城市軌道交通車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

宋 杰

（中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，株洲 412001）

在軌道交通車輛運(yùn)用中，由于道路不平順、設(shè)備老化、設(shè)備失效、牽引傳動(dòng)設(shè)備故障等因素，會(huì)造成車輛運(yùn)行不平穩(wěn)。運(yùn)行在非理想狀態(tài)（輪對(duì)多邊形、制動(dòng)施加、軸承固死等），導(dǎo)致車輛或車載設(shè)備振動(dòng)加劇、溫度升高、設(shè)備功耗異常。在設(shè)備、部件勞損或故障情況下，一般需要對(duì)設(shè)備或部件進(jìn)行維修、更換。車輛運(yùn)用回庫(kù)后進(jìn)行檢查，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)設(shè)備的檢測(cè)；由于車輛回庫(kù)后設(shè)備的狀態(tài)與運(yùn)行中的狀態(tài)有差異，庫(kù)內(nèi)檢測(cè)很難完全表征設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)。同時(shí)，車輛回庫(kù)后設(shè)備專項(xiàng)檢測(cè)需要占用大量的檢修資源。

設(shè)備的狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)，可以通過噪聲、振動(dòng)、溫度、電流、功率、位移、位置、壓力等參數(shù)來表征；大部分參數(shù)均需要在設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。例如，采用加速度傳感器可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)的檢測(cè)，有效地避免設(shè)備的非計(jì)劃停機(jī)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命[1]；從理論出發(fā)，分析機(jī)電設(shè)備關(guān)鍵部件軸承的主要失效形式和分析技術(shù)[2]，實(shí)現(xiàn)軸承部件的監(jiān)測(cè)和診斷；基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]，保障設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)用。

本文從減少故障、提高運(yùn)用效率、延長(zhǎng)使用壽命、降低維護(hù)成本角度出發(fā)，綜合考慮項(xiàng)目要求和技術(shù)儲(chǔ)備，采用參數(shù)實(shí)時(shí)無(wú)線檢測(cè)的方式，設(shè)計(jì)城市軌道交通車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)和車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)終端、4G/Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、HTTP 服務(wù)器等設(shè)備、功能模塊組成，系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

通常情況下，檢測(cè)終端安裝在被測(cè)設(shè)備旁，例如，屏柜、司機(jī)室、底架等。車載4G/Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝在車輛內(nèi)，例如，屏柜、司機(jī)室等。HTTP 服務(wù)器及相關(guān)主機(jī)置于地面（機(jī)房）。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛及設(shè)備參數(shù)，通過無(wú)線傳輸至遠(yuǎn)端服務(wù)器，采用顯示終端實(shí)時(shí)顯示信息，實(shí)現(xiàn)車輛和車載設(shè)備及部件狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。檢測(cè)終端集成了嵌入式處理器和傳感器，實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，例如溫度、電壓、電流[6]、位置、壓力、振動(dòng)等[1]；4G/Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)車輛覆蓋[7]，以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸功能；HTTP 服務(wù)器實(shí)時(shí)匯聚檢測(cè)終端數(shù)據(jù)，并基于顯示終端的請(qǐng)求返回查詢的數(shù)據(jù)；顯示終端通過公共網(wǎng)絡(luò)訪問HTTP服務(wù)器，獲取并顯示狀態(tài)、告警、故障等信息。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 檢測(cè)終端

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，檢測(cè)終端基于CC3200 處理器平臺(tái)，分別集成溫度、位置等傳感器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)[8]。由于CC3200 集成了Wi-Fi 功能，工作在Station 模式，檢測(cè)終端通過車載Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接接入點(diǎn)（AP，Access Point）及公共網(wǎng)絡(luò)，采用HTTP POST方式實(shí)時(shí)發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)至HTTP 服務(wù)器。

2.1.1 溫度檢測(cè)

系統(tǒng)采用DS18B20 溫度傳感器檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的溫度。DS18B20 是常用的數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍為?55 ℃～+125 ℃。DS18B20 輸出的是單總線數(shù)字信號(hào)，硬件資源消耗低。DS18B20 具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，DS18B20 數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)數(shù)百米。在本應(yīng)用中，傳感器數(shù)據(jù)傳輸線纜最長(zhǎng)為9 m。

CC3200 處理器采用通用輸入輸出接口與DS18B20通信，獲取傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。傳感器溫度數(shù)據(jù)檢測(cè)流程如下：

