運行列車制動參數遠程同步監測系統

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081； 2.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092)

隨著我國經濟社會的快速發展，城市的規模逐漸擴大，城市軌道交通的重要性更加凸顯。地鐵作為城市軌道交通中運量最大的交通方式，每天承擔著繁重的運輸任務，極易發生因疲勞引發的設備故障與安全隱患。為了保證地鐵的安全運營，地鐵車輛需要在每天夜間進行人工檢查，尤其是關鍵部位(見圖1)；人工檢查很難發現潛在的安全隱患，極易造成疏漏，且效率低[1]。

以制動系統為例，由于地鐵列車站間距短、車站多、制動頻繁，熱負荷的反復作用極易導致摩擦副的損壞與車輪踏面熱裂紋的產生，這類裂紋在發展初期很難通過檢查發現，卻嚴重威脅著行車安全；此外，制動系統中的風缸或閥門，由于運行過程中振動、老化等原因，發生泄漏或堵塞，可能導致制動缸壓力異常變化，威脅行車安全[2]。通過監測摩擦副溫度、制動缸壓力等地鐵列車制動系統關鍵參數的異常變化，可以及時發現并更換已經出現問題的部件。

圖1 地鐵列車停運后的夜間例行安全檢查現場

針對上述問題，可以借鑒民航客機中 “黑匣子”的設計理念，為地鐵車輛制動系統設計一套跟蹤監測系統，配備遠程同步跟蹤監測功能，長時間無人值守地連續采集并存儲與安全相關的關鍵運行參數。這樣，既可以及時發現車輛運行過程中關鍵參數的異常變化，以便采取緊急措施，也可以通過分析歷史數據，找出關鍵參數的變化與列車故障之間的關系，為地鐵車輛可能出現的安全隱患提出預警，具有重要的現實意義[3-4]。

本文擬設計的運行列車制動系統關鍵參數遠程同步監測系統，將結合RS485總線技術、GPRS遠程通信技術、虛擬儀器技術等[5-6]，具有以下功能：

① 現場跟蹤監測系統自成體系，可實現系統上電自動運行，長時間無人值守地連續數據采集與存儲，且留有充足的對外數據交流接口；

② 工程技術人員可通過個人PC，在現場與跟蹤監測系統相連，獲取其實時采集數據，或拷貝其存儲的歷史數據文件；

③ 現場跟蹤監測系統可利用基于GPRS網絡的數據傳輸單元(DTU)，通過Internet將關鍵數據發送給位于監控室的遠程同步跟蹤監測系統。

1 現場跟蹤監測系統設計

1.1 現場跟蹤監測系統的總線結構

現場跟蹤監測系統的本質，是基于現場總線技術的數字/模擬量采集系統，現場總線作為近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，由于其具有簡單可靠、經濟實用等一系列優點，得到了廣泛的應用，目前已經產生了如CAN、RS485等各類總線標準。

不同的總線標準有不同的技術特點，適用于不同的應用場合，表1給出了目前常用的低傳輸速率不同類型現場總線之間的關鍵參數對比。

表1 不同類型現場總線關鍵參數對比

根據系統的設計要求，現場跟蹤監測系統需滿足只設置一個“黑匣子”(主機)、同時采集多個數字/模擬量數據的基本要求。RS485總線優于RS232總線；與CAN總線相比，RS485總線的主從通信方式更符合跟蹤監測系統的要求，考慮到RS485總線技術成熟且成本不高，故基于RS485總線構建現場跟蹤監測系統是最為經濟合理的選擇。系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 現場跟蹤監測系統的硬件結構示意圖

RS485總線采用半雙工的通信方式，其電氣特性采用差分信號負邏輯，即邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6) V表示，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6) V表示，其較低的接口信號電平不易損壞接口電路的芯片，且可以方便地與TTL電路連接。采用RS485模組進行組網具有以下3點優勢[7-8]：

① RS485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抑制共模干擾能力強，抗噪聲干擾性好；

② RS485組網一般是兩線制，在低速短距離無干擾工況下，多采用屏蔽雙絞線傳輸，易于布置；

③ RS485方便用于多點互連，最多允許并聯32臺驅動器和接收器，方便拓展新節點。

1.2 多路模擬量采集模塊的設計

現場跟蹤監測系統的模擬量采集采用DAM-3054 16位4路高速模擬量采集模塊，該模塊可采集±10 V、±5 V、0～10 V、0～5 V的模擬量電壓信號或0～20 mA、4～20 mA的模擬量電流信號，采用4路差分信號輸入，采樣速率單通道可達100 Hz，分辨率可達16-bit，采樣精度為±2‰，且內置看門狗設計，抗干擾能力強。

