基于Web的地鐵道岔裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

方恩權(quán) 胡錦添 蔡俊濤 劉藍軒

(1. 廣州地鐵集團有限公司 廣州 510330； 2. 廣州市光機電技術(shù)研究院 廣州 510663 )

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基于Web的地鐵道岔裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

方恩權(quán)1胡錦添2蔡俊濤2劉藍軒2

(1. 廣州地鐵集團有限公司 廣州 510330； 2. 廣州市光機電技術(shù)研究院 廣州 510663 )

為保障地鐵安全運營，解決道岔在現(xiàn)有條件下監(jiān)測所遇到的技術(shù)難題，提高維護效率和降低維護成本，設(shè)計基于Web的道岔裂紋遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對地鐵道岔裂紋的實時數(shù)據(jù)采集分析和遠程監(jiān)測等功能。采用UDP無連接通信技術(shù)進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，分析使用WCF數(shù)據(jù)交換通信接口技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)測功能的可行性和優(yōu)越性。通過功率譜密度圖分析聲發(fā)射信號，可以準確地識別出多路采集的信號中是否存在裂紋信號，從而判斷所監(jiān)測的道岔部件是否產(chǎn)生裂紋。系統(tǒng)已在地鐵正線上運行良好，監(jiān)測結(jié)果與后期人工探傷所得結(jié)論一致，監(jiān)測結(jié)果可為維修策略制定提供依據(jù)，保障地鐵行車安全。 關(guān)鍵詞 城市軌道交通；道岔裂紋；UDP協(xié)議；WCF接口；遠程監(jiān)測；在線監(jiān)測

我國軌道交通建設(shè)日益加快，其在公共交通系統(tǒng)中的地位也越來越重要。道岔是其中重要的行車關(guān)鍵裝備，對其健康狀況進行實時在線監(jiān)測非常重要，可及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，確保軌道交通列車安全運行[1-3]。道岔設(shè)備分布較為分散，人工現(xiàn)場管控及維護效率比較低下，Web遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有實時、簡便、高效的重要特點[4]，所以利用Web技術(shù)進行遠程監(jiān)測，不僅節(jié)約人力物力，而且可確保實時在線監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，統(tǒng)一管理 道 岔 的 所 有 數(shù) 據(jù) 采 集 點。基 于Web的遠程監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)模式成為當前監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[5]。本文基于以上需求，設(shè)計了基于Web的地鐵道岔裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對地鐵道岔裂紋的實時數(shù)據(jù)采集分析和遠程監(jiān)測等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于Web的地鐵道岔裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)包括多個傳感器和前端處理器，聲發(fā)射信號經(jīng)壓電傳感器進行采集，獲得原始的模擬信號，接著由緊連傳感器的前端處理裝置對信號進行濾波和放大處理，經(jīng)過梳理的信號由工控機上的專用板卡進行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，存放在工控機上，工控機則連續(xù)不斷地對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)測試分析情況進行報警。遠程的服務(wù)器可通過網(wǎng)絡(luò)查詢現(xiàn)場數(shù)據(jù)和監(jiān)測情況。

采用C/S與B/S兩種架構(gòu)相結(jié)合，前端的采集模塊通過以太網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)測總站(C/S服務(wù)端)，監(jiān)測總站與Web服務(wù)器也通過以太網(wǎng)進行連接，瀏覽器客戶端通過Internet連接到Web服務(wù)器，如圖1所示。采集終端收到觸發(fā)指令后開始采集數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部存儲器進行緩存，C/S服務(wù)器通過UDP協(xié)議分時向每個采集終端發(fā)送讀取指令，C/S服務(wù)器依次接收采集終端通過UDP發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，之后把相關(guān)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫；移動終端與外網(wǎng)的瀏覽器通過Internet連接到Web服務(wù)器，以便查看監(jiān)測分析結(jié)果或發(fā)送控制指令。

圖1 道岔裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)的功能主要是對各個采集終端實時上傳的數(shù)據(jù)信息進行接收、分析和發(fā)布，同時管控每個采集終端的運行狀態(tài)。監(jiān)測軟件系統(tǒng)主要由采集通信軟件和Web監(jiān)測軟件兩部分組成(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)軟件組成

1) 采集通信軟件主要負責接收遠程采集終端通過以太網(wǎng)上傳的實時道岔數(shù)據(jù)，以及分析檢測到的裂紋數(shù)據(jù)信息，并遠程發(fā)送控制命令到采集終端，按照UDP通信協(xié)議把裂紋信號數(shù)據(jù)全部存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

2) Web監(jiān)測軟件主要提供Web在線服務(wù)，包括友好的人機交互界面、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和圖表展示、系統(tǒng)管理、報表數(shù)據(jù)管理、與采集通信軟件的連接通信等。

2 采集通信軟件分析

2.1 采集通信軟件結(jié)構(gòu)

