機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

王永軍

摘要：該方案的目標(biāo)是利用高性能多核嵌入式處理器（MCEP）實(shí)現(xiàn)列車(chē)控制和通信系統(tǒng)的自動(dòng)化。這種方法克服了現(xiàn)有方法所面臨的困難，如檢測(cè)軌道裂紋、監(jiān)測(cè)軌道間距、車(chē)廂監(jiān)測(cè)、車(chē)廂內(nèi)火災(zāi)和煙霧監(jiān)測(cè)。隨著無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）和基于高能激光的超聲波技術(shù)的出現(xiàn)，列車(chē)自動(dòng)化（TA）可以靈活地實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)管理和對(duì)列車(chē)運(yùn)行異常情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免延誤和事故的發(fā)生。在無(wú)線技術(shù)的發(fā)展幫助下，所有的參數(shù)都將在電力機(jī)車(chē)引擎公司進(jìn)行處理、控制和管理。多核嵌入式處理器（MCEP）在多核嵌入式軟件幫助下，對(duì)所有接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，以提高處理速度。

關(guān)鍵詞：機(jī)車(chē)監(jiān)控;數(shù)據(jù)分析;質(zhì)量控制

0? 引言

近年來(lái)多臺(tái)機(jī)組采用電氣隔離開(kāi)關(guān)，但仍采用手動(dòng)直接控制方式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)鐵路機(jī)車(chē)系統(tǒng)，由于整個(gè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中誤用人員造成的傷亡人數(shù)達(dá)數(shù)十起。因此，為了加快整個(gè)電力機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)商的變革，通過(guò)檢測(cè)落后的維護(hù)情況，降低系統(tǒng)成本，在控制方面與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研究有很大不同，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于安全現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和硬件監(jiān)控系統(tǒng)，集中管理了軌道（站臺(tái)）的分散控制，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的開(kāi)放、分散和數(shù)字化通信。

1? 機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置發(fā)展概述

1.1 發(fā)展背景

由于國(guó)內(nèi)電力機(jī)車(chē)整個(gè)市場(chǎng)主要依靠人工控制操作，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控操作時(shí)的情況。針對(duì)事故發(fā)生的潛在原因，通過(guò)調(diào)查研究，開(kāi)發(fā)由全集團(tuán)運(yùn)營(yíng)的電力機(jī)車(chē)車(chē)輛安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以改變傳統(tǒng)的由全集團(tuán)運(yùn)營(yíng)的機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)管理和斷開(kāi)機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)的維護(hù)方式，大大減少整個(gè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間，提高工作效率，保證人身安全。它在鐵路安全生產(chǎn)中起著重要作用。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

采用單片機(jī)或控制器對(duì)大客車(chē)火災(zāi)事故及其他異常情況進(jìn)行跟蹤處理，可能產(chǎn)生延遲較大、響應(yīng)較慢的輸出。手動(dòng)監(jiān)測(cè)電子元件的電學(xué)和熱學(xué)參數(shù)水平將不是一種有效的方法。手工檢測(cè)軌道裂紋和檢查軌道尺寸不能提供良好的效果。雖然現(xiàn)代列車(chē)已經(jīng)采用了最新的技術(shù)來(lái)運(yùn)行和控制列車(chē)，MCEP與其他方法的結(jié)合肯定會(huì)提供健壯和精確的操作。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)思路分析

在本文提到的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)采用MCEP與其他模塊一起實(shí)現(xiàn)列車(chē)自動(dòng)化，減少了人為操作失誤，降低了功耗，提高了系統(tǒng)的可靠性和快速運(yùn)行。它由執(zhí)行列車(chē)運(yùn)行的硬件和軟件模塊組成。系統(tǒng)由多個(gè)功能單元組成，包括基于激光的超聲鋼軌缺陷檢測(cè)單元、軌道尺寸監(jiān)測(cè)單元、電機(jī)控制單元、ELE電氣和機(jī)械特性監(jiān)測(cè)及車(chē)廂無(wú)線監(jiān)測(cè)單元、多核嵌入式處理器中央單元等。MCEP起著至關(guān)重要的作用，也就是說(shuō)，它是這個(gè)系統(tǒng)的核心。各功能單元可以采用有線和無(wú)線方式與MCEP進(jìn)行鏈接。