使用該模塊可以很方便地構成RS485主從通信網絡，對多路模擬量信號進行采集且完成模擬量/數字量轉換(A/D轉換)，主機對采集模塊數據寄存器的讀取采用標準Modbus通用協議[9-10]；信息傳輸方式為異步方式，起始位1位、數據位8位、停止位1位，空校驗；數據傳輸速率可變，但通常選用9.6 Kbit/s；采集模塊將采集到的模擬量線性轉換為0～65535的十進制碼，然后發送給現場跟蹤監測系統主機，主機程序即可根據線性對應關系，計算出采集到的模擬量電壓或電流的準確數值，以采集4～20 mA模擬量為例，其計算公式為

(1)

式中，I為現場模擬量的采集值；x為A/D轉換后采集模塊得到的數值碼。

1.3 現場跟蹤監測系統的軟件功能結構

監測系統主機是整個系統數據采集、存儲和遠程發送的核心，系統軟件部分通常采用專用的虛擬儀器開發語言(LabVIEW)編寫而成，并可通過Internet 實現網絡擴展功能。

圖3為基于LabVIEW編寫的現場跟蹤監測系統主機的軟件功能結構，總程序調用相關庫函數及VISA資源，通過RS485串口總線系統對地鐵車輛關鍵運行參數進行采集，將采集到的信號進行濾波，然后通過特定的算法，即可得到實時采集值[11-12]。

圖3 現場跟蹤監測系統主機的軟件功能結構

為實現工程技術人員通過個人PC與現場跟蹤監測系統相連，獲取其采集與存儲的實時或歷史數據，需要將采集到的參數封裝后發送給特定的串口，同時將其保存在特定路徑的TDMS文件中，供個人PC通過局域網訪問下載。此外，系統將采集到的數據封裝發送給串口的同時，發送給近旁的GPRS DTU設備，通過Internet將這些數據上傳給位于監控室的接收設備，實現關鍵參數的遠程同步跟蹤監測。

1.4 數據發送與接收子模塊的設計

為實現數據的準確發送與接收，需要對采集到的數據進行封裝，數據幀的編碼模式如表2所示，由幀頭(H)、數據的采集時刻(包含年月日、時分秒)、分隔符(a)、數據值(按順序進行封裝)、幀尾(J)依次組成，封裝后通過串口發送給現場個人PC和GPRS DTU設備。個人PC和遠程監控系統主機接收到數據后，首先根據幀頭、幀尾對接收到的字符串數據進行幀序調整，然后即可根據幀頭、幀尾與分隔符提取出所需的采集時刻信息與采集數據，實現數據的顯示、分析與存儲。

表2 向串口與DTU設備發送的數據幀編碼模式

1.5 長時間數據存儲子模塊的設計

為實現長時間無人值守的數據存儲，需要數據存儲子模塊具備轉存功能，防止單個數據文件過大導致歷史數據文件下載困難或數據查詢困難，此外可以防止跟蹤監測系統異常崩潰導致的大量數據丟失。圖4為長時間數據存儲子模塊的程序代碼，該模塊可實現程序運行過程中數據的自動存儲，通過文件/目錄信息函數并配合移位寄存器，不斷判斷當前數據存儲文件的大小，當數據存儲TDMS文件大于1 Mbits時即重新創建新的數據文件，并以系統當前時間命名。

圖4 長時間數據存儲子模塊的程序代碼

1.6 現場跟蹤監測系統原理樣機開發與測試

為驗證現場跟蹤監測系統設計方案的可行性，設計并開發了現場跟蹤監測系統原理樣機，并進行了實驗室測試，如圖5所示。經驗證，該系統運行狀態良好，上電自動運行，可實現多路模擬量同時采集、顯示與存儲；將個人PC連接到系統后，可獲取系統的實時采集值，查詢并下載存儲的歷史數據文件；經過長時間拷機運行，無崩潰現象的發生，可實現長時間無人值守地連續數據采集與存儲，達到了既定的測試目標。

圖5 現場跟蹤監測系統原理樣機的測試現場

此外，為驗證數據采集的準確性，應用頻率信號發生器與示波器對該原理樣機系統進行了數據采集準確性試驗，以示波器采集值為頻率真實值，通過對比監測系統采集值與真實值發現，在2000 Hz試驗量程下，測量偏差不大于7.6 Hz，即該現場跟蹤監測系統原理樣機的測量誤差不大于0.38%，滿足跟蹤監測系統數據采集準確性的要求。

2 遠程同步跟蹤監測系統設計

通過在原有系統基礎上，增加遠程同步跟蹤監測功能，可以使技術人員實時監控運行列車制動關鍵參數，在發生異常的情況下及時采取應對措施，進一步保證列車的行車安全。

2.1 遠程同步跟蹤監測系統的實現方案

為實現遠程同步跟蹤監測，需實現數據的遠程實時傳送，相較雙絞線、光纖傳輸等有線傳輸方式，基于GPRS網絡的數據傳輸單元(DTU)實現數據的遠程無線傳輸，具有更高的經濟性。通過無線通信網絡進行傳輸的DTU具有以下優勢[13-14]。

① 可靠性高，實時性強。DTU采用TCP協議通信，避免了數據包丟失的現象，保證數據可靠傳輸；DTU采用的運營商網絡具有實時在線的特性，數據傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，可以很好地滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。

