城市軌道交通車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

宋 杰

（中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，株洲 412001）

在軌道交通車輛運(yùn)用中，由于道路不平順、設(shè)備老化、設(shè)備失效、牽引傳動設(shè)備故障等因素，會造成車輛運(yùn)行不平穩(wěn)。運(yùn)行在非理想狀態(tài)（輪對多邊形、制動施加、軸承固死等），導(dǎo)致車輛或車載設(shè)備振動加劇、溫度升高、設(shè)備功耗異常。在設(shè)備、部件勞損或故障情況下，一般需要對設(shè)備或部件進(jìn)行維修、更換。車輛運(yùn)用回庫后進(jìn)行檢查，可以在一定程度上實現(xiàn)設(shè)備的檢測；由于車輛回庫后設(shè)備的狀態(tài)與運(yùn)行中的狀態(tài)有差異，庫內(nèi)檢測很難完全表征設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)。同時，車輛回庫后設(shè)備專項檢測需要占用大量的檢修資源。

設(shè)備的狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)，可以通過噪聲、振動、溫度、電流、功率、位移、位置、壓力等參數(shù)來表征；大部分參數(shù)均需要在設(shè)備處于工作狀態(tài)時進(jìn)行實時檢測。例如，采用加速度傳感器可以實現(xiàn)設(shè)備振動的檢測，有效地避免設(shè)備的非計劃停機(jī)，延長設(shè)備的使用壽命[1]；從理論出發(fā)，分析機(jī)電設(shè)備關(guān)鍵部件軸承的主要失效形式和分析技術(shù)[2]，實現(xiàn)軸承部件的監(jiān)測和診斷；基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用云服務(wù)，實現(xiàn)對電機(jī)狀態(tài)的實時監(jiān)測[3]，保障設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)用。

本文從減少故障、提高運(yùn)用效率、延長使用壽命、降低維護(hù)成本角度出發(fā)，綜合考慮項目要求和技術(shù)儲備，采用參數(shù)實時無線檢測的方式，設(shè)計城市軌道交通車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)和車輛狀態(tài)的實時監(jiān)測[4-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由檢測終端、4G/Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、HTTP 服務(wù)器等設(shè)備、功能模塊組成，系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 車輛及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

通常情況下，檢測終端安裝在被測設(shè)備旁，例如，屏柜、司機(jī)室、底架等。車載4G/Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝在車輛內(nèi)，例如，屏柜、司機(jī)室等。HTTP 服務(wù)器及相關(guān)主機(jī)置于地面（機(jī)房）。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)實時檢測車輛及設(shè)備參數(shù)，通過無線傳輸至遠(yuǎn)端服務(wù)器，采用顯示終端實時顯示信息，實現(xiàn)車輛和車載設(shè)備及部件狀態(tài)實時監(jiān)測功能。檢測終端集成了嵌入式處理器和傳感器，實現(xiàn)被測設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，例如溫度、電壓、電流[6]、位置、壓力、振動等[1]；4G/Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)車輛覆蓋[7]，以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸功能；HTTP 服務(wù)器實時匯聚檢測終端數(shù)據(jù)，并基于顯示終端的請求返回查詢的數(shù)據(jù)；顯示終端通過公共網(wǎng)絡(luò)訪問HTTP服務(wù)器，獲取并顯示狀態(tài)、告警、故障等信息。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 檢測終端

本系統(tǒng)實現(xiàn)中，檢測終端基于CC3200 處理器平臺，分別集成溫度、位置等傳感器，實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的檢測[8]。由于CC3200 集成了Wi-Fi 功能，工作在Station 模式，檢測終端通過車載Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)連接接入點（AP，Access Point）及公共網(wǎng)絡(luò)，采用HTTP POST方式實時發(fā)送檢測數(shù)據(jù)至HTTP 服務(wù)器。

2.1.1 溫度檢測

系統(tǒng)采用DS18B20 溫度傳感器檢測被測對象的溫度。DS18B20 是常用的數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍為?55 ℃～+125 ℃。DS18B20 輸出的是單總線數(shù)字信號，硬件資源消耗低。DS18B20 具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行測試，DS18B20 數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)數(shù)百米。在本應(yīng)用中，傳感器數(shù)據(jù)傳輸線纜最長為9 m。

