地鐵車輛在線監測系統的設計和應用＊

李 球 朱士友 龍 靜

（廣州市地下鐵道總公司，510310，廣州／／第一作者，工程師）

目前，現有的地鐵車輛車載自診斷故障系統僅涵蓋了牽引系統、制動系統、輔助系統、空調系統和車門等，缺乏對車輛關鍵部件，如輪對軸承、車軸、輪對踏面等運動部件的綜合監測和故障預警。為了對車輛關鍵部件相關運行參數進行及時、準確的監測和預警，本文提出了在運營正線軌道旁邊安裝振動、溫度和車輪等傳感器的方案，探測站和數據中心完成對相關信號的采集、分析后，生成各種報表和趨勢圖，并對故障進行及時預警和分級報警，實現在線監控，可為地鐵車輛的安全運營及檢修作業提供有利的安全保障和技術支持。

1 系統結構與硬件設計

1.1 系統總體結構

車輛在線監測系統主要由軌旁傳感器、探測站和數據中心等3部分組成。其中，探測站采集分析軟件由LabVIEW軟件開發而成，主要實現車號識別、軸溫和振動等參數的在線監測及信號分析處理；數據中心通過2臺Dell optilexTM755主機存儲和分析數據，并最終完成WEB發布。

1.2 主要傳感器的選型

車輛在線監測系統選用的傳感器包括車輪傳感器、紅外軸溫探測器和振動傳感器等。

車輪傳感器采用有源車輪傳感器，其型號為YJ 03。YJ 03與無源磁鋼相比，由于利用了小匝數低電感值線圈作為敏感元件，并加載了高頻正弦波激勵，因此波形定位更準確，性能更穩定，抗干擾能力更強，使用壽命更長，滿足實際使用要求。

紅外軸溫探測器型號為HTK－391。與第一代紅外軸溫探測器相比，具有精度高、檢測準確以及使用壽命長等特點，完全可以滿足地鐵列車軸溫監測的要求。

振動傳感器選用13200型壓電式加速度振動傳感器。具有分辨率和靈敏度高、頻率范圍寬、壽命長，且對環境的要求低等特點，滿足選型要求。

1.3 系統硬件設計

車輛在線監測系統系統硬件設計主要包括探測站和數據中心設備的設計。由于數據中心采用的是2臺標準配置的Dell optilexTM755型主機作為服務器，因此以下重點介紹探測站的設計。探測站主要由下位機、上位機及輔助設備組成，其內部結構見圖1。

圖1 探測站內部結構圖

下位機硬件平臺由TMS 320F2812型DSP及其外圍硬件電路組成。該處理器主頻達150MHz，具有增強的eCAN 2.0B接口模塊，該接口與CAN 2.0B接口完全兼容，同時擁有16個高速A／D采樣通道［5］。下位機硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 下位機硬件結構框圖

各傳感器采集到的模擬信號通過信號調理電路進入TMS 320F2812的A／D采樣通道，TMS 320F2812將處理后的數據通過CAN（控制器局域網絡）傳輸至上位機。上位機采用的是美國NI公司的PXI系列數據采集平臺，硬件主要包括PXI－1052機箱，PXI－8108嵌入式控制器，PXI－6259 16位1MS／s（多通道）、1.25 MS／s（單通道），32路模擬輸入、PXI－6542 32位I／O卡，采用NI－DAQ驅動程序。輔助設備主要包括GU 980 C型車號識別裝置、山特C 3K型Rack－Ups以及威圖PS 4000型機箱等。

2 系統軟件設計

車輛在線監測系統的系統軟件可分為數據采集分析軟件、控制臺管理軟件、WEB發布管理軟件和系統管理軟件等4類，其構成如圖3所示。其中數據采集分析軟件運行于探測站上位機，采用NI公司的Lab VIEW 8.6軟件作為采集系統開發平臺，實現對系統自檢、傳感器電源控制、車號識別、紅外線校零、數據同步采集以及數據打包傳輸。控制臺管理軟件以VC＋＋6.0為平臺進行二次開發，采用專門的模塊化設計，嵌入到數據分析及系統管理軟件中，實現對探測站數據的讀取、控制網絡狀態，以及對探測站電源開關狀態和數據采集過程監視等。采用MS SQL SERVER 2008作為數據庫及數據管理軟件平臺，完成數據分析、數據管理、數據報表以及故障報警等。采用.NET及SQL大型關系數據庫等編程工具，在地鐵內部局域網上完成WEB發布功能，實現用戶登陸、用戶管理權限、瀏覽過車報表、瀏覽工作報表、系統管理、查詢報表、歷史故障報表、歷史曲線、退出登陸、數據庫同步、遠程開關機等功能。

