中，若手機(jī)作為客戶端來采集不同的車軸溫度時(shí)需要更換多次IP地址。反觀手機(jī)作為服務(wù)器端，車軸只需要都向手機(jī)的IP地址發(fā)送軸溫?cái)?shù)據(jù)，唯一變化的就是端口號設(shè)置。因此本程序中采用手機(jī)作為服務(wù)器端，溫度測量硬件部分（以下簡稱開發(fā)板部分）作為客戶端。

UI是程序的主線程，用來快速響應(yīng)用戶的要求并做出反應(yīng)，而Android中規(guī)定，非UI線程是不能夠更新UI的。程序中Socket通信工作是個(gè)非常耗時(shí)的工作，所以把Socket的通信工作放在一個(gè)子線程當(dāng)中，減少CPU的占用。

LitePal是一款開源的Android數(shù)據(jù)庫框架，它采用了對象關(guān)系映射的模式，并將平時(shí)開發(fā)過程中最常用的一些數(shù)據(jù)庫功能進(jìn)行了封裝。需要采用在main_activity中創(chuàng)建通信子線程，并存儲數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

2.1.3 溫度實(shí)時(shí)顯示實(shí)現(xiàn)

為了避免程序的復(fù)雜，采用了將Socket通信在main_activity的子線程中執(zhí)行并在接收到數(shù)據(jù)的同時(shí)就存入數(shù)據(jù)庫，變化的是溫度實(shí)時(shí)顯示不再是在Socket通信內(nèi)部讀取到數(shù)據(jù)顯示到控件上面，而采用數(shù)據(jù)庫的查詢最后一條數(shù)據(jù)的方法。采用循環(huán)方法實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，此方法可在Fragment中執(zhí)行，通過新建子線程不斷地查詢數(shù)據(jù)庫中最后一條數(shù)據(jù)，然后更新Fragment上UI顯示的內(nèi)容以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。Handler是更新UI的消息處理機(jī)制，用它來進(jìn)行消息的發(fā)送和處理。

2.1.4 提示框?qū)崿F(xiàn)與曲線繪制實(shí)現(xiàn)

本程序中共包含兩個(gè)Dialogfragment，分別是當(dāng)車軸溫度過高時(shí)發(fā)出警告的警告框，和清除數(shù)據(jù)庫記錄時(shí)，防止用戶誤刪除的確認(rèn)框。曲線繪制實(shí)現(xiàn)采用第三方圖形庫MPAndroidChart，軸溫監(jiān)測曲線圖包括：數(shù)據(jù)集DataSet，即軸溫?cái)?shù)據(jù)；設(shè)定X、Y坐標(biāo)對應(yīng)顯示內(nèi)容，X軸即時(shí)間，Y軸即溫度；通過Chart對象將其顯示出來。

2.2 鐵路列車便攜式軸溫檢測報(bào)警裝置的測試

2.2.1 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測試

系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測試的主要步驟：（1）為測試建立無線局域網(wǎng)；（2）采集部分和手持終端均連接進(jìn)局域網(wǎng)內(nèi)；（3）使用計(jì)算機(jī)部署應(yīng)用程序；（4）實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)；（5）啟動溫度的發(fā)送程序，為演示方便，采用按鈕觸發(fā)方式。當(dāng)發(fā)送失敗時(shí)會返回失敗原因窗口，而當(dāng)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送成功時(shí)會顯示發(fā)送成功窗口。（6）手持終端接收數(shù)據(jù)并顯示。

2.2.2 測試結(jié)果

（1）開發(fā)板與手持終端成功連入同一局域網(wǎng)內(nèi)；（2）能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)；（3）車軸溫度升高時(shí)傳感器測量溫度開始逐步上升，測溫范圍在0～100℃；（4）軸溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送完成，顯示成功或失敗原因；（5）手持終端能夠隨時(shí)查看列車信息、歷史數(shù)據(jù)并繪制溫度曲線，測試記錄所有車軸的連續(xù)24 h的溫度數(shù)據(jù)，圖4顯示了8個(gè)車軸前30 s的歷史軸溫?cái)?shù)據(jù)。（6）車軸溫度過高（設(shè)計(jì)＞85℃），清除數(shù)據(jù)時(shí)會有提示框顯示。

3 結(jié)束語

鐵路列車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)保障列車平穩(wěn)、安全運(yùn)行，本研究提出了新的方法：通過手機(jī)接收軸溫?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示軸溫?cái)?shù)據(jù)、曲線繪制、數(shù)據(jù)庫存儲以及軸溫過高報(bào)警的功能。利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)了溫度采集的硬件模塊，用SDIO WiFi模塊作為OK6410開發(fā)板的網(wǎng)卡，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行TCP Socket通信。開發(fā)板硬件部分仍需升級來提高其靈敏度和可靠性，還可以進(jìn)一步改良軟件設(shè)計(jì)部分的程序使其更加智能化，實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警等功能。本設(shè)計(jì)研制的鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置與手持終端組成的系統(tǒng)相對簡單，成品效果與鐵路應(yīng)用的技術(shù)要求還有一定的差距，但它為我國鐵路列車軸溫檢測裝置的改善提供了一種新的安全可靠的解決方案。

圖4 列車信息、歷史數(shù)據(jù)及溫度曲線

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[9].Wang C, Fu Z Z, Wang P P.Design of the

責(zé)任編輯 陳 蓉

Portable axle temperature alarming device for railway train

XU Chaofan1,2, JIANG Lu3, LIU Fei1,2, KANG Xuwei1,2, CAO Yuan1,2
( 1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.State Key Laboratory of Rail Traffc Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China )

The high temperature of the train axle could bring dangerous to the train operation, so it is very important to detect train axle temperature.This research was different from the design of other axle temperature detection.Mobile phone with Android platform and ARM11 development board was used to communicate with each other in order to implement real-time monitoring of temperature.Wi-Fi technology was used to receive real-time data from the development board, and the mobile phone was used to receive data in the socket communication process, while the ARM development board worked as the client to send temperature data, so that the mechanical engineer could observe the temperature values of each axle at any position of the train.After testing, the portable axle temperature alarming device for railway train could implement the function of axle temperature detection and transmit the data of axle temperature to the intelligent handheld terminal through wireless communication.

portable axle temperature detection; railway train; WiFi communication; Android platform; ARM development board

U270.7∶TP39

A

2015-09-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305021）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃（2015BAG12B01）。

徐超凡，在讀碩士研究生；姜 璐，助理研究員。

1005-8451（2016）03-0050-04