CC3200 處理器采用通用輸入輸出接口與DS18B20通信，獲取傳感器檢測的實時溫度數(shù)據(jù)。傳感器溫度數(shù)據(jù)檢測流程如下：

（1）初始化軟件參數(shù)；

（2）檢測連接到總線的DS18B20 設(shè)備；

（3）讀取DS18B20 的ROM 地址；

（4）檢查設(shè)備供電模式；

（5）配置設(shè)備；

（6）讀取溫度。

溫度檢測終端，如圖2 所示。圖中，檢測終端上部的接口用于連接DS18B20 溫度傳感器，檢測終端具有IP65 防護(hù)等級。

圖2 溫度檢測終端

2.1.2 GNSS 數(shù)據(jù)解析

CC3200 處理器通過通用異步收發(fā)傳輸器（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）以9.6 kbps 的傳輸速率與GNSS 模塊通信，實時讀取GNSS 數(shù)據(jù)并解析出日期時間和位置信息。

檢測終端處理GNSS 解析數(shù)據(jù)的方法如下[9]：

（1）通過UART 接口隨機(jī)獲取一定長度連續(xù)的GNSS 實時解析數(shù)據(jù)（大于等于最長數(shù)據(jù)長度）；

（2）在解析數(shù)據(jù)中查詢關(guān)鍵字GNRMC，對關(guān)鍵字之后的數(shù)據(jù)通過標(biāo)識符“ ， ”或數(shù)個該標(biāo)識符確定信息在數(shù)據(jù)中的位置，以獲取日期和時間信息；

（3）在解析數(shù)據(jù)中查詢關(guān)鍵字GNGLL，并對關(guān)鍵字之后的數(shù)據(jù)通過關(guān)鍵字N、S、E、W 等獲取經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)。

2.1.3 數(shù)據(jù)無線傳輸

檢測終端中的CC3200 處理器設(shè)置Wi-Fi 協(xié)處理器狀態(tài)，并連接至車載網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi 接入點，通過公共網(wǎng)絡(luò)獲取遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP 地址；之后，采用HTTP POST 方式將獲取的傳感器檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。

在本系統(tǒng)中，檢測終端工作在站點模式，與接入點的通信流程如下[10]：

（1）設(shè)置無線處理器為默認(rèn)狀態(tài)，包含Station模式設(shè)置、自動連接、DHCP 允許、發(fā)射功率設(shè)置、注銷mDNS 服務(wù)等；

（2）再次啟動無線處理器sl_Start()，并以Station模式連接至Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)sl_WlanConnect()。

本系統(tǒng)中，檢測終端采用HTTP POST 方式通過Wi-Fi 接入點實現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，具體流程如下。

（1）采用服務(wù)器主機(jī)名通過域名服務(wù)系統(tǒng)DNS 獲取服務(wù)器以太網(wǎng)IP 地址sl_NetAppDnsGetHost-ByName()；

（2）創(chuàng)建與HTTP 服務(wù)器的連接；建立并發(fā)送HTTP 請求至HTTP 服務(wù)器；發(fā)送HTTP 頭域至HTTP-服務(wù)器；發(fā)送消息體（POST 數(shù)據(jù)）至HTTP 服務(wù)器；

（3）解析HTTP 服務(wù)器反饋的響應(yīng)數(shù)據(jù)，終止通話。

基于RESTful 架構(gòu)，采用CC3200 處理器平臺軟件開發(fā)包中的SimpleLinkTM驅(qū)動和案例程序，構(gòu)建了HTTP 客戶端，采用POST 方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和實時無線傳送。

2.2 車輛Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

采用4G/Wi-Fi 路由器，實現(xiàn)城市軌道交通車輛的Wi-Fi 覆蓋；采用4G/3G/2G 移動網(wǎng)絡(luò)連接以太網(wǎng)，實現(xiàn)Wi-Fi 和4G 移動網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

本系統(tǒng)應(yīng)用案例中，城市軌道交通車輛的編組情況為Mc1+T1+M1-M2+T2+Mc2。4G/Wi-Fi 路由器安裝于T1 和T2 電器柜，采用車內(nèi)AC 220 V 輔助電源供電。為了增強(qiáng)路由器遠(yuǎn)端的Wi-Fi 信號，消除通信盲區(qū)，系統(tǒng)采用Wi-Fi 中繼器擴(kuò)展無線Wi-Fi 覆蓋范圍。Wi-Fi 中繼器安裝于Mc1、M1、M2、Mc2 電器柜或空調(diào)柜中，由車內(nèi)屏柜內(nèi)的AC 220 V 輔助電源供電。4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器安裝效果，如圖3 所示。

