動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備性能檢測(cè)系統(tǒng)

蔣曉鴿

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 南寧通信段，工程師，廣西 南寧 530029）

1 引言

隨著鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，動(dòng)車(chē)組信號(hào)設(shè)備故障已經(jīng)成為影響鐵路運(yùn)輸發(fā)展的瓶頸。動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間使用的過(guò)程中，BTM天線發(fā)射的能量存在波動(dòng)或降低的可能。該能量信號(hào)用于激活地面的應(yīng)答器工作，是BTM設(shè)備工作的關(guān)鍵信號(hào)，其強(qiáng)度大小也是關(guān)鍵性能指標(biāo)。在一定的范圍內(nèi)，能夠保證BTM設(shè)備正常的激活地面應(yīng)答器并接收應(yīng)答器報(bào)文信息，當(dāng)性能下降時(shí)，BTM設(shè)備存在隱患，不能可靠激活應(yīng)答器并接收應(yīng)答器信息，這時(shí)需要及時(shí)提醒用戶對(duì)BTM設(shè)備進(jìn)行檢查。因此，對(duì)信號(hào)設(shè)備性能預(yù)判，對(duì)可能出故障的設(shè)備做故障前的預(yù)防維修，成為了提升鐵路運(yùn)輸效能的必要途徑。車(chē)載BTM設(shè)備是動(dòng)車(chē)組車(chē)載設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備之一，在車(chē)載設(shè)備常見(jiàn)的故障中，BTM相關(guān)的故障占相當(dāng)大的一部分。現(xiàn)有的維護(hù)工作往往只有故障后的“處理”，缺少故障前的預(yù)防維修。如何通過(guò)一些簡(jiǎn)單、可靠、高效的手段，對(duì)車(chē)載BTM設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)情況對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)做出故障預(yù)測(cè)，最大限度的降低對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊?，成為我們必須研究的課題。

2 當(dāng)前檢修手段和問(wèn)題

2.1 當(dāng)前檢修手段

目前對(duì)于動(dòng)車(chē)車(chē)載BTM設(shè)備的檢修和維護(hù)主要通過(guò)以下方法：外觀檢查、上電自檢、檢修人員在BTM天線下方晃動(dòng)應(yīng)答器然后觀察BTM狀態(tài)指示燈、記錄器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)分析。

2.2 存在問(wèn)題

2.2.1 危害健康 工作人員長(zhǎng)期經(jīng)常性的接觸BTM天線進(jìn)行檢修，天線的輻射危害身體健康，而且存在強(qiáng)電危險(xiǎn)。

2.2.2 潛在問(wèn)題無(wú)法發(fā)現(xiàn) 工作人員在檢修過(guò)程中只能定性的發(fā)現(xiàn)設(shè)備是否故障，而不能發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛在問(wèn)題。比如：BTM天線的安裝高度降低、BTM天線的發(fā)射能量降低，都無(wú)法從日常的檢修過(guò)程中準(zhǔn)確的判斷出來(lái)。

2.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)缺陷 工作人員進(jìn)行檢修工作中缺乏對(duì)檢修數(shù)據(jù)長(zhǎng)期的記錄、統(tǒng)計(jì)分析、故障預(yù)警。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案

為切實(shí)解決問(wèn)題，提出動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備性能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要完成對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備進(jìn)行出入庫(kù)檢測(cè)。系統(tǒng)由軌旁處理中心、接收單元、機(jī)車(chē)識(shí)別單元、電子標(biāo)簽、BTM檢測(cè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)終端組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

機(jī)車(chē)識(shí)別單元由RFID讀取器構(gòu)成，主要用于獲取電子標(biāo)簽里的機(jī)車(chē)信息，即車(chē)（端）號(hào)。

接收單元由接收天線和高度計(jì)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)BTM天線能量的測(cè)量以及BTM天線安裝高度的測(cè)量。

