虛擬儀器技術在車載信號設備維護中的應用探究

王 睿

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用［1］。它最大的特點在于其靈活性和定制性。與傳統儀器將采集、計算、分析、顯示等功能集中在一個設備中所不同的是，虛擬儀器可以根據測量的實際需要將不同功能靈活拆分組合。使用模塊化的硬件設備來完成信號采集，把計算分析和顯示功能集成在性能更強的計算機軟件中，然后將軟硬件通過高速總線連接實現實時測控。

虛擬儀器技術在鐵路行業應用頗多，田建兆等人提出了基于虛擬儀器的鐵路繼電器智能測試裝置［2］，周文婷探究了如何在大型養路機械電氣控制系統中應用虛擬儀器技術［3］。這些研究針對鐵路行業特定領域的某一具體問題，嘗試使用虛擬儀器技術進行解決。綜合來看，當前大部分的相關研究都是利用虛擬儀器技術搭建針對某一特定信號的測量測試平臺，研究的側重點是對特定場景下信號的深度分析處理。對虛擬儀器技術在設備日常維護測試領域的應用研究相對而言還比較少，本文將主要對該領域的虛擬儀器技術應用展開探討。

1 車載信號設備維護工作現狀

根據現場實際調研和一線專業技術人員的反饋，當前車載信號設備維護主要存在以下幾個方面的問題。

1.1 維護效率低

車載信號設備維護的主要工作內容是對設備的電學參數的測試，使用的主要儀表是萬用表。現行的測量方法是由職工持儀表按照接線規范和相關技術要求逐個測量各電氣節點的電氣特性。在車載信號設備中廣泛使用航空插頭等集成化連接器，測量時要先從若干接線端子中找出待測端子再使用儀表進行測量，每測量一個參數后及時記錄數據。一般需要兩人配合完成。維護過程步驟繁瑣，容易出現疏漏，整體效率不高。

1.2 儀表操作不便

目前在生產一線配備的測量儀表型號規格不統一，同一類儀表的型號、界面、操作方法存在一定的差異。這為標準化維護方案的制定和執行設置了障礙。特別是當前職工隊伍結構年輕化，年輕職工普遍存在不熟悉現場儀表使用的問題。從一些故障應急處置的案例來看，這一問題已經成為了影響處置效率的重要因素。

1.3 數據利用率低

當前測量數據的主要保存形式是紙質版臺賬，利用數據分析設備狀態主要還是使用簡單的閾值判斷法，大部分測量數據如無明顯問題在歸檔以后鮮少會進一步的分析利用。對設備的周期性電氣特性參數監測耗費了較多的資源，卻未能充分發揮作用。紙質版的測量數據記錄如果要進一步使用，往往還需要人工逐項錄入電腦，費時費力。信息化程度差導致的數據利用率低嚴重制約了設備狀態診斷機制的進步發展。

2 方案設計

針對以上問題，為了改良相關工作，提出基于虛擬儀器技術的車載信號設備維護的軟硬件解決方案。設計了一種LKJ 外部接口信號模擬測量裝置，主要應用于LKJ車載設備檢修維護工作中，其主要功能如下：

（1）實現對LKJ外部接口信號中的機車速度、柴油機轉速和管壓信號的方便快速測量，可實時查看其波形。

（2）根據光電速度傳感器、柴油機、壓力傳感器等設備的工作原理，模擬輸出機車柴油機轉速、速度、管壓信號。

（3）仿照LKJ 主機對外部接口信號的分析處理機制，對測量得到的原始信號進行分析處理，并換算成相關的行車參數。

設計方案如圖1所示。

圖1 方案設計示意圖

3 實現方法

3.1 信號特征及解調原理

就信號測量而言，首先要通過模擬量采集傳感器將測量得到的原始模擬信號進行濾波解調處理，然后對信號的周期、頻率、幅值等基本信號參數初步計算。在此基礎上仿照LKJ 設備信號處理機制，將這些信號的基本參數轉換為可供作業人員直接讀取的直觀數據。同理，在對信號進行模擬時，作業人員可以直接通過修改直觀的轉速、速度等參數生成并輸出對應的信號。為實現上述功能，除了要研究信號調制解調的技術外，還必須要掌握現有LKJ 設備的模擬量信號處理機制和算法。通過查閱相關的技術資料［4］，明確了機車光電速度傳感器、柴油機、壓力傳感器等設備產生的速度、柴油機轉速和管壓信號特征。如表1所示。