采集通信軟件的主要功能是建立與各個裂紋信號采集終端的網(wǎng)絡(luò)連接、接收終端實時上傳的數(shù)據(jù)信息并進行分析處理，同時接收Web監(jiān)測軟件發(fā)送的控制命令并下發(fā)到采集終端。采集通信軟件與Web監(jiān)測軟件之間的信息交互采用微軟的WCF技術(shù)。軟件數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)示意

2.2 監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò)連接

由于所采集的道岔監(jiān)測信息數(shù)據(jù)量大、實時性強，所以采集通信軟件與遠程終端通過UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議是一個面向無連接的通信協(xié)議(TCP協(xié)議是面向連接的通信協(xié)議)，傳輸數(shù)據(jù)之前發(fā)送端與接收端不建立連接，傳輸速度取決于應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計算機的運算能力和傳輸帶寬的限制[6]。雖然UDP協(xié)議具有資源消耗小、處理速度快等優(yōu)點，但卻屬于一種不可靠連接，偶爾會丟失一兩個數(shù)據(jù)包。由于監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率比較高，而實際分析中需要對原始數(shù)據(jù)進行抽樣，所以監(jiān)測系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求不高，而且多臺客戶端設(shè)備同時與服務(wù)端進行大數(shù)據(jù)量通信，適合使用UDP協(xié)議。采集終端實時采集道岔數(shù)據(jù)并在本地進行緩存，在系統(tǒng)空閑時，采集通信軟件服務(wù)器端向每個采集客戶端發(fā)送上傳指令，然后每個終端逐一上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，并由服務(wù)器端的采集通信軟件進行數(shù)據(jù)分析，判斷采集的數(shù)據(jù)中是否存在裂紋信息。

2.3 Web軟件與通信服務(wù)軟件的連接

在本項目中，Web監(jiān)測軟件使用WCF技術(shù)實現(xiàn)與采集軟件的通信。WCF是由微軟發(fā)展的一組數(shù)據(jù)交換通信的應(yīng)用程序開發(fā)接口，也就是Windows通信接口。它是.NET框架的一部分，由.NET Framework 3.0開始引入到框架之中。WCF的終結(jié)點由3部分組成，分別為地址(Address)、綁定(Binding)和契約(Contract)，簡化為Endpoint=ABC。WCF就是以契約來定義雙方溝通的協(xié)議，而契約以接口的形式表現(xiàn)，實際的服務(wù)代碼對象由這些接口派生出來實現(xiàn)[7-9]。綁定就是雙方統(tǒng)一通信的協(xié)議，并且在編碼和格式上也要一致。首先，創(chuàng)建WCF服務(wù)庫并通過契約實現(xiàn)接口函數(shù)；然后，以采集通信軟件為WCF的服務(wù)端，通過Web監(jiān)測軟件遠程調(diào)用WCF服務(wù)庫所實現(xiàn)的基于采集通信軟件的方法；最后進行Web監(jiān)測軟件與采集通信軟件的交互，實現(xiàn)道岔狀態(tài)遠程在線監(jiān)測。

1) WCF服務(wù)端部分代碼：

private void WcfServer(object sender, EventArgs e)

{

……

//NetTcpBinding方式啟動WCF服務(wù)

m_ServiceHost=new ServiceHost(typeof(Service1));

//Service1是WCF服務(wù)的類名稱

NetTcpBinding binding = new NetTcpBinding();

Uri baseAddress = new Uri(string.Format("net.tcp://localhost:10086

/WCFHostServer/Service1"));

m_ServiceHost.AddServiceEndpoint(typeof(IService1), binding, baseAddress);

//BasicHttpBinding方式啟動WCF服務(wù)

ServiceMetadataBehavior metadataBehavior;

……

m_ServiceHost.Open();

……

}

2) WCF客戶端部分代碼：

private void WcfClient(object sender, EventArgs e)

{

//NetTcpBinding綁定方式的通信雙工

IService1 m_Innerclient;

ChannelFactorym_ChannelFactory;

NetTcpBinding binding=new NetTcpBinding();

……

//調(diào)用GetAllData獲取采集到的道岔數(shù)據(jù)

bool result=m_Innerclient.GetAllData();

……

}

3 Web軟件分析

Web監(jiān)測軟件采用C#編程語言、ASP.NET網(wǎng)頁腳本技術(shù)，在Visual Studio 2012開發(fā)平臺進行編譯，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2008，整個網(wǎng)頁基于MVC架構(gòu)進行開發(fā)[10]，界面采用HTML+CSS+JavaScript進行設(shè)計[11-12]，具有交互性友好、操作直觀簡單等特點，主頁界面如圖4所示。