② 適用范圍廣，成本低。運營商網絡可以覆蓋的地區，DTU設備都可以使用；由于采用運營商的網絡，只需安裝設備即可構建監測系統，建設成本很低，網絡維護的費用也可以省去。

③ 傳輸容量大，擴容性好。DTU設備能很好地滿足傳輸突發性數據的需要，由于系統采用成熟的TCP/IP通信架構，具備良好的擴展性能，一個監測中心可輕松支持多個現場采集點的通信接入。

綜上所述，基于GPRS DTU技術實現遠程無線數據傳送，適用于運行列車制動參數遠程同步監測系統這種低數據傳輸量的應用情形，且不需要在地鐵線路上布置線網，節省了大量系統開銷。

2.2 遠程同步跟蹤監測系統的結構

根據2.1節的實現方案，基于GPRS DTU技術的遠程同步跟蹤監測系統結構如圖6所示。

圖6 遠程同步跟蹤監測系統的結構示意圖

現場跟蹤監測系統將采集到的關鍵數據在顯示、存儲的同時，將數據通過RS232串口發送給DTU設備，進入數據傳輸單元后，數據被GPRS模塊封裝成適合網絡通信的數據包，發送至GPRS網絡，通過GPRS網絡進入Internet上傳輸，最后被指定IP地址的遠程同步跟蹤監測系統讀取。監測系統接收到數據后，即可通過LabVIEW軟件進行讀取、顯示與存儲。

2.3 GPRS DTU與主機虛擬串口配置

在使用GPRS DTU設備前需要對設備與遠程監控系統主機進行設置，設置內容包括：數據中心域名與IP、端口、網絡服務APN名稱、GPS信息上報間隔時間等。為保證數據傳輸的穩定性，采用固定IP方式將DTU設備接入數據中心。DTU設備配置完成后即可通過串口線接入現場監測系統，遠程監控系統主機則通過虛擬串口的配置與DTU設備形成對應的連接端口，如圖7所示。基于LabVIEW開發的遠程監控總程序通過VISA函數調用該虛擬串口，完成與現場監控系統的數據交換[15]。

圖7 主機虛擬串口配置后的監控界面

3 跟蹤監測系統的實現

為驗證運行列車制動參數遠程同步監測系統的設計方案，基于同濟大學軌道交通綜合試驗線列車開發了圖8所示的跟蹤監測系統。該系統通過熱電偶傳感器、壓力傳感器等，將采集到的閘溫、制動缸壓力及其他關鍵參數統一轉換成4～20 mA的模擬量信號，通過數據采集卡掛接在RS485總線上，發送給圖9所示的現場跟蹤監測系統主機，進行顯示與存儲[23-25]。

現場跟蹤監測系統主機不僅留有接口，供個人PC連接以獲取實時和歷史數據，同時將采集到的數據通過GPRS DTU設備上傳至互聯網，發送給位于監控室的遠程同步跟蹤監測系統主機，進行顯示與存儲。圖10為監控室主機的軟件界面，可顯示當前通信狀態、系統時間等，并通過數據框和波形圖兩種方式顯示車輛制動摩擦副溫度、制動缸壓力等制動系統關鍵參數的變化。

圖8 制動系統關鍵參數跟蹤監測系統結構示意圖

圖9 制動系統現場跟蹤監測系統主機顯示界面

圖10 遠程同步跟蹤監測系統主機主程序界面

通過大量反復的現場試驗顯示，該系統運行良好，數據采集準確性高，在大數據量情況下存儲正常；遠程同步跟蹤監測系統運行正常，獲取的數據與現場數據完全一致，數據傳輸實時性高，數據準確可靠，極少有掉點現象的發生。圖11為根據遠程同步跟蹤監測系統采集并存儲的制動缸壓力參數，用Matlab軟件繪制的制動缸壓力變化曲線。

圖11 使用歷史數據繪制的制動缸壓力曲線

4 結束語

本文應用RS485總線與虛擬儀器技術構建了現場跟蹤監測系統，利用GPRS DTU遠程無線數據傳輸單元，可實現運行列車系統關鍵參數的遠程同步跟蹤監測功能。該系統可實現運行列車制動系統關鍵參數，如摩擦副溫度、制動缸壓力等的長期無人在線跟蹤監測與存儲，保存的長期歷史數據可用于列車服役安全狀態評估，或用于分析其與列車故障之間的關系。通過GPRS DTU設備將數據實時傳輸至遠程監控室，可便于地鐵工作人員隨時掌握地鐵列車運營過程中是否正在發生或已發生異常，進而及時采取應對措施，保障列車的安全運行，具有十分重要的實際應用價值。

本文監控系統的設計與實現盡管以制動系統為例，但可推廣至其他城市軌道交通系統關鍵運營參數的長期狀態采集與遠程同步跟蹤監測，進一步保障系統安全。遠程跟蹤監測除監控室監控外，還可進一步實現分布式遠程監控，或利用移動設備實現隨時隨地的監控，可開發潛力巨大。