（1）初始化軟件參數(shù)；

（2）檢測(cè)連接到總線的DS18B20 設(shè)備；

（3）讀取DS18B20 的ROM 地址；

（4）檢查設(shè)備供電模式；

（5）配置設(shè)備；

（6）讀取溫度。

溫度檢測(cè)終端，如圖2 所示。圖中，檢測(cè)終端上部的接口用于連接DS18B20 溫度傳感器，檢測(cè)終端具有IP65 防護(hù)等級(jí)。

圖2 溫度檢測(cè)終端

2.1.2 GNSS 數(shù)據(jù)解析

CC3200 處理器通過通用異步收發(fā)傳輸器（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）以9.6 kbps 的傳輸速率與GNSS 模塊通信，實(shí)時(shí)讀取GNSS 數(shù)據(jù)并解析出日期時(shí)間和位置信息。

檢測(cè)終端處理GNSS 解析數(shù)據(jù)的方法如下[9]：

（1）通過UART 接口隨機(jī)獲取一定長(zhǎng)度連續(xù)的GNSS 實(shí)時(shí)解析數(shù)據(jù)（大于等于最長(zhǎng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）；

（2）在解析數(shù)據(jù)中查詢關(guān)鍵字GNRMC，對(duì)關(guān)鍵字之后的數(shù)據(jù)通過標(biāo)識(shí)符“ ， ”或數(shù)個(gè)該標(biāo)識(shí)符確定信息在數(shù)據(jù)中的位置，以獲取日期和時(shí)間信息；

（3）在解析數(shù)據(jù)中查詢關(guān)鍵字GNGLL，并對(duì)關(guān)鍵字之后的數(shù)據(jù)通過關(guān)鍵字N、S、E、W 等獲取經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)。

2.1.3 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸

檢測(cè)終端中的CC3200 處理器設(shè)置Wi-Fi 協(xié)處理器狀態(tài)，并連接至車載網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi 接入點(diǎn)，通過公共網(wǎng)絡(luò)獲取遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP 地址；之后，采用HTTP POST 方式將獲取的傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。

在本系統(tǒng)中，檢測(cè)終端工作在站點(diǎn)模式，與接入點(diǎn)的通信流程如下[10]：

（1）設(shè)置無(wú)線處理器為默認(rèn)狀態(tài)，包含Station模式設(shè)置、自動(dòng)連接、DHCP 允許、發(fā)射功率設(shè)置、注銷mDNS 服務(wù)等；

（2）再次啟動(dòng)無(wú)線處理器sl_Start()，并以Station模式連接至Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)sl_WlanConnect()。

本系統(tǒng)中，檢測(cè)終端采用HTTP POST 方式通過Wi-Fi 接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，具體流程如下。

（1）采用服務(wù)器主機(jī)名通過域名服務(wù)系統(tǒng)DNS 獲取服務(wù)器以太網(wǎng)IP 地址sl_NetAppDnsGetHost-ByName()；

（2）創(chuàng)建與HTTP 服務(wù)器的連接；建立并發(fā)送HTTP 請(qǐng)求至HTTP 服務(wù)器；發(fā)送HTTP 頭域至HTTP-服務(wù)器；發(fā)送消息體（POST 數(shù)據(jù)）至HTTP 服務(wù)器；

（3）解析HTTP 服務(wù)器反饋的響應(yīng)數(shù)據(jù)，終止通話。

基于RESTful 架構(gòu)，采用CC3200 處理器平臺(tái)軟件開發(fā)包中的SimpleLinkTM驅(qū)動(dòng)和案例程序，構(gòu)建了HTTP 客戶端，采用POST 方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)無(wú)線傳送。

2.2 車輛Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

采用4G/Wi-Fi 路由器，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛的Wi-Fi 覆蓋；采用4G/3G/2G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 和4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

本系統(tǒng)應(yīng)用案例中，城市軌道交通車輛的編組情況為Mc1+T1+M1-M2+T2+Mc2。4G/Wi-Fi 路由器安裝于T1 和T2 電器柜，采用車內(nèi)AC 220 V 輔助電源供電。為了增強(qiáng)路由器遠(yuǎn)端的Wi-Fi 信號(hào)，消除通信盲區(qū)，系統(tǒng)采用Wi-Fi 中繼器擴(kuò)展無(wú)線Wi-Fi 覆蓋范圍。Wi-Fi 中繼器安裝于Mc1、M1、M2、Mc2 電器柜或空調(diào)柜中，由車內(nèi)屏柜內(nèi)的AC 220 V 輔助電源供電。4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器安裝效果，如圖3 所示。