2? 機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制系統(tǒng)硬件模塊的開(kāi)發(fā)

2.1 多核嵌入式處理器（MCEP）

許多嵌入式處理器都是在單個(gè)硅芯片上制造的。大的工作將被分成更多的任務(wù)和優(yōu)先級(jí)。每個(gè)任務(wù)將利用相應(yīng)的處理器，并快速實(shí)時(shí)地執(zhí)行它們的應(yīng)用程序。由于 MCEP，如果一個(gè)處理器出現(xiàn)故障，自動(dòng)運(yùn)行的任務(wù)可以毫不延遲地切換到其他處理器。因此，系統(tǒng)的整體效率和響應(yīng)將得到提高。

2.2 基于激光非接觸式超聲波軌道缺陷檢測(cè)控制單元

事實(shí)上，由于軌道斷裂而導(dǎo)致的火車(chē)脫軌現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生。缺陷監(jiān)測(cè)可能受到以下因素的影響：鋼軌表面狀況、鋼軌軌頭幾何形狀、缺陷幾何形狀和方向、傳感器引入的電氣和/或機(jī)械噪聲以及傳感器與鋼軌表面耦合不足。為了避免這個(gè)問(wèn)題，提出了基于非接觸式脈沖激光的超聲鋼軌缺陷檢測(cè)方法。特別地，這種方法，包括一個(gè)脈沖激光器和一個(gè)空氣耦合的傳感器將被安裝在電子元件的前端。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：①能夠靈活地發(fā)現(xiàn)用目前鐵路行業(yè)可用的方法無(wú)法檢測(cè)到的裂紋;②檢查是非接觸和遠(yuǎn)距離的;③鐵路表面的氧化物或油的存在增強(qiáng)了激光的產(chǎn)生;④檢查速度可以高于接觸法。這個(gè)單元的輸出將被反饋到MCEP的一個(gè)輸入進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2.3 鐵路軌道尺寸監(jiān)測(cè)單元

軌道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)軌道的沉降、扭轉(zhuǎn)和軌道間距，保證軌道的安全運(yùn)行。當(dāng)附近的建筑活動(dòng)，例如隧道工程或開(kāi)挖工程，可能影響鐵軌的安全時(shí)，便會(huì)安裝上述系統(tǒng)。同時(shí)系統(tǒng)也安裝在穿越受到山體滑坡或洪水威脅地區(qū)的軌道上。由于軌道沉降傳感器和軌道扭轉(zhuǎn)傳感器的可用性，該系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道，然后數(shù)據(jù)將無(wú)線傳輸?shù)組CEP，以便進(jìn)一步處理，向列車(chē)控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

2.4 溫度及煙霧監(jiān)測(cè)裝置

利用客車(chē)上的無(wú)線溫度煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)，在車(chē)廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、冒煙時(shí)，機(jī)車(chē)自動(dòng)停車(chē)。這些節(jié)點(diǎn)包括傳感器，射頻收發(fā)器，微控制器和電力收割機(jī)，即太陽(yáng)能電池。在本文系統(tǒng)的微控制器總是實(shí)時(shí)檢測(cè)閾值，如果有煙霧，就迅速將數(shù)據(jù)發(fā)送到MCEP單元的接收部分進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.5 其他硬件設(shè)備