圖3 安裝于車輛屏柜的4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器

對于短編組的車輛，需要減少4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器數(shù)量。對于長編組的車輛，需要增加4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中繼器的數(shù)量。實際應(yīng)用情況表明，在確保系統(tǒng)符合車載設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的情況下，當(dāng)4G/Wi-Fi 路由器安裝在兩節(jié)車廂連接處時，相鄰的兩節(jié)車廂具有較好的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

車內(nèi)可以布置網(wǎng)絡(luò)線纜的應(yīng)用，在路由器和中繼器或其他接入點間通過有線網(wǎng)絡(luò)連接，在減少4G/Wi-Fi 路由器的數(shù)量的同時，提高了車內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可用性。

2.3 HTTP 服務(wù)器

（1）基于用戶需求和項目應(yīng)用要求，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的HTTP 服務(wù)器采用HTTP RESTful 架構(gòu)，采用HTTP 協(xié)議實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)的實時匯聚和存儲；

（2）采用分類、排序、統(tǒng)計、擬合、濾波等方法，或運(yùn)用相關(guān)算法，服務(wù)器對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實現(xiàn)被測設(shè)備狀態(tài)評估、故障告警，以及預(yù)警等功能[11]，對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行存儲；

（3）系統(tǒng)參照預(yù)設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，綜合時間、位置、線路、環(huán)境、天氣等應(yīng)用條件，最終采用數(shù)字、表格和圖形等方式在終端顯示。

3 測試和優(yōu)化

3.1 無線通信測試

對于無線Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，本文中采用Wi-Fi Analyzer 等專業(yè)軟件進(jìn)行Wi-Fi 信號和網(wǎng)絡(luò)測試。本項目中，AP 分別安裝在T1 和T2 的電器柜內(nèi)，采用默認(rèn)設(shè)置，車輛庫內(nèi)靜止情況下，所測試的近場Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度為?26 dBm，底架檢測終端處Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度介于?55 ~ ?75 dBm 間。

在測試階段，可以采用公共的HTTP 服務(wù)器測試平臺，實現(xiàn)檢測終端的功能測試。

在本系統(tǒng)應(yīng)用中，經(jīng)實驗監(jiān)測，檢測終端HTTP POST 方式發(fā)送溫度數(shù)據(jù)或位置數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)端服務(wù)器，每個檢測終端每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量小于5 KByte。

3.2 車載網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

在車輛T1 和T2 電器柜內(nèi)分別安裝Wi-Fi AP，在M1 和M2 電器柜內(nèi)加裝Wi-Fi 中繼器，統(tǒng)計一段時間內(nèi)車輛載客運(yùn)營時檢測終端數(shù)據(jù)傳輸情況，如圖4 所示。

圖4 有效數(shù)據(jù)成功傳輸率數(shù)據(jù)

圖4 中橫坐標(biāo)表示相應(yīng)的檢測終端，間接描述了檢測終端安裝的大致位置。虛線為未安裝Wi-Fi 中繼器的終端數(shù)據(jù)傳輸情況，實線為安裝Wi-Fi 中繼器后的終端數(shù)據(jù)傳輸情況。從圖4 中可看出，檢測終端越靠近AP，有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例越高；增加中繼器有效擴(kuò)大了原Wi-Fi 信號覆蓋區(qū)域（即增強(qiáng)了該區(qū)域Wi-Fi 信號強(qiáng)度），提高Wi-Fi 信號覆蓋區(qū)域有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例。與此相似，在Mc1 和Mc2 分別加裝Wi-Fi 中繼器后，Mc1 和Mc2 的有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例均相應(yīng)提高。

從圖4 中可看出，兩個AP 處整體有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例有差異，主要原因是兩個AP 分別使用了不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)。需要說明的是，實際應(yīng)用經(jīng)驗表明，在車輛Wi-Fi 信號全覆蓋的情況下，有效數(shù)據(jù)成功傳輸比例與車輛運(yùn)行線路的移動通信信號狀況成正相關(guān)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 車輛位置實時監(jiān)測

車輛內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)集成了GNSS 功能，實現(xiàn)車輛位置的實時記錄和傳輸功能。但該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無法共享給其他應(yīng)用方。

