地鐵列車節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)采集記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王偉 胡同前

摘要：我國(guó)地鐵發(fā)展越來(lái)越迅速。為獲取地鐵列車節(jié)點(diǎn)電路的電壓，記錄故障發(fā)生前、中、后的電壓變化，捕捉故障信號(hào)，精準(zhǔn)定位故障原因和事故責(zé)任劃分，設(shè)計(jì)了地鐵列車節(jié)點(diǎn)信號(hào)電壓采集記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)、實(shí)時(shí)顯示電壓曲線圖，以及計(jì)算該時(shí)段的電壓最大值和后臺(tái)存儲(chǔ)電壓數(shù)據(jù)的功能。介紹了該系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)。其硬件電路由電源電路、主控單元、電壓信號(hào)采集單元、接口電路、時(shí)鐘模塊、SD（加密設(shè)備）存儲(chǔ)單元和復(fù)位電路組成。在軟件方面，單片機(jī)將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸給PC（個(gè)人電腦）機(jī)，最終在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)加載電壓曲線圖和計(jì)算最大電壓值的功能。

關(guān)鍵詞：地鐵列車節(jié)點(diǎn) 電壓信號(hào) 采集記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)電路在列車運(yùn)營(yíng)過程中用于車輛命令的傳輸及反饋，其性能的好壞直接影響地鐵運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了提高地鐵的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，對(duì)地鐵車輛節(jié)點(diǎn)電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)。在對(duì)地鐵檢修維護(hù)過程中，傳統(tǒng)上僅是對(duì)節(jié)點(diǎn)電路連接線纜緊固性、外觀等情況進(jìn)行檢查，且節(jié)點(diǎn)電路根據(jù)不同的用途，采用壓接工藝及端子也有所不同，車輛在抖動(dòng)狀態(tài)下連接可靠性不能持續(xù)跟蹤判定。列車運(yùn)行中，若出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信號(hào)丟失的偶發(fā)故障，會(huì)對(duì)列車運(yùn)行可靠性帶來(lái)很大的影響。對(duì)于不同節(jié)點(diǎn)電路的性能檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，目前并沒有任何的檢修手段。地鐵列車上所運(yùn)用的節(jié)點(diǎn)電路會(huì)因?yàn)樗幍奈恢貌煌嬖谶B接差異，給地鐵運(yùn)營(yíng)造成一定的安全隱患，所以，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤檢測(cè)不同狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)電路信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。本文所介紹的多通道信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用于對(duì)地鐵列車節(jié)點(diǎn)電路性能狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)及數(shù)據(jù)記錄，以用于后期數(shù)據(jù)解析來(lái)判定故障情況。

1整體設(shè)計(jì)思路

1.1系統(tǒng)組成

地鐵列車節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)采集記錄系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)電壓采集記錄裝置和數(shù)據(jù)分析軟件兩部分組成。節(jié)點(diǎn)電壓采集記錄裝置體積小，可自由固定安裝在列車上，其輸入為列車控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)分析軟件安裝在PC（個(gè)人電腦）機(jī)上，用于查看和分析數(shù)據(jù)。

1.2系統(tǒng)功能

①電壓記錄功能。列車絕大部分系統(tǒng)的診斷周期大于100ms。為方便截取列車檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓值，保證讀取數(shù)據(jù)的可靠性，在此設(shè)定節(jié)點(diǎn)電壓采集裝置的采集周期為66ms，對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。②在線監(jiān)測(cè)功能。節(jié)點(diǎn)電壓采集裝置通過RS232串口通信接口將信號(hào)傳輸?shù)絇C機(jī)，可在PC機(jī)上實(shí)時(shí)查看、分析節(jié)點(diǎn)電壓波形。③實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能。節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)自動(dòng)存儲(chǔ)到SD（加密設(shè)備）卡相應(yīng)文件內(nèi)，以文件開始記錄時(shí)間命名，持續(xù)記錄時(shí)長(zhǎng)為3年。4）數(shù)據(jù)分析功能。數(shù)據(jù)分析軟件能顯示不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電壓曲線圖，自動(dòng)分析計(jì)算出該時(shí)段的電壓最大值。

2地鐵信號(hào)系統(tǒng)

城市地鐵是一個(gè)封閉、完整的交通系統(tǒng)，地鐵網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)需要根據(jù)地鐵列車發(fā)出的信號(hào)計(jì)算列車運(yùn)行速度、運(yùn)行間隔時(shí)間，并通過各種信號(hào)對(duì)地鐵運(yùn)行進(jìn)行指揮、調(diào)度、控制。地鐵列車長(zhǎng)則要通過接收到的信號(hào)，控制列車平穩(wěn)、高速運(yùn)行。目前，地鐵信號(hào)系統(tǒng)大多采用ATC系統(tǒng)（列車自動(dòng)控制系統(tǒng)）。ATC系統(tǒng)又由列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP系統(tǒng)）、列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO系統(tǒng)）組成。ATP系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)地鐵列車的位置，實(shí)現(xiàn)列車間隔控制保證列車之間的安全;ATO系統(tǒng)可啟動(dòng)列車并實(shí)現(xiàn)站際間自動(dòng)運(yùn)行，控制地鐵列車到站后定點(diǎn)停車;ATS系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別列車，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和顯示，自動(dòng)調(diào)整列車運(yùn)行。