受電弓，直流系列電動(dòng)機(jī)，水龍頭變壓器將自動(dòng)操作和控制的MCEP。在沒(méi)有機(jī)車(chē)駕駛員和大巴警衛(wèi)的情況下，在實(shí)時(shí)和電壓/電流水平監(jiān)測(cè)中，機(jī)車(chē)和車(chē)廂的剎車(chē)將使用MCEP，并在相應(yīng)位置放置各自的傳感器。使用無(wú)線電模塊，艙室將被監(jiān)測(cè)使用距離或接近傳感器節(jié)點(diǎn)在2個(gè)艙室連接點(diǎn)。鐵路軸承聲學(xué)監(jiān)測(cè)采用先進(jìn)的聲學(xué)技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析和內(nèi)置的趨勢(shì)軟件，監(jiān)測(cè)軸承缺陷，以獲得最佳的軌道網(wǎng)絡(luò)性能。如果軸承有任何缺陷，機(jī)車(chē)將被停止。散熱將被監(jiān)測(cè)使用溫度傳感器在電子元件。

2.6 系統(tǒng)通信系統(tǒng)設(shè)備

在通信系統(tǒng)模塊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)件開(kāi)發(fā)使用組態(tài)王6.52，微軟office Access數(shù)據(jù)庫(kù)，建立數(shù)據(jù)連接使用ODBC數(shù)據(jù)源，主要點(diǎn)PLC使用pc適配器（適配器），MPI接口S7-315-2DP PLC，電力機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)是通過(guò)pc PLC單元控制通過(guò)操作整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，并對(duì)所有設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。整個(gè)操作過(guò)程都是人機(jī)安全控制，機(jī)車(chē)頂部操作的統(tǒng)計(jì)數(shù)字將采用無(wú)線設(shè)備移動(dòng)工人實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂朴?jì)算機(jī)，從而保證了維修人員的質(zhì)量、維修人員的安全和設(shè)備的安全。當(dāng)PC主動(dòng)操作時(shí)，如果成功連接到系統(tǒng)，指示燈顯示綠色，如果故障，指示燈顯示紅色。

在系統(tǒng)通信系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)顯示控制可以集成在線監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，控制臺(tái)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示百年“開(kāi)閉”狀態(tài)。動(dòng)態(tài)顯示控制臺(tái)可以集成監(jiān)控設(shè)備屋頂門(mén)的狀態(tài)，控制臺(tái)可以動(dòng)態(tài)顯示綜合監(jiān)控設(shè)備屋頂門(mén)鑰匙聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)的位置，控制臺(tái)可以動(dòng)態(tài)顯示屋頂工作人員的狀態(tài)歷史查詢(xún)，可以操作歷史記錄。操作所記錄的全部印刷品，可以通過(guò)操作所記錄的全部印刷品來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制界面實(shí)現(xiàn)了通信，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)顯示和控制界面與監(jiān)控中心交換機(jī)的通信。

3? 機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制系統(tǒng)軟件模塊的開(kāi)發(fā)

多核體系結(jié)構(gòu)有一個(gè)單獨(dú)的處理器包，包含兩個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行核心或計(jì)算引擎，并通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖耆⑿械貓?zhí)行多個(gè)軟件線程來(lái)交付。超線程技術(shù)允許額外的線程對(duì)每個(gè)核心進(jìn)行操作。多核處理器的編程語(yǔ)言也可以用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。MCEP鼓勵(lì)基于最高優(yōu)先級(jí)的多處理。由于對(duì)每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)考慮，任務(wù)應(yīng)該被唯一地排列優(yōu)先級(jí)。為基于MCEP的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了良好的平臺(tái)。

軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少了軟件工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，可以提高系統(tǒng)的可靠性。編寫(xiě)全電力機(jī)車(chē)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：主從網(wǎng)絡(luò)配置模塊、非接觸式ID卡操作管理模塊，以及從站PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換模塊、站PLC電機(jī)控制模塊的實(shí)現(xiàn)，以及幾個(gè)主要模塊的設(shè)計(jì)。