本系統(tǒng)通過在檢測終端增加GNSS 模塊實現(xiàn)了獨(dú)立的車輛實時定位功能。集成了GNSS 模塊的檢測終端采用車載輔助供電系統(tǒng)供電，通過車載Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)定時發(fā)送車輛實時位置數(shù)據(jù)至服務(wù)器。該系統(tǒng)可安裝在司機(jī)室前端、客室屏柜等位置。

客戶端通過調(diào)用服務(wù)器的通用接口，實時獲取車輛位置信息，采用瀏覽器地圖或應(yīng)用軟件的方式實現(xiàn)車輛位置信息的實時動態(tài)顯示。

4.2 車輛走行部溫度監(jiān)測

系統(tǒng)要求實時采集走行部軸承和電機(jī)的溫度[12]。溫度檢測終端安裝于車體底架，采用線纜連接溫度傳感器，溫度傳感器通過粘接方式或通過工藝孔物理連接至被測設(shè)備。溫度傳感器節(jié)點通過粘接方式安裝于軸端、抱軸箱、齒輪箱、電機(jī)等表面或通過工藝孔物理連接至被測物體表面。車輛走行部溫度監(jiān)測，如圖5 所示。

系統(tǒng)中設(shè)計實現(xiàn)的走行部溫度檢測終端具有極低的功耗，較低的數(shù)據(jù)流量。溫度檢測終端采用低功耗運(yùn)行模式，在信息采集及與服務(wù)器通信之后，立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省電量。溫度檢測終端根據(jù)休眠前的配置，在一定時間后再次啟動，圖6 表示車輛軸承軸箱監(jiān)測點某天的溫度監(jiān)測情況。

從圖6 中可看出，該軸承軸箱某天的溫度曲線，先上升，再下降；溫度最高值低于50 ℃，遠(yuǎn)低于告警閾值；在圖中118 點處，溫度直線下降，表明車輛在117 點～118 點期間處于未運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合時間信息，可知車輛的運(yùn)營狀態(tài)（系統(tǒng)在車輛未上電工作情況下，不上報監(jiān)測數(shù)據(jù)）。應(yīng)用經(jīng)驗表明，在14：30～16：30 時，監(jiān)測點溫度較高。系統(tǒng)應(yīng)用中，綜合環(huán)境信息和溫濕度變化，可動態(tài)設(shè)置預(yù)警閾值，實現(xiàn)被測設(shè)備狀態(tài)精確告警、預(yù)警。

系統(tǒng)應(yīng)用于走行部溫度監(jiān)測，實現(xiàn)了實時溫度檢測及無線傳輸功能[13]，突破了車輛回庫后再由人工檢測溫度或讀取溫度試紙最高溫度的局限，提升了檢修工作的效率。基于實時監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)信息動態(tài)顯示和故障告警功能。運(yùn)用情況表明，基于實時監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確、高效識別故障點；輔助經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可以預(yù)測故障和故障點。

4.3 智能數(shù)據(jù)處理

對于采集的大量傳感數(shù)據(jù)，基于相應(yīng)的閾值進(jìn)行分析判斷，即可高效、準(zhǔn)確地確定故障點。統(tǒng)計不同網(wǎng)絡(luò)配置、時段、線路、區(qū)間、天氣等情況下車輛被檢測設(shè)備和節(jié)點的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)傳輸情況，分析比對，以確定本監(jiān)測設(shè)備和本系統(tǒng)在相應(yīng)情況下的狀態(tài)。采用濾波、擬合、分類等算法，以及針對被測設(shè)備的數(shù)據(jù)模型，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，判斷設(shè)備狀態(tài)，輔助設(shè)備檢修；依據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，輔助于經(jīng)驗數(shù)據(jù)，采用特征降維、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法[14]，可以高效預(yù)測故障和故障點，為設(shè)備或部件預(yù)防性維修提供依據(jù)。

5 結(jié)束語

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用了層次化、模塊化、功能化的設(shè)計思想，實現(xiàn)了車輛狀態(tài)和車載設(shè)備信息的實時無線檢測、傳輸、顯示。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于城市軌道交通車輛，已穩(wěn)定運(yùn)行50 余萬km。實際運(yùn)用情況表明，基于監(jiān)測的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗?zāi)Ｐ停梢詫崿F(xiàn)車輛狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的告警預(yù)警功能。該系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了車輛和設(shè)備日常檢修的效率，有助于設(shè)備或部件的預(yù)防性維修。