軌旁處理中心作為數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)的平臺(tái)，一方面為接收單元和機(jī)車(chē)識(shí)別單元提供電源及開(kāi)啟時(shí)機(jī)指令，另一方面通過(guò)有線或無(wú)線的方式向檢測(cè)服務(wù)器回傳數(shù)據(jù)。

BTM檢測(cè)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判定，并將結(jié)果推送至數(shù)據(jù)終端。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

軌旁設(shè)備和軌內(nèi)設(shè)備相當(dāng)于一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)：機(jī)車(chē)通過(guò)檢測(cè)區(qū)域的過(guò)程中車(chē)輪首先通過(guò)磁鋼，磁鋼發(fā)射脈沖信號(hào)給啟動(dòng)單元，處理器單元通過(guò)啟動(dòng)單元檢測(cè)到機(jī)車(chē)駛?cè)牒髥?dòng)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)始執(zhí)行測(cè)試。

車(chē)號(hào)識(shí)別：檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，處理器單元會(huì)給電子標(biāo)簽讀取裝置發(fā)送開(kāi)機(jī)命令，電子標(biāo)簽讀取裝置通過(guò)電子標(biāo)簽讀取天線發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，并解析電子標(biāo)簽信息，列車(chē)通過(guò)后電子標(biāo)簽讀取裝置將解析的信息通過(guò)串口發(fā)送給軌旁處理中心。

高度測(cè)量：高度測(cè)量模式實(shí)時(shí)采集BTM天線高度的變化，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)發(fā)送給軌旁處理中心，軌旁處理中心通過(guò)高度測(cè)量單元將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為高度值。

能量及頻率測(cè)量：系統(tǒng)通過(guò)庫(kù)檢環(huán)線接收BTM天線發(fā)射的能量，并通過(guò)同軸線纜傳輸至軌旁處理中心的27M信號(hào)接收和處理單元，處理器單元通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理，從而測(cè)得頻率和能量。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明 系統(tǒng)客戶端軟件及臺(tái)賬軟件均采用VisualStudio2013開(kāi)發(fā)，界面用xmal語(yǔ)言編寫(xiě)，框架為WPF框架，可以在Windows7及以上平臺(tái)運(yùn)行。軟件主體架構(gòu)采用MVVM（Model、View、View-Model）三層架構(gòu)。

Model層：數(shù)據(jù)層；View層：實(shí)現(xiàn)UI界面操作與View-Model的命令綁定，屬性的雙向綁定；View-Model層：直接與界面綁定的中間層，實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯。

3.3.2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)分為四個(gè)層次，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、業(yè)務(wù)邏輯層、安全服務(wù)層以及應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

客戶端軟件作為人機(jī)交互終端，用來(lái)監(jiān)測(cè)各軌旁處理中心的工作狀態(tài)、監(jiān)視列車(chē)通過(guò)信息以及測(cè)試結(jié)果、事件管理、實(shí)時(shí)事件監(jiān)測(cè)、歷史事件查詢、BTM高級(jí)分析、BTM數(shù)據(jù)查詢。

4 方案實(shí)施

4.1 現(xiàn)場(chǎng)部署

動(dòng)車(chē)組車(chē)（端）號(hào)等機(jī)車(chē)信息是固定不變的，均存儲(chǔ)在車(chē)底頭部安裝的電子標(biāo)簽內(nèi)。電子標(biāo)簽類(lèi)似于每輛車(chē)的“身份證”，里面存儲(chǔ)有機(jī)車(chē)的車(chē)型、車(chē)號(hào)、車(chē)端等信息，利用該電子標(biāo)簽即可實(shí)現(xiàn)列車(chē)車(chē)號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。該電子標(biāo)簽可以是現(xiàn)有ATIS（鐵路車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）的電子標(biāo)簽，也可以根據(jù)實(shí)際需求安裝。

