基于TCDS的普速旅客列車安全監測系統研究與實現*

張瑞芳，申宇燕，關曉曄，延九磊

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081)

通過5T系統一期、一期擴展和二期的不斷建設，TCDS系統已經成為基本覆蓋全鐵路的對客車運行安全監控的信息網絡。根據5T系統的建設綱要，TCDS二期建設完成后，客車安全監測的信息通道已經建成就緒。為了充分利用此信息平臺，下一階段應著重在擴充監測項目上開展工作，豐富TCDS的監測內容。在滿足鐵路安全生產實際需要的同時，又充分發揮現有平臺的作用。

在車輛運用部門日常維護管理需關注的眾多車輛安全部件中，車輛的制動系統與轉向架是與車輛安全運行相關的最重要部分。在大多數普速旅客列車上，車輛的制動系統與轉向架尚未安裝運行監測設備。大量案例證明，客車制動與轉向架監測診斷報警在列車運行過程中可起到及時發現車輛設備的異常情況，及時防止故障的發生和擴大的作用，對于保障提速客車運行安全是必不可少的。但是由于普速旅客列車技術條件的限制，鐵路客車中占有很大的比例的25G、25B、25K型普速旅客列車尚無條件安裝25T型提速客車專用的客車運行安全監測診斷系統。研制開發適合普通旅客列車安裝的安全監測系統，充分利用既有的TCDS網絡信息平臺，實現對普速旅客列車的制動系統和轉向架運行全過程監測報警，對鐵路客車的運行安全具有重大的意義。

根據現場需求，借鑒25T提速客車監測系統安全監測的成功經驗，基于TCDS網絡平臺開發研制適合普速旅客列車安裝的安全監測系統，該系統應具有下列功能:

(1)實時采集車輛制動系統的列車管、制動缸等壓力數據，監測診斷單車和全列車制動系統狀態。

(2)實時采集車輛轉向架構架、車體振動加速度，監測車輛轉向架的工作狀態。

(3)將全列各車廂的監測節點連接為對等網絡，乘務員在任意車能查看全列車的監測數據。

(4)具備從防滑器主機獲取速度功能。各車廂的監測節點均能獲取防滑器速度，用于轉向架和制動系統嚴重故障的診斷。

(5)具備蜂鳴報警以及報警消聲功能。當診斷列車發生嚴重故障時，全列車蜂鳴報警提示，提醒乘務員處理故障，乘務員在任意車能通過按鍵進行報警消聲。

(6)具備與TCDS主機交互數據功能。TCDS主機所在車廂的監測節點將通過列車網絡獲得的全列車監測數據發送至TCDS主機，再通過TCDS的GPRS無線網絡傳輸至地面網頁終端進行實時監測顯示，通過車站WLAN下載至地面服務器的專家系統進行分析、診斷，指導列車的日常維護與檢修。

(7)單車具備數據存儲與下載功能，存儲容量不小于30天。運用部門可據此數據回溯車輛轉向架與制動系統的工作狀態。

1 系統架構設計

根據上述需求，基于既有的TCDS網絡通道，利用普速旅客列車中預留的貫通全列車的網絡通信線，設計適用于普速旅客列車的安全監測系統，該系統的結構如下所示。

1.1 總體結構

普速旅客列車安全監測系統總體拓撲結構如圖1所示。

圖1 總體拓撲結構圖

(1)每節車廂安裝一個安全監測節點，通過列車網絡實現全列車通信;

(2)列車網絡類型為LonWorks，傳輸介質為車輛中的雙絞屏蔽線纜(備用線);

(3)監控車(廣播車)安裝的監測節點與TCDS主機連接完成無線傳輸功能。

1.2 單車結構

單車安全監測節點由監測主機、壓力傳感器、加速度傳感器線纜和連接器組成。其中壓力傳感器用于采集制動系統氣體壓力信號，加速度傳感器用于采集轉向架振動信號。監控車(廣播車)監測節點連接TCDS主機，各車廂安全監測節點均可與防滑器通信獲取速度，均可連接便攜式顯示設備顯示全列車的監測狀態。如圖2所示。