表1 信號特征列表

通過現場實測，結合技術資料［5］，明確了LKJ 主機對機車傳感器信號的分析處理機制，得到了LKJ主機對速度、柴油機轉速和管壓信號的解算方法。各信號的計算公式如下：

速度計算公式：V1=0.018πdf1，其中V1：機車速度（km/h），d：機車輪徑（m），f1：方波信號頻率（Hz）。

柴油機轉速計算公式：V2=10f2，其中V2：柴油機轉速（rpm），f2：正弦波信號頻率（Hz）。

管壓計算公式：P=200U，其中P：管壓（kPa），U：直流電壓（V）。

3.2 數據采集卡通道設置

數據采集卡是完成信號AD/DA 轉換的核心設備，它可以根據上位機發出的指令輸出和采集相關信號。考慮到LKJ外部接口信號模擬測量裝置要同時滿足多路信號的模擬輸出和測量，選用了具有四個動態A0通道的模擬輸出卡和具有16路AI通道及4 路靜態AO 通道的采集卡。其輸入輸出通道定義如表2所示。

表2 采集卡輸入輸出通道定義

3.3 調理電路設計

數據采集卡的最大輸入量程和輸出范圍均為±10V，無法達到LKJ 外部接口信號的測量和模擬要求，所以需要對輸入和輸出的信號進行調理。調理電路主要分為兩部分，一部分是電壓放大電路，通過運算放大器實現。電壓放大電路有四個通道，可以對數據采集卡模擬輸出的三路速度信號和一路柴油機轉速信號按照1∶2 的比例等比放大。另一部分是電壓衰減電路，通過電阻分壓原理實現。電壓衰減電路會將電壓較高的柴油機轉速、速度信號按5∶1 的比例衰減，使其滿足數據采集卡輸入量程。電路原理圖如圖2、圖3所示。

圖2 衰減電路原理圖

圖3 放大電路原理圖

3.4 航空插頭設計

有別于以往使用表筆對多個端子逐對測量，LKJ 外部接口信號模擬測量裝置的輸入輸出接頭均采用定制的航空插頭，使用時只需通過輸入連接器和輸出連接器分別連接至機車接線排或LKJ 主機，即可一次性完成全部端子的參數測量和信號模擬。這種測量方式有效解決了車載信號設備維護過程當中作業效率低的問題，只需一人即可快速完成全部測量工作。信號模擬輸出配線方案如表3所示。

表3 信號模擬輸出配線

3.5 軟件設計

LKJ 外部接口信號模擬測量裝置各項功能通過上位機軟件進行控制。軟件主要包括信號模擬界面和信號測量界面。具有參數配置、數據顯示、數據分析和保存等功能。對輸出信號和輸入信號可根據相關的計算公式完成計算、顯示、分析并根據需要進行數據存儲，實現了數據臺賬的電子化。對采集得到的數據可直接在軟件中按照測試設備的基礎信息如測試時間、車號、測試人員等信息有序保存，可支持存儲為文本、電子表格等不同形式的文件。波形、圖像等也可以以圖片的形式存儲，實現數據信息化存儲的同時還可以豐富臺賬內容。軟件的界面如圖4所示。

圖4 軟件界面圖

4 結束語

本文根據車載信號設備維護的現狀，提出了一種使用虛擬儀器技術優化工作的思路。通過LKJ外部接口信號模擬測量裝置的主要設計方案介紹了使用虛擬儀器技術在車載信號設備維護中可實現的一般功能及其優勢，驗證了其應用于鐵路生產的可行性。該裝置在車載設備結合部故障排查中發揮了一定作用，可快速完成故障的定位和查找，提高了現場檢修效率。