每組動(dòng)車(chē)根據(jù)走行公里的不同進(jìn)庫(kù)檢修作業(yè)也不同，一般是一至三天均需進(jìn)庫(kù)進(jìn)行一、二級(jí)檢修作業(yè)，因此可考慮在動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)至檢修庫(kù)的線路咽喉處布設(shè)本系統(tǒng)，在車(chē)組經(jīng)過(guò)時(shí)即對(duì)天線能量大小和高度變化進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)將機(jī)車(chē)信息與測(cè)試數(shù)據(jù)打包回傳，服務(wù)器對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并與本組車(chē)的上一次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判定是否超出閾值范圍，同時(shí)向客戶端推送結(jié)果及預(yù)測(cè)變化曲線?，F(xiàn)場(chǎng)部署如圖4所示，接收單元及機(jī)車(chē)識(shí)別單元均采用高鐵線路應(yīng)答器外觀模具及安裝標(biāo)準(zhǔn)，軌旁處理中心采用信號(hào)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的XB箱盒安裝標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)布置效果圖

4.2 功能測(cè)試

4.2.1 測(cè)試BTM天線能量 當(dāng)列車(chē)從接收單元上方經(jīng)過(guò)的時(shí)候，軌旁處理中心通過(guò)27M信號(hào)接收和處理單元實(shí)時(shí)采集BTM天線發(fā)射的能量。

在采集的過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)采集到的能量值進(jìn)行比較，并記錄下最大值，該最大值即為BTM天線的能量。

4.2.2 測(cè)量BTM天線高度 列車(chē)從接收單元上經(jīng)過(guò)時(shí)，軌旁處理中心會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行高度測(cè)量。但是，當(dāng)BTM天線在接收單元的正上方時(shí)測(cè)得的高度才是BTM天線的高度，其余測(cè)量到的都是車(chē)底距離應(yīng)答器的高度。因此，需要通過(guò)某些測(cè)試方法獲取到BTM天線到達(dá)接收單元上方的時(shí)刻。如圖5所示，列車(chē)通過(guò)接收單元時(shí)，接收單元檢測(cè)到的能量變化如圖5中e0曲線所示，能量最大的時(shí)刻就是BTM天線在接收單元正上方的時(shí)刻。

圖5 接收能量變化趨勢(shì)

當(dāng)列車(chē)從接收單元上經(jīng)過(guò)的過(guò)程中，軌旁處理中心必須實(shí)時(shí)比較采集到的能量值，并記錄下能量最大時(shí)測(cè)得的高度值，該高度值即為BTM天線距離應(yīng)答器的高度值。

4.2.3 BTM設(shè)備性能預(yù)判 列車(chē)在每次出入庫(kù)的時(shí)候，該系統(tǒng)都可以對(duì)列車(chē)進(jìn)行智能檢測(cè)，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)BTM設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和分析，可以繪制出列車(chē)BTM設(shè)備整個(gè)生命周期的性能變化趨勢(shì)（如圖6），當(dāng)檢測(cè)到BTM設(shè)備性能到達(dá)臨界狀態(tài)時(shí)，BTM檢測(cè)服務(wù)器可以向數(shù)據(jù)終端發(fā)送性能預(yù)判信息，提示檢修人員進(jìn)行檢修。

圖6 客戶端軟件性能趨勢(shì)界面

5 結(jié)論

動(dòng)車(chē)組車(chē)載BTM設(shè)備性能檢測(cè)系統(tǒng)可以在列車(chē)出入庫(kù)時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)BTM天線能量和高度的測(cè)試，并可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)BTM性能變化趨勢(shì)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)BTM性能變化趨勢(shì)給出性能預(yù)判。因此，通過(guò)該系統(tǒng)，檢修人員可以在故障發(fā)生前就對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，排除故障，可極大的降低BTM設(shè)備的故障率。

本系統(tǒng)不需要維護(hù)人員投入較多的工作，對(duì)現(xiàn)有維護(hù)任務(wù)并不會(huì)造成影響，同時(shí)可以減少維護(hù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行人工測(cè)量的工作，提高設(shè)備檢測(cè)效率。