地鐵車輛電氣數(shù)據(jù)采集診斷及無線傳輸方法研究

朱軍軍，武華軍，蘇　曉

（1.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.青島海能電氣有限公司，山東 青島 266000）

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地鐵車輛電氣數(shù)據(jù)采集診斷及無線傳輸方法研究

朱軍軍1，武華軍2，蘇曉1

（1.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.青島海能電氣有限公司，山東 青島 266000）

摘要：文章介紹了地鐵車輛數(shù)據(jù)采集診斷及無線傳輸方法，并結(jié)合地鐵車輛的調(diào)試工藝文件設(shè)計(jì)了地鐵車輛電氣數(shù)據(jù)采集方法、自動(dòng)判定方法及無線傳輸方式。采用該系統(tǒng)可自動(dòng)判定每個(gè)調(diào)試步驟的操作和結(jié)果，減少人為誤判行為，大大提高地鐵車輛的調(diào)試效率，文章最后在地鐵車輛靜態(tài)調(diào)試中進(jìn)行了相關(guān)模擬測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；靜態(tài)調(diào)試；數(shù)據(jù)采集；無線傳輸

地鐵車輛各系統(tǒng)的地面試驗(yàn)是靜調(diào)中的關(guān)鍵步驟。隨著車輛控制系統(tǒng)的不斷完善，控制線路不斷增加，控制邏輯也越來越復(fù)雜，單一的指令信號(hào)燈顯示和手動(dòng)測(cè)量存在的弊端越來越明顯，尤其是隨著地鐵多品種并行生產(chǎn)，地鐵編組增加，車輛之間距離加長(zhǎng)，迫切需要更高效的集中控制手段。

1　系統(tǒng)總體構(gòu)成

地鐵車輛電氣數(shù)據(jù)采集診斷及無線傳輸系統(tǒng)對(duì)車上幾百個(gè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)，然后采用方便實(shí)用的操作系統(tǒng)和友好的人機(jī)界面進(jìn)行人機(jī)交互，目的在于提高調(diào)試的工作效率，對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行規(guī)范化管理。

系統(tǒng)由多臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和1臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　地鐵車輛電氣數(shù)據(jù)采集診斷及無線傳輸系統(tǒng)

分散在車輛上的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集車輛上對(duì)應(yīng)的調(diào)試信號(hào)，采集到的信號(hào)以無線方式傳送給試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器，試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器接收每個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)后進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)綜合判斷、存儲(chǔ)、繪制曲線等功能，并通過wifi網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部局域網(wǎng)相連，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

2　分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

地鐵車輛信號(hào)大致分為24 V直流電壓信號(hào)、4~20 mA電流信號(hào)、110 V直流控制信號(hào)、220 V交流信號(hào)、380 V交流信號(hào)、PWM信號(hào)等，這些信號(hào)分布在駕駛臺(tái)、一位端左右電氣柜、二位端左右電氣柜、車下低壓柜等不同電氣柜中。其中有模擬量信號(hào)也有開關(guān)量信號(hào)，調(diào)試中既需要信號(hào)輸入也需要信號(hào)輸出，而且編組整體調(diào)試時(shí)涉及到的信號(hào)數(shù)量巨大，采集信號(hào)隨車輛廠家和型號(hào)的不同會(huì)有一定差別［1］。鑒于以上特點(diǎn)，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用靈活搭配和分散布局的方式，如圖2所示。

圖2　分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

信號(hào)采集主板分布有6個(gè)805金手指插槽，每個(gè)插槽根據(jù)調(diào)試需求可連接不同的信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換板，隔離轉(zhuǎn)換板有開關(guān)量輸入板、開關(guān)量輸出板、模擬量輸入板等。開關(guān)量輸入板通過跳線選擇開關(guān)可選擇輸入信號(hào)的電壓等級(jí)，對(duì)應(yīng)DC24V、DC110V、AC220V等信號(hào)［2］。開關(guān)量輸出板也可以通過跳線開關(guān)選擇輸出電壓等級(jí)，如DC24V或DC110V等，開關(guān)量輸出板和開關(guān)量輸入板的配合對(duì)車上線路的校線提供了極大方便，避免了采用萬用表人工測(cè)量線路通斷的繁瑣。每個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集和處理96路信號(hào)，由ARM架構(gòu)的STM32F系列單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量、采集、存儲(chǔ)、顯示［3］。地鐵車廂為封閉結(jié)構(gòu)，因此無線信號(hào)的收發(fā)需采用大功率、高靈敏度的無線收發(fā)模塊。通訊方式結(jié)合調(diào)試工藝文件采用問答的方式，數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)調(diào)試內(nèi)容自動(dòng)向分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)索取必要的采集信息，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接到命令后立即向數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送對(duì)應(yīng)的采集信息，縮短其它數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸帶來的通訊延時(shí)和非正常性的無線收發(fā)功率損耗。

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件架構(gòu)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件架構(gòu)如圖3所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)調(diào)試文件調(diào)試內(nèi)容讀取對(duì)應(yīng)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息，包括指令狀態(tài)、操作狀態(tài)、需要確認(rèn)點(diǎn)信息狀態(tài)等。每個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的信號(hào)保存在對(duì)應(yīng)寄存器地址中， 由配置系統(tǒng)配置對(duì)應(yīng)變量的讀取信息。