圖2 單車監測節點結構示意圖

2 系統實現與關鍵技術

2.1 基于TCDS的可擴展安全監測平臺架構

TCDS經過6大干線建設、二期工程建設后已實現了全鐵路覆蓋，我國各式類型客車的安全監測車地數據傳輸及地面三級網絡已經具備網絡信息的全覆蓋。

在TMIS的全國鐵路通信網絡的基礎上，利用網絡數據傳輸平臺，將鐵道部查詢中心、鐵路局監控中心、車輛段監控中心聯系起來;在實時數據采集的基礎上，利用現代無線通信技術，將車輛段與配屬客車聯系起來，實現客車與地面的有機結合。車地無線聯網實現列車和地面間的數據傳輸，地面信息網絡實現各級中心間的數據傳輸。在三級聯網的基礎上，所有數據統一格式、統一標準，實現客車安全信息完全共享。有效利用TCDS網絡通道可實現普速旅客列車的安全監測(圖3)。

圖3 TCDS系統平臺架構圖

2.2 對等式LonWorks列車網絡

利用目前普速旅客列車通訊線中預留的雙絞屏蔽線，使用LonWorks技術可實現全列車所有車廂監測節點的網絡連接。

每節車廂的網絡節點安裝一個網關，用于實現全列車網絡連接，監測節點面板上設置終端電阻投入開關，首尾車手動投入終端電阻，中間車不投入(圖4)。

圖4 列車網絡拓撲結構圖

為便于各車廂網絡共享數據，列車網絡拓撲結構采用對等網的列車網絡，任意車廂的網絡節點上都能接收全列車的通信數據。

2.3 采用并行通信方式的LonWorks網關

(1)硬件設計

對等式列車網絡要求每節車廂的制動監測節點網關能接收全列車數據，網關的數據收發能力是設計的重點。根據監測節點的模塊化設計要求，網關硬件結構采用微處理器+LonWorks控制器模塊的方式，兩者之間的通信方式可選擇并行、串行、雙口RAM等。其中使用并行通信的方式相對于串行方式有明顯速度優勢，相對于雙口RAM的方式由于不需要增加附加存儲芯片，成本上有優勢，且減少了故障點，所以選擇采用并行通信的方式。

使用并行通信的網關采用神經元Neuron芯片FT3150和單片機C8051F040聯合作為通信控制器，單片機和Neuron芯片之間通過并口方式通信，和便攜式顯示器之間通過RS232通信，與車廂主機其他節點間通過CAN總線通信。網關硬件結構框圖如圖5所示。

圖5 網關硬件結構圖

(2)軟件設計

軟件設計是整個網關設計的重點，包括單片機程序與神經元芯片程序兩個方面。

神經元模塊軟件設計應用程序采用Neuron C語言編寫，主要起LonWorks網接口作用，向下與單片機進行并口通訊，向上與LonWorks網利用LonWorks收發器進行通訊。

單片機部分的程序用Keil C51來編寫。神經元的并行模式由芯片內部固件程序實現，程序代碼較為簡單。而單片機部分的程序則相對復雜，要在應用程序中模擬3150的寫令牌傳送協議。根據神經元在并口模式的定義，單片機通信程序主要完成4個工作:與3150同步;向3150寫數據;從3150讀數據;傳送空令牌給3150。此外，單片機除了通過并口和3150通信外，還要通過串口和下位機通信，進行串口數據接收和數據處理。串口部分的數據接收主要通過串口中斷程序完成。數據接收完后，在主程序中進行數據處理。單片機主程序的流程如圖6所示。

