軸溫探測設備綜合監測系統的設計與應用

王 勇，陳軍華，張樹國，徐 彬

（1.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044； 2. 大準鐵路公司，鄂爾多斯 017000）

軸溫探測系統（THDS）是利用軌邊探頭實時檢測運行車輛的軸承溫度，及時發現車輛熱軸，防止燃切軸，確保鐵路運輸安全的重要設施[1]。目前，紅外線探測設備已達5 000多臺，全路建立了18個鐵路局（公司）車輛運行安全中心監測站，負責該系統的報文分析和熱軸預報。軸溫智能探測系統在我國的發展中經歷了4代[2]，當前使用的第3、第4代THDS都擁有一定的自檢功能[3]，但它們只能解決設備檢測維護過程中的少部分故障，可靠性差，并且這些自檢系統的功能主要體現在發現設備的故障上，在解決問題消除故障的這一環節上明顯力不從心。因此，有必要開發出一個相對獨立于THDS，并對它全面監測的綜合監測系統，發現其運行過程中的故障，解決存在的問題。

1 綜合監測系統的設計

1.1 系統設計思路

THDS綜合監測系統采用數據采集技術、多媒體應用技術與網絡通信技術等對THDS的探測站電源系統、計軸計輛系統、軸溫探測主機、通信系統、室外硬件系統和防盜門實施“遙測、遙信、遙控、遙調、遙視”；針對THDS探測站的特色實現告警聯動、采集數據與視頻數據的壓縮存儲、傳輸和自動處理，從而達到資源共享，為THDS各級管理人員、維修人員和決策者提供方便、快捷、有效的服務。

1.2 系統功能分析

通過對THDS的故障分析和總結，我們把紅外線軸溫探測站常見故障大致分6類：（1）電源系統故障；（2）計軸計輛系統故障；（3）軸溫探測主機故障；（4）通信系統故障；（5）室外硬件系統故障；（6）探測站防盜門被撬。因此系統功能主要設計為以下幾類：

（1）異常情況告警功能。

（2）視頻告警聯動：系統自動啟動故障錄像功能，同時記憶故障信息；系統自動啟動語音告警；監控中心畫面顯示故障點的各種信息。

（3）遠程開啟/關閉主機總電源。

（5）視頻定點預置關鍵監測點位置。

（6）錄像存儲、回放及歷史數據的存儲、查閱，同時對于系統的實時數據、告警數據及歷史數據可以分類進行統計。

1.3 系統結構設計

系統主要由信號采集器、網絡視頻服務器和監控中心（CSC）3個部分構成。按網絡結構分為CSC、探測站現場的監控單元（FT）、設備監控模塊（SM）3個模塊。圖1為監控系統網絡圖。

圖1 集中監控系統網絡圖

1.3.1 監控模塊

監控模塊（SM）是系統的數據采集部分，裝于探測站被監控的設備附近。它是圖像、聲音、環境、電源、空調設備的智能控制器或智能采集設備，具有數據的采集、壓縮、控制和濾波作用；完成遙測，遙信數據的傳送及實現系統的遠端遙控。監控模塊包括信號采集器、云臺控制器等，這些模塊都掛接在RS485總線上，實現與各被監控對象的連接。

1.3.2 監控單元

從邏輯上講，監控單元（FT）是監控模塊的上一級設備，其主要功能為：周期性地采集各監控模塊傳來的各類信息，對信息進行數據處理、存儲、參數設置以及告警管理，隨時接受并快速響應來自監控中心的命令，具有與監控中心進行通信的功能，完成監控模塊和監控中心之間的遙測、遙信和遙控數據的傳送，對紅外線軸溫探測室進行視頻監控、遠程控制室內照明、監測市電及備用電狀態、遠程控制空調、監控屋門狀態、與監控中心語音對講。網絡視頻服務器是監控單元的主要組成部分。

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1.3.3 監控中心

監控中心（CSC）位于車輛段值班室，從邏輯上講，它是監控單元的上一級設備，其主要功能為：周期性地采集各監控單元傳來的各類信息，對信息進行數據處理、存儲、參數設置和告警管理，具有實時作業和歷史數據處理功能，能同時監視轄區內監控單元的工作狀態；可通過監控單元對監控模塊下達監測和控制命令，完成監控模塊、監控單元監控中心之間的遙測、遙信、遙控數據的傳送和以及數據過濾功能。