3地鐵列車節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)采集記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

3.1智能分析預(yù)警內(nèi)容

地鐵列車車載信號(hào)數(shù)據(jù)采集及智能預(yù)警系統(tǒng)對(duì)采集到的歷史故障信息數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，建立數(shù)據(jù)及故障預(yù)警模型，根據(jù)建立的預(yù)警模型，一方面對(duì)采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)狀態(tài)量變化和數(shù)字量突變進(jìn)行智能報(bào)警，另一方面實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)警。

3.2信號(hào)機(jī)安裝施工

信號(hào)機(jī)一般安裝在隧道內(nèi)、地鐵站臺(tái)上、站內(nèi)左右兩側(cè)壁上。若信號(hào)機(jī)位于隧道內(nèi)碎石道床，可采用混凝土基礎(chǔ);若信號(hào)機(jī)靠近隧道壁，可采用角鋼型三角支架底座。安裝信號(hào)機(jī)時(shí)，必須保證機(jī)柱的垂直度。在安裝信號(hào)機(jī)前，信號(hào)專業(yè)應(yīng)與其它各專業(yè)充分溝通，運(yùn)用BIM技術(shù)，對(duì)各種設(shè)備及信號(hào)機(jī)的安裝位置進(jìn)行綜合、精細(xì)的布置，保證信號(hào)機(jī)安裝的角度便于司機(jī)目視。

3.3鋪設(shè)線纜

在鋪設(shè)線纜前，技術(shù)人員必須深入施工現(xiàn)場(chǎng)，仔細(xì)考察光電纜徑路，確保光電纜設(shè)計(jì)徑路、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度符合實(shí)際情況（若光電纜設(shè)計(jì)徑路與實(shí)際徑路不符，或光電纜圖紙長(zhǎng)度過長(zhǎng)，必須要求設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修正）。光電纜進(jìn)場(chǎng)前，必須按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，確保光電纜電氣性能達(dá)標(biāo)。當(dāng)前，地鐵隧道內(nèi)的弱電支架通常分為5層，第1～2層供通信使用，第3～4層供信號(hào)使用，第5層供火災(zāi)報(bào)警、綜合監(jiān)控等使用。區(qū)間弱電支架一般為矩形或弧形。地鐵接觸網(wǎng)須安裝墜鉈，技術(shù)人員在為弱電支架定測(cè)時(shí)需聯(lián)系接觸網(wǎng)專業(yè)，確定墜鉈的具體位置并制作特殊支架。制作弧形弱電支架前，須對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際弧度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。光電纜數(shù)量較多，排布在兩層上會(huì)顯得擁擠，因此，在信號(hào)設(shè)備比較集中的站臺(tái)區(qū)，可適當(dāng)增加弱電支架的層數(shù)。

3.4故障預(yù)警模型建立方法

故障預(yù)警評(píng)估模型是采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取與故障密切相關(guān)的特征參數(shù)，通過譜聚類算法得到不同故障的聚類結(jié)果，為原始樣本數(shù)據(jù)加入類別標(biāo)簽即原始特征數(shù)據(jù)新加入一列，以新構(gòu)造的特征向量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層訓(xùn)練向量。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立分類器構(gòu)建故障預(yù)警評(píng)估模型，隱含層采用最常用的Sigmoidal函數(shù)作為激勵(lì)函數(shù)，該函數(shù)的非線性特性使得網(wǎng)絡(luò)具有任意精度的泛函逼近能力，通過MATLAB工具箱訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，把剩余的數(shù)據(jù)樣本作為測(cè)試集，對(duì)訓(xùn)練完畢的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。當(dāng)構(gòu)建好故障預(yù)警評(píng)估模型之后，對(duì)于新的數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)本模型評(píng)估當(dāng)前是否需要進(jìn)行故障預(yù)警。

4結(jié)語(yǔ)

本文所述的地鐵列車節(jié)點(diǎn)信號(hào)電壓采集記錄系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集任意節(jié)點(diǎn)的電壓情況，并記錄和分析電壓數(shù)據(jù)，從而達(dá)到評(píng)估地鐵節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)狀態(tài)的目的。根據(jù)測(cè)試情況，可對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)不穩(wěn)定的原因進(jìn)行排查，及時(shí)消除故障隱患，獲取故障時(shí)刻節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)情況，及時(shí)分析故障原因，研究解決措施，從而提高了地鐵列車設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，保障了地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。該套地鐵列車節(jié)點(diǎn)信號(hào)電壓采集記錄系統(tǒng)已在廣州地鐵投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄精準(zhǔn)，安全可靠，操作方便，制作成本低。采用該系統(tǒng)后，檢修人員加深了對(duì)節(jié)點(diǎn)電路和設(shè)備工作狀態(tài)的了解，并能針對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常問題提出解決措施，提升了設(shè)備質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]王英.地鐵信號(hào)安裝工程質(zhì)量缺陷分析及防治措施研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（02）：10-13.

（作者單位：成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司）