監(jiān)測軟件主頁界面顯示了道岔中7個采集終端的位置，采用顯示燈的形式表示是否存在裂紋，一旦某個位置有裂紋信號產(chǎn)生，相應(yīng)位置的顯示燈即點亮，并且左下角的故障警示燈頻閃作為提醒，界面中同時顯示裂紋產(chǎn)生的時間、位置、嚴重程度等信息，選擇不同通道的選項卡便可查看當前采集信號的時域圖與頻域圖(見圖5和圖6)，對比分析圖5與圖6中的頻域圖可以看出，無裂紋信號的能量都集中在低于100 kHz的頻率范圍內(nèi)，而有裂紋信號的部分能量分布在100～200 kHz的頻率段范圍內(nèi)，因此，通過頻域圖可分析識別道岔是否發(fā)生裂紋。此外，Web監(jiān)測軟件還具有查看全部的歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置采樣頻率、打印報表、站點信息管理等功能。

圖4 Web監(jiān)測主頁

圖5 Web顯示無裂紋信號頻域圖

圖6 Web顯示有裂紋信號頻域圖

4 應(yīng)用分析

圖7 采集終端盒子現(xiàn)場安裝

本系統(tǒng)已在廣州地鐵正線一段軌道上安裝并運行良好，其中，采集終端與傳感器均安裝在道岔旁，如圖7所示。對一組道岔的全部結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測共需7個采集終端，且要求采集終端安裝在每個監(jiān)測結(jié)構(gòu)旁邊，如圖8所示。通過現(xiàn)場布線將所有采集的信號集中傳輸?shù)轿挥谲壟缘腃/S服務(wù)器(見圖9)，信號經(jīng)過處理后，通過以太網(wǎng)保存到遠程數(shù)據(jù)庫以及接收Web服務(wù)器下發(fā)的指令。系統(tǒng)已持續(xù)12個月對該組道岔進行了全天24小時在線監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果中只有列車經(jīng)過時產(chǎn)生的低頻振動信號以及部分高頻噪聲信號，道岔沒有產(chǎn)生裂紋信號，與現(xiàn)場人工探傷的結(jié)果一致。用戶通過Web瀏覽器可遠程查詢到每次列車經(jīng)過時采集信號的所有數(shù)據(jù)與檢測結(jié)果。監(jiān)測的自動化、智能化為廣州地鐵安全運營中的道岔安全提供了強有力的支撐，保障了地鐵的安全運行。

圖8 一組道岔監(jiān)測現(xiàn)場安裝圖

圖9 軌旁C/S服務(wù)器集線箱

5 總結(jié)

軌道交通是我國優(yōu)先發(fā)展的城市公共交通系統(tǒng)，而道岔正是其中特別重要的行車裝備，為了實現(xiàn)道岔裂紋的在線診斷，設(shè)計了基于Web技術(shù)的地鐵道岔裂紋在線監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)其對道岔在運行過程中的實時數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)測等功能。由于采集的數(shù)據(jù)量大，故使用了UDP協(xié)議進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，Web程序與采集程序使用WCF技術(shù)進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)后臺裂紋信號分析軟件通過功率譜密度圖在頻域中可識別淹沒在強噪聲信號中的微弱裂紋信號，并自動判斷所監(jiān) 測 的 道 岔 部 件 是否產(chǎn)生裂紋，一旦發(fā) 現(xiàn) 裂 紋 即 通 過

顯示界面發(fā)出提示，為軌道維修策略的制定提供依據(jù)。

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(編輯：王艷菊)

Web-based Online System for Crack Monitoring of Metro Turnouts

Fang Enquan1Hu Jintian2Cai Juntao2Liu Lanxuan2

(1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510330; 2. Guangzhou Research Institute of O-M-E Technology 510663)

To solve the technical problems in the current system and to guarantee the safe operation of the metro, a web-based online system for crack monitoring of metro turnouts is designed, which is expected to improve the maintenance efficiency and reduce the maintenance cost. The online system can support real-time data acquisition and analysis of metro turnout crack and remote monitoring of the crack. The feasibility and advantage of achieving remote monitoring is analyzed, which adopts UDP connectionless communication technology and WCF data exchange communication interface technology. Crack signal can be recognized accurately from the measured signals by analyzing the acoustic emission (AE) signal with power spectrum density chart, and then it can be judged whether the crack was generated in the monitoring turnout parts. The system has been running well on the main line of the subway. The test result is in accordance with the conclusion of the manual inspection. The monitoring result can provide the basis for the maintenance strategy formulation.Key words: urban rail transit; turnout crack; UDP protocol; WCF interface; remote monitoring; online monitoring

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.021

2016-09-08

2016-09-20

方恩權(quán)，男，工學博士，高級工程師，副研究員，從事軌道交通土建工程技術(shù)研究與項目管理工作， fangenquan@gzmtr.com

廣東省對外科技合作專項基金資助(2013B050900022)

U231.7

A

1672-6073(2016)06-0106-04