圖6 網關軟件結構圖

2.4 緊湊型、一體化的安全監測主機

針對普速旅客列車電氣柜安裝空間有限的特點，為方便乘務員的操作與使用，安全監測主機采用緊湊型、一體化設計。主機的尺寸不超過250 mm(長)×133 mm(高)×200 mm(深)，可嵌入式安裝于乘務員室的電氣柜門上。安全監測主機操作面板集成了由狀態指示燈、蜂鳴器、數碼管、按鍵、電源開關、車類別開關、DBG口、USB接口等組件，如圖7所示。數碼管用于顯示本車的序號，有報警時顯示報警車的序號和報警類別碼。并可用于設定本車的序號及制造號。車類別開關用來選擇車類別為首尾車或者中間車，DBG口用來測試與連接便攜式檢測設備，USB接口可用來下載報警數據。數碼管與蜂鳴器在制動系統發生嚴重故障時發出聲光報警，同時數碼管顯示報警序號和報警碼。

圖7 通信網關軟件結構圖

2.5 信息豐富的便攜式人機交互界面

通過安全監測主機上的DBG接口，任意車可外接便攜式顯示器。在單車數據信息顯示區顯示該車的列車管壓力、制動缸壓力、制動狀態等，在單車壓力與速度曲線顯示區顯示該車的列車管壓力、制動缸壓力與速度曲線。可選功能按鈕查看全列數據信息、全列圖表信息、全列報警信息和系統設置(圖8～圖10)。

圖8 主界面顯示效果

圖9 全列圖表對比顯示效果

圖10 顯示界面結構設計

2.6 網頁實時監控

TCDS主機通過GPRS網絡通道將監測數據實時發送至各鐵路局安全平臺后，數據進入TCDS三級網絡，總公司、鐵路局、車輛段各級中心通過WEB網頁可以遠程查詢故障信息，并可以獲得各種形式的報表。實時制動數據監測效果如圖11所示:

2.7 地面專家系統

車載系統記錄了列車運行過程中的制動數據，這些數據中包含了每輛車的列車管壓力、制動缸壓力、速度和車載系統的報警信息，車輛到站后，通過車站WLAN將數據下載到地面數據庫，經專家系統通過處理后，能夠對制動和轉向架的報警事件進行查詢，對制動的壓力曲線和轉向架的振動特征數據進行單車和多車的對比分析，對監測數據和狀態進行全程回放。利用地面數據庫中保存的檢測數據和事件，結合車輛安全診斷的專家知識，在地面對旅客車輛進行綜合診斷，可以進一步對故障進行定性和定位，指導維修和質量控制(圖12)。

圖11 制動監測數據實時顯示

圖12 制動監測壓力曲線回放

3 系統驗證

3.1 網絡性能測試

為測試系統的網絡通信能力是否達到要求，在試驗室連接18臺安全監測主機組成列車網絡進行網絡通信性能測試，如圖13所示。

開機運行，在4號車連接的便攜式顯示器上統計運行結果，當該車收到396個數據時測試結果如圖14所示。

圖13 試驗室聯網測試試驗臺

圖14 網絡性能測試

從圖14可知網絡最大丟包率為(396－392)/396=1%，網絡性能滿足18輛編組的列車網絡通信要求。

3.2 系統功能測試

在安全監測試驗室中運用模擬測試試驗臺對壓力采集與制動故障診斷、振動加速度采集與轉向架狀態監測、便攜式設備顯示、車號設置、防滑器速度采集、與TCDS主機通信、全列車聲光報警與消聲等功能進行測試，測試結果如表1所示，達到了設計要求。

4 結束語

本文介紹了普速旅客列車安全監測系統的研制目的、系統設計、實現方法、系統集成調試和測試結果等。該系統針對目前普速旅客列車基于TCDS系統擴充安全監測功能，在原25T型客車安裝的KAX1型客車行車安全監測診斷系統的基礎上，保留原系統原理與功能等方面的優點，同時根據25G型車輛的實際情況進行結構與成本的優化。測試表明系統設計合理，運行穩定，可以為普速旅客列車在線路運行提供安全監測，并為地面檢修提供支持。

［1］陳朝發，劉 峰，等.客車行車安全監測診斷系統研究［J］.鐵道機車車輛，2003，(23):53-56.

［2］劉 峰，張瑞芳，等.轉向架橫向穩定性的實時在線監測［J］.鐵道機車車輛，2010，(2):5-7.