圖3 系統軟件構成框圖

2.1 下位機軟件設計

探測站的下位機主要執行監測信號的測量與控制服務。軟件開發采用TI公司的DSP集成開發環境，開發語言采用了C和匯編語言的混合方式，主程序流程如圖4所示。系統上電后先進行各個模塊的初始化，然后開中斷等待中斷事件。當磁鋼接收振動沖擊開始動作時，A／D通道通過中斷的方式開始采集軸溫、車輪和振動信號的數據，然后執行數據處理程序，并通過CAN總線上傳給上位機作進一步的處理。

2.2 上位機軟件設計

數據采集分析軟件安裝于探測站的上位機，采用美國NI公司的圖形化的編程語言NI LabVIEW 8.6開發，通過圖形模式的結構框圖構建程序代碼，實現對儀器的編程和數據采集［6］。來自下位機的數據通過軸溫數值的顯示、車輪振動信號波形顯示、車號顯示和平輪特性參數顯示等4部分以波形和數值的方式顯示出來。具體的實現方法是通過數據采集分析上傳模塊上傳數據分析、生成報告和上傳數據至數據庫服務器，其主程序框圖如圖5所示。

圖4 下位機主程序流程圖

2.3 控制臺管理軟件設計

控制臺管理軟件是通過VC＋＋6.0平臺進行二次開發的，運行于數據中心的數據庫服務器上，主要實現遠程監控探測站、軌旁設備的運行狀態，探測站與控制中心數據庫的數據傳輸與通訊，系統報警，用戶及數據庫管理等功能。主要顯示的系統信息有系統網絡連接狀態、數據庫連接狀態、監測點連接狀態等。具體包括系統自檢狀態、傳感器工作狀態、系統當前工作狀態、過車檢測結果、系統工作日志、系統工作異常報警信息等。控制臺軟件界面設計如圖6所示。

2.4 瀏覽網頁設計

采用.NET及SQL大型關系數據庫等編程工具，在地鐵內部局域網上完成 WEB發布。用戶輸入用戶名和密碼后，進入查詢終端網頁。可查詢數據報表、數據分析、故障報表等，并可根據需要進行相關模塊的擴展。

圖5 數據采集分析工作主程序

3 數據通訊方式

軌旁傳感器通過CAN總線與探測站進行連接；探測站通過光纖以太網接口方式與數據中心進行通訊；數據中心通過光纖以太網接口方式進入地鐵內部局域網，并通過加裝網絡防火墻的方式與互聯網相聯；通過互聯網實現遠程WEB瀏覽。

4 測試應用情況

為了檢驗系統功能，對所有車號標簽進行10次輪流測試，系統識別率達到100%，符合設計要求。利用車輪有擦傷的故障列車進行來回10次的現場試驗，系統均能準確地探測到該車的車輪擦傷，并及時給出報警，探測結果與實際測量的結果相近，誤差＜0.2mm。另外，通過對剛回庫的不同車輛的軸溫進行多次人工測量，并與系統所報溫度進行比較，發現兩種測量方法所測量的溫度變化趨勢相同，系統溫度測量誤差＜3℃，能滿足現場使用要求。

圖6 控制臺管理軟件

5 結 語

經過測試和現場應用，車輛在線監測系統的功能和性能均達到了預期的目標。目前該系統在廣州地鐵2、8號線已進入施工安裝階段，建成投入運行后，將能有效提高車輛檢修作業的準確性和效率，為廣州地鐵的安全運營提供有力保障。隨著計算機、傳感器和網絡技術的進一步發展，地鐵車輛在線監測技術也將不斷發展，并具有廣闊的應用前景。

［1］劉光武.城市軌道交通應急平臺建設研究［J］.都市快軌交通，2009，22（1）：12.

［2］黃采倫，樊曉平，張劍，等.基于TCN的網絡化旅客列車輪對狀態在線監測系統［J］.湖南科技大學學報：自然科學版，2006，22（2）：68.

［3］王小三.基于DSPs的列車走行部安全監測預警系統研究［D］.成都：西南交通大學，2005.

［4］溫玉君，戴孫放.綜合監控系統在城市軌道交通工程中的應用［J］.城市軌道交通研究，2010（9）：1.

［5］蘇奎峰，呂強，耿慶鋒，等.TMS 320F2812原理與開發［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［6］劉其和，李云明.LabVIEW虛擬儀器程序設計與應用［M］.北京：化學工業出版社，2011.