圖3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件架構(gòu)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器定時(shí)讀取相應(yīng)指令狀態(tài)，當(dāng)有指令到達(dá)時(shí)立即讀取對(duì)應(yīng)確認(rèn)變量的信息。指令系統(tǒng)信息庫中包含針對(duì)每條指令的數(shù)據(jù)采集信息，數(shù)據(jù)采集后就需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，編制成與理想狀態(tài)可進(jìn)行比較的代碼模式，以便與理想狀態(tài)值進(jìn)行比較，采集對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分析處理功能模塊通過移位操作把采集數(shù)據(jù)排列成相同模式進(jìn)而得到現(xiàn)實(shí)狀態(tài)值［4］。

自動(dòng)診斷系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)狀態(tài)值與理想狀態(tài)值進(jìn)行比較，得出偏差信息，進(jìn)行判斷指出故障點(diǎn)并形成報(bào)表存儲(chǔ)。指令理想狀態(tài)信息庫中的理想狀態(tài)信息能夠依據(jù)調(diào)試人員的意愿任意編制，選指令、選采集系統(tǒng)、選信號(hào)、設(shè)定信號(hào)值等。此時(shí)會(huì)按照調(diào)試人員的信號(hào)選取順序形成一組排列，一套指令編制完成后就是一組排列組合，此排列組合要與指令系統(tǒng)信息庫中指令信息編碼一一對(duì)應(yīng)起來。

4　無線Wifi布局

試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器為移動(dòng)式工作臺(tái)，根據(jù)調(diào)試需要可放置在調(diào)試車間的任意位置。地鐵車輛的調(diào)試車間面積比較大，而且電磁環(huán)境復(fù)雜，各種高壓接觸網(wǎng)分布在調(diào)試車間里，當(dāng)有編組車輛停放在調(diào)試車間時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)射的無線信號(hào)很難直線傳輸，必須要有無線中繼器或網(wǎng)橋在車間頂部進(jìn)行信號(hào)放大和直線傳輸才能保證信號(hào)的穩(wěn)定性［5］。無線中繼理論上可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀中繼，但中繼信號(hào)較多時(shí)會(huì)影響中繼的反應(yīng)速度，本系統(tǒng)采用只中繼前一級(jí)和后一級(jí)信號(hào)的鏈型中繼模式，由局域網(wǎng)內(nèi)無線AP開始直至試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器由6臺(tái)中繼器進(jìn)行Wifi信號(hào)放大和延續(xù)，如圖4所示。

圖4　Wifi布局

2臺(tái)中繼相互間隔40~50 m，當(dāng)有某個(gè)中繼器故障時(shí)有可能出現(xiàn)信號(hào)的中斷，但相比網(wǎng)狀中繼更加穩(wěn)定和快速。

5　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)測(cè)

按照以上設(shè)計(jì)原理，研制了地鐵車輛數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)，如圖5、圖6所示，并在6編組地鐵車輛調(diào)試中進(jìn)行了實(shí)測(cè)。本次測(cè)試中共計(jì)采用了8臺(tái)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要針對(duì)地鐵車輛的靜置制動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試，自動(dòng)判定條件已通過數(shù)據(jù)服務(wù)器的上位機(jī)軟件事先錄入。

6　結(jié)論

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地鐵車輛調(diào)試數(shù)據(jù)的各項(xiàng)要求，提高地鐵車輛調(diào)試效率。車輛調(diào)試中，各主機(jī)廠的調(diào)試模式不盡相同，應(yīng)結(jié)合調(diào)試模式的特點(diǎn)采集對(duì)應(yīng)信號(hào)，如可采自連接器、端子排或電氣元件本身，以提高效率、規(guī)范化管理。本系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為工裝結(jié)構(gòu)，與車輛的連接部分線路較長(zhǎng)，可采用高度集成儀表類產(chǎn)品直接安裝于柜體內(nèi)，通訊線路采用車內(nèi)網(wǎng)關(guān)，以減少連接線，便于維護(hù)管理，另外本系統(tǒng)的自動(dòng)判定條件為人工編制，今后可考慮根據(jù)車輛原理圖的判定條件自動(dòng)編制。

圖5　分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖6　試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器

參考文獻(xiàn)

［1］南車集團(tuán)．工藝文件（CGJ056-42-J3）［R］. 2012．

［2］南車集團(tuán)．車輛接線圖（PM05600-373-000000）［R］． 2012.

［3］南車集團(tuán).電氣原理圖（PM05600-371-000000）［R］． 2012.

［4］陳啟軍，余有靈，張偉，等．嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］．上海：［7］同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

［5］軟件與技術(shù)研發(fā)小組． Visual C#2005程序設(shè)計(jì)實(shí)例教程［7］［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

Research on Acquisition and Wireless Transmission of Electrical Data of Metro Vehicles

Zhu Junjun1， Wu Huajun2， Su Xiao1
（1. CSR Nanjing Puzhen Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China； 2. Qingdao Haineng Electric Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract:In this paper， the method of electrical data acquisition and wireless transmission of metro vehicles are introduced. According to the debugging process document of the metro vehicle， the method of electrical data acquisition and automated decision， the way of wireless transmission of the acquired data are analyzed. The system can automatically determine the operation and the result of the debugging step. By using the system， the efficiency of the debugging of metro vehicles is improved and the misjudgment caused by people is induced. Finally， the system is used in the simulation test of metro vehicles static debugging and proved to be feasible.

Key words:metro vehicles； static debugging； data acquisition； wireless transmission

中圖分類號(hào)：U231.+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672–9889（2016）03–0086–03

收稿日期：（2015-12-25）

作者簡(jiǎn)介：朱軍軍（1986-），男，江蘇南京人，工程師，主要從事軌道車輛調(diào)試工作。