主機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王6.52開(kāi)發(fā)，運(yùn)行在Windows XP平臺(tái)上。在組態(tài)軟件的選擇上，采用北京控制自動(dòng)化軟件技術(shù)公司組態(tài)王軟件進(jìn)行了分析比較。它具有操作簡(jiǎn)單靈活的視覺(jué)界面、實(shí)時(shí)性、良好的并行處理能力、豐富的多媒體生動(dòng)畫(huà)面、完善的安全機(jī)制、報(bào)警功能等多種多樣的優(yōu)點(diǎn)。采用合理的配置后，自動(dòng)控制模式在大型計(jì)算機(jī)中可視化顯示，方便觀察機(jī)車(chē)檢修的全過(guò)程，實(shí)時(shí)監(jiān)控。所以在引入工業(yè)控制組態(tài)軟件的過(guò)程中是必不可少的，它使得控制更加直觀、更加安全。在實(shí)現(xiàn)方法中重點(diǎn)放在四個(gè)方面：圖形、界面設(shè)置、渲染各種圖形符號(hào);實(shí)現(xiàn)圖形和控制界面之間對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)設(shè)置;動(dòng)態(tài)生成數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史記錄、語(yǔ)句等;實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

在系統(tǒng)配置方面，安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，相關(guān)的通信有：主站PLC與PC機(jī)組態(tài)軟件之間的通信由站PLC與IC卡之間的通信以及站PLC與微控制器之間的通信。主站PLC（S7-315-2DP）與PC組態(tài)軟件通信僅在組態(tài)王設(shè)備中選用PLC/Siemens/S7-300系列Profibus-DP，然后在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中將PLC定義為變量和相應(yīng)的I/O變量。PLC與主站通信，主站選用S7-300 PLC，SIMATIC S7-300系列PLC協(xié)議MPI支持協(xié)議與西門(mén)子S7-300系列PLC通信監(jiān)控軟件。需要您的計(jì)算機(jī)安裝或使用MPI PC-Card適配器。

系統(tǒng)中的通信控制改變了傳統(tǒng)的手動(dòng)操作模式，消除了潛在的安全問(wèn)題。采用PLC控制技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)了整個(gè)人機(jī)操作過(guò)程中的安全控制，充分保證了人身安全和設(shè)備的安全。同時(shí)，攝像裝置和工作條件的實(shí)時(shí)傳輸準(zhǔn)確，更好地保證了整個(gè)運(yùn)行的質(zhì)量和安全性。在電力機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組監(jiān)控系統(tǒng)中，采用視頻采集技術(shù)將為運(yùn)行高峰期機(jī)車(chē)操作人員傳輸實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)觀測(cè)分析，從而保證維修人員在標(biāo)準(zhǔn)的操作秩序下操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)控制的安全，保護(hù)人身安全、設(shè)備安全和工作質(zhì)量具有重要意義，但也具有較高的推廣價(jià)值，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益不容低估。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，MCEP的出現(xiàn)可以控制列車(chē)的所有參數(shù)、鋼軌缺陷檢測(cè)等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了相對(duì)完善的功能測(cè)試，取得了良好的效果。整個(gè)電力機(jī)車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)包括一些功能模塊，以及監(jiān)控軟件對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行全過(guò)程的記錄采集，上位操作視頻采集，身份證信息管理，歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，打印等功能齊全，使用方便。電力機(jī)車(chē)的發(fā)展通過(guò)對(duì)運(yùn)行安全的群監(jiān)控系統(tǒng)改變了長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)電力的維護(hù)，通過(guò)對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的管理和切斷機(jī)車(chē)運(yùn)行的整個(gè)監(jiān)控模式，保證了人身安全，提高了工作效率，在鐵路安全生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。該監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)一步的研究為整個(gè)電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行提供了一個(gè)新的思路，該系統(tǒng)也具有實(shí)用價(jià)值和良好的推廣前景。

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