圖3 安裝于車輛屏柜的4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器

對(duì)于短編組的車輛，需要減少4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器數(shù)量。對(duì)于長(zhǎng)編組的車輛，需要增加4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器的數(shù)量。實(shí)際應(yīng)用情況表明，在確保系統(tǒng)符合車載設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的情況下，當(dāng)4G/Wi-Fi 路由器安裝在兩節(jié)車廂連接處時(shí)，相鄰的兩節(jié)車廂具有較好的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

車內(nèi)可以布置網(wǎng)絡(luò)線纜的應(yīng)用，在路由器和中繼器或其他接入點(diǎn)間通過有線網(wǎng)絡(luò)連接，在減少4G/Wi-Fi 路由器的數(shù)量的同時(shí)，提高了車內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可用性。

2.3 HTTP 服務(wù)器

（1）基于用戶需求和項(xiàng)目應(yīng)用要求，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的HTTP 服務(wù)器采用HTTP RESTful 架構(gòu)，采用HTTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯聚和存儲(chǔ)；

（2）采用分類、排序、統(tǒng)計(jì)、擬合、濾波等方法，或運(yùn)用相關(guān)算法，服務(wù)器對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、故障告警，以及預(yù)警等功能[11]，對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)；

（3）系統(tǒng)參照預(yù)設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，綜合時(shí)間、位置、線路、環(huán)境、天氣等應(yīng)用條件，最終采用數(shù)字、表格和圖形等方式在終端顯示。

3 測(cè)試和優(yōu)化

3.1 無(wú)線通信測(cè)試

對(duì)于無(wú)線Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，本文中采用Wi-Fi Analyzer 等專業(yè)軟件進(jìn)行Wi-Fi 信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。本項(xiàng)目中，AP 分別安裝在T1 和T2 的電器柜內(nèi)，采用默認(rèn)設(shè)置，車輛庫(kù)內(nèi)靜止情況下，所測(cè)試的近場(chǎng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度為?26 dBm，底架檢測(cè)終端處Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度介于?55 ~ ?75 dBm 間。

在測(cè)試階段，可以采用公共的HTTP 服務(wù)器測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)終端的功能測(cè)試。

在本系統(tǒng)應(yīng)用中，經(jīng)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)終端HTTP POST 方式發(fā)送溫度數(shù)據(jù)或位置數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)端服務(wù)器，每個(gè)檢測(cè)終端每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量小于5 KByte。

3.2 車載網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

在車輛T1 和T2 電器柜內(nèi)分別安裝Wi-Fi AP，在M1 和M2 電器柜內(nèi)加裝Wi-Fi 中繼器，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)車輛載客運(yùn)營(yíng)時(shí)檢測(cè)終端數(shù)據(jù)傳輸情況，如圖4 所示。

圖4 有效數(shù)據(jù)成功傳輸率數(shù)據(jù)

圖4 中橫坐標(biāo)表示相應(yīng)的檢測(cè)終端，間接描述了檢測(cè)終端安裝的大致位置。虛線為未安裝Wi-Fi 中繼器的終端數(shù)據(jù)傳輸情況，實(shí)線為安裝Wi-Fi 中繼器后的終端數(shù)據(jù)傳輸情況。從圖4 中可看出，檢測(cè)終端越靠近AP，有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例越高；增加中繼器有效擴(kuò)大了原Wi-Fi 信號(hào)覆蓋區(qū)域（即增強(qiáng)了該區(qū)域Wi-Fi 信號(hào)強(qiáng)度），提高Wi-Fi 信號(hào)覆蓋區(qū)域有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例。與此相似，在Mc1 和Mc2 分別加裝Wi-Fi 中繼器后，Mc1 和Mc2 的有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例均相應(yīng)提高。

從圖4 中可看出，兩個(gè)AP 處整體有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例有差異，主要原因是兩個(gè)AP 分別使用了不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)。需要說明的是，實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，在車輛Wi-Fi 信號(hào)全覆蓋的情況下，有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例與車輛運(yùn)行線路的移動(dòng)通信信號(hào)狀況成正相關(guān)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 車輛位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