THDS綜合監測系統結構如圖2。

2 系統核心模塊開發與實現

2.1 信號采集器

信號采集器以Cotex-M3系列ARM7為核心處理器，在設計中對需要監測的信號進行了分類，各類信號之間實現電氣隔離，防止出現互相干擾。

圖2 綜合監測系統結構圖

車輪傳感器的電壓脈沖信號接入專用的脈沖信號檢測電路，經光電隔離后進入微處理器，進行計數，后臺顯示計數值，數量相等即為正常，不相等即為車輪傳感器故障，發出告警。

網絡接口通過一個專用的網口轉串口模塊把網絡信號轉換成TTL電平的串口信號接入微處理器的串口，定期使用ping命令對紅外服務器做信道測試，以監測紅外的傳輸信道是否正常。

通信線路采用RS485方式與FT通信。在與監控中心通信正常時，信號采集器的實時數據、告警信息通過RS485通信線路發送到監控中心。

信號采集器結構示意圖和邏輯框圖如圖3。

圖3 信號采集器正反面示意圖

2.2 監控單元

監控單元在本系統中功能較多，除了完成音視頻監控遠程控制空調、照明、語音對講外，更多的是對信號采集器提供接入支持和通信保障，使用RS485接口與信號采集器進行通信，實時對信號采集器進行掃描，將得到的實時數據通過網絡傳送給后臺監控中心，同時將監控中心下發的命令轉發給信號采集器。

網絡視頻服務器以高速DSP達芬奇（Davinci）處理器為內核，同時處理1路～2路D1視頻信號，將模擬視頻轉換為數字信號，并進行壓縮，壓縮算法采用H.264標準。其邏輯框圖如圖4。

圖4 網絡視頻服務器邏輯框圖

2.3 監控中心

監控中心（CSC）位于車輛段值班室，主要包括3個部分：圖像接入服務器，用于系統主程序、錄像存儲、參數存儲、通信；數據服務器，用于保存歷史數據、歷史告警及各信號采集器的參數；操作終端，即系統人機對話主窗口。

CSC負責對信號采集數據進行深度分析，顯示電壓的歷史曲線、柱狀圖、各種報表等；還可以設置告警參數或發出其他控制指令。CSC由前臺通信控制單元、數據處理單元（局域網）、數據庫、顯示與打印單元組成。監控中心采用Linux平臺下的體系結構。

3 系統在大準線的實踐效果分析

大（同）—準（格爾）鐵路是神華鐵路運輸網的重要組成部分。大準鐵路現有THDS約 26套，THDS綜合監測系統對探測設備的硬件及設備輸出數據進行全面監測，并能對部分硬件進行遠程控制，經檢驗此裝置有下列效果。

3.1 針對性檢修

傳統的檢修方式對設備檢修人員的個人能力要求很高，同樣的故障不同檢修人員可能會采用不同的檢修手段，缺乏統一標準，不僅產生更多的檢修費用，更會對安全生產造成不必要的制約。在設備故障出現后，通過監測中心的數據分析，完全可以判斷出哪一個配件出了問題，檢修人員無需再對故障進行現場檢測，只需要按照標準作業程序直接更換故障配件就可達到修理目的。

設備維修中積累的經驗通過軟件在監測中心得到體現，如表1。

3.2 實現設備無故障運行

通過在設備維修基地安裝一套試驗監測裝置，對其它監測裝置發現的故障配件和有故障趨勢的配件進行跟蹤監測，了解配件的性能與輸出參數之間的關系，同時再對各關聯數據進行綜合分析；完善軟件的手段，對所有配件進行科學管理與精確掌控，這樣就可以對配件采購、儲存、使用和檢修進行全過程管理，最大程度發揮設備的性能，降低維修、保養費用，杜絕意外設備故障的發生，最終實現設備無故障運行的目的。

4 結束語

THDS在大（同）—準（格爾）鐵路的應用表明，該系統能夠實現有針對性維修，保障設備無故障運行，提高了THDS的可靠性，具有一定的應用價值。

表1 監測系統針對性檢修表

[1]傅英暉. 鐵路車輛軸溫智能探測系統存在的問題分析及改進建議[J]. 中國科技信息，2010（14）.

[2]肖曉娟. 大秦線THDS運用改進及發展研究 [D]. 西安：西南交通大學，2011.

[3]趙長波，陳 雷. 鐵路貨車軸溫探測與應用概論[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010．

[4]韓增盛，張光明. 紅外線軸溫探測遠程監控系統的研制[J].鐵道車輛，2007（12）.

[5]李 軍，張永強. 紅外線探測站遠程故障診斷系統[J]. 上海鐵道科技，2006（3）.

[6]許松波. 青藏鐵路紅外線軸溫探測設備的遠程維護功能設計[J]. 數字技術與應用，2010（7）.