車輛內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)集成了GNSS 功能，實(shí)現(xiàn)車輛位置的實(shí)時(shí)記錄和傳輸功能。但該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無(wú)法共享給其他應(yīng)用方。

本系統(tǒng)通過在檢測(cè)終端增加GNSS 模塊實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的車輛實(shí)時(shí)定位功能。集成了GNSS 模塊的檢測(cè)終端采用車載輔助供電系統(tǒng)供電，通過車載Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)定時(shí)發(fā)送車輛實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)至服務(wù)器。該系統(tǒng)可安裝在司機(jī)室前端、客室屏柜等位置。

客戶端通過調(diào)用服務(wù)器的通用接口，實(shí)時(shí)獲取車輛位置信息，采用瀏覽器地圖或應(yīng)用軟件的方式實(shí)現(xiàn)車輛位置信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

4.2 車輛走行部溫度監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)采集走行部軸承和電機(jī)的溫度[12]。溫度檢測(cè)終端安裝于車體底架，采用線纜連接溫度傳感器，溫度傳感器通過粘接方式或通過工藝孔物理連接至被測(cè)設(shè)備。溫度傳感器節(jié)點(diǎn)通過粘接方式安裝于軸端、抱軸箱、齒輪箱、電機(jī)等表面或通過工藝孔物理連接至被測(cè)物體表面。車輛走行部溫度監(jiān)測(cè)，如圖5 所示。

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的走行部溫度檢測(cè)終端具有極低的功耗，較低的數(shù)據(jù)流量。溫度檢測(cè)終端采用低功耗運(yùn)行模式，在信息采集及與服務(wù)器通信之后，立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省電量。溫度檢測(cè)終端根據(jù)休眠前的配置，在一定時(shí)間后再次啟動(dòng)，圖6 表示車輛軸承軸箱監(jiān)測(cè)點(diǎn)某天的溫度監(jiān)測(cè)情況。

從圖6 中可看出，該軸承軸箱某天的溫度曲線，先上升，再下降；溫度最高值低于50 ℃，遠(yuǎn)低于告警閾值；在圖中118 點(diǎn)處，溫度直線下降，表明車輛在117 點(diǎn)～118 點(diǎn)期間處于未運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合時(shí)間信息，可知車輛的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)（系統(tǒng)在車輛未上電工作情況下，不上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，在14：30～16：30 時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度較高。系統(tǒng)應(yīng)用中，綜合環(huán)境信息和溫濕度變化，可動(dòng)態(tài)設(shè)置預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備狀態(tài)精確告警、預(yù)警。

系統(tǒng)應(yīng)用于走行部溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)及無(wú)線傳輸功能[13]，突破了車輛回庫(kù)后再由人工檢測(cè)溫度或讀取溫度試紙最高溫度的局限，提升了檢修工作的效率。基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)信息動(dòng)態(tài)顯示和故障告警功能。運(yùn)用情況表明，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確、高效識(shí)別故障點(diǎn)；輔助經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)故障和故障點(diǎn)。

4.3 智能數(shù)據(jù)處理

對(duì)于采集的大量傳感數(shù)據(jù)，基于相應(yīng)的閾值進(jìn)行分析判斷，即可高效、準(zhǔn)確地確定故障點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)不同網(wǎng)絡(luò)配置、時(shí)段、線路、區(qū)間、天氣等情況下車輛被檢測(cè)設(shè)備和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)傳輸情況，分析比對(duì)，以確定本監(jiān)測(cè)設(shè)備和本系統(tǒng)在相應(yīng)情況下的狀態(tài)。采用濾波、擬合、分類等算法，以及針對(duì)被測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)模型，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，判斷設(shè)備狀態(tài)，輔助設(shè)備檢修；依據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，輔助于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用特征降維、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法[14]，可以高效預(yù)測(cè)故障和故障點(diǎn)，為設(shè)備或部件預(yù)防性維修提供依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了層次化、模塊化、功能化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了車輛狀態(tài)和車載設(shè)備信息的實(shí)時(shí)無(wú)線檢測(cè)、傳輸、顯示。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于城市軌道交通車輛，已穩(wěn)定運(yùn)行50 余萬(wàn)km。實(shí)際運(yùn)用情況表明，基于監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以?shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的告警預(yù)警功能。該系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了車輛和設(shè)備日常檢修的效率，有助于設(shè)備或部件的預(yù)防性維修。