地铁车辆在线监测系统的设计和应用＊

李 球 朱士友 龙 静

（广州市地下铁道总公司，510310，广州／／第一作者，工程师）

目前，现有的地铁车辆车载自诊断故障系统仅涵盖了牵引系统、制动系统、辅助系统、空调系统和车门等，缺乏对车辆关键部件，如轮对轴承、车轴、轮对踏面等运动部件的综合监测和故障预警。为了对车辆关键部件相关运行参数进行及时、准确的监测和预警，本文提出了在运营正线轨道旁边安装振动、温度和车轮等传感器的方案，探测站和数据中心完成对相关信号的采集、分析后，生成各种报表和趋势图，并对故障进行及时预警和分级报警，实现在线监控，可为地铁车辆的安全运营及检修作业提供有利的安全保障和技术支持。

1 系统结构与硬件设计

1.1 系统总体结构

车辆在线监测系统主要由轨旁传感器、探测站和数据中心等3部分组成。其中，探测站采集分析软件由LabVIEW软件开发而成，主要实现车号识别、轴温和振动等参数的在线监测及信号分析处理；数据中心通过2台Dell optilexTM755主机存储和分析数据，并最终完成WEB发布。

1.2 主要传感器的选型

车辆在线监测系统选用的传感器包括车轮传感器、红外轴温探测器和振动传感器等。

车轮传感器采用有源车轮传感器，其型号为YJ 03。YJ 03与无源磁钢相比，由于利用了小匝数低电感值线圈作为敏感元件，并加载了高频正弦波激励，因此波形定位更准确，性能更稳定，抗干扰能力更强，使用寿命更长，满足实际使用要求。

红外轴温探测器型号为HTK－391。与第一代红外轴温探测器相比，具有精度高、检测准确以及使用寿命长等特点，完全可以满足地铁列车轴温监测的要求。

振动传感器选用13200型压电式加速度振动传感器。具有分辨率和灵敏度高、频率范围宽、寿命长，且对环境的要求低等特点，满足选型要求。

1.3 系统硬件设计

车辆在线监测系统系统硬件设计主要包括探测站和数据中心设备的设计。由于数据中心采用的是2台标准配置的Dell optilexTM755型主机作为服务器，因此以下重点介绍探测站的设计。探测站主要由下位机、上位机及辅助设备组成，其内部结构见图1。

图1 探测站内部结构图

下位机硬件平台由TMS 320F2812型DSP及其外围硬件电路组成。该处理器主频达150MHz，具有增强的eCAN 2.0B接口模块，该接口与CAN 2.0B接口完全兼容，同时拥有16个高速A／D采样通道［5］。下位机硬件结构框图如图2所示。

图2 下位机硬件结构框图

各传感器采集到的模拟信号通过信号调理电路进入TMS 320F2812的A／D采样通道，TMS 320F2812将处理后的数据通过CAN（控制器局域网络）传输至上位机。上位机采用的是美国NI公司的PXI系列数据采集平台，硬件主要包括PXI－1052机箱，PXI－8108嵌入式控制器，PXI－6259 16位1MS／s（多通道）、1.25 MS／s（单通道），32路模拟输入、PXI－6542 32位I／O卡，采用NI－DAQ驱动程序。辅助设备主要包括GU 980 C型车号识别装置、山特C 3K型Rack－Ups以及威图PS 4000型机箱等。

2 系统软件设计

车辆在线监测系统的系统软件可分为数据采集分析软件、控制台管理软件、WEB发布管理软件和系统管理软件等4类，其构成如图3所示。其中数据采集分析软件运行于探测站上位机，采用NI公司的Lab VIEW 8.6软件作为采集系统开发平台，实现对系统自检、传感器电源控制、车号识别、红外线校零、数据同步采集以及数据打包传输。控制台管理软件以VC＋＋6.0为平台进行二次开发，采用专门的模块化设计，嵌入到数据分析及系统管理软件中，实现对探测站数据的读取、控制网络状态，以及对探测站电源开关状态和数据采集过程监视等。采用MS SQL SERVER 2008作为数据库及数据管理软件平台，完成数据分析、数据管理、数据报表以及故障报警等。采用.NET及SQL大型关系数据库等编程工具，在地铁内部局域网上完成WEB发布功能，实现用户登陆、用户管理权限、浏览过车报表、浏览工作报表、系统管理、查询报表、历史故障报表、历史曲线、退出登陆、数据库同步、远程开关机等功能。

图3 系统软件构成框图

2.1 下位机软件设计

探测站的下位机主要执行监测信号的测量与控制服务。软件开发采用TI公司的DSP集成开发环境，开发语言采用了C和汇编语言的混合方式，主程序流程如图4所示。系统上电后先进行各个模块的初始化，然后开中断等待中断事件。当磁钢接收振动冲击开始动作时，A／D通道通过中断的方式开始采集轴温、车轮和振动信号的数据，然后执行数据处理程序，并通过CAN总线上传给上位机作进一步的处理。

2.2 上位机软件设计

数据采集分析软件安装于探测站的上位机，采用美国NI公司的图形化的编程语言NI LabVIEW 8.6开发，通过图形模式的结构框图构建程序代码，实现对仪器的编程和数据采集［6］。来自下位机的数据通过轴温数值的显示、车轮振动信号波形显示、车号显示和平轮特性参数显示等4部分以波形和数值的方式显示出来。具体的实现方法是通过数据采集分析上传模块上传数据分析、生成报告和上传数据至数据库服务器，其主程序框图如图5所示。

图4 下位机主程序流程图

2.3 控制台管理软件设计

控制台管理软件是通过VC＋＋6.0平台进行二次开发的，运行于数据中心的数据库服务器上，主要实现远程监控探测站、轨旁设备的运行状态，探测站与控制中心数据库的数据传输与通讯，系统报警，用户及数据库管理等功能。主要显示的系统信息有系统网络连接状态、数据库连接状态、监测点连接状态等。具体包括系统自检状态、传感器工作状态、系统当前工作状态、过车检测结果、系统工作日志、系统工作异常报警信息等。控制台软件界面设计如图6所示。

2.4 浏览网页设计

采用.NET及SQL大型关系数据库等编程工具，在地铁内部局域网上完成 WEB发布。用户输入用户名和密码后，进入查询终端网页。可查询数据报表、数据分析、故障报表等，并可根据需要进行相关模块的扩展。

图5 数据采集分析工作主程序

3 数据通讯方式

轨旁传感器通过CAN总线与探测站进行连接；探测站通过光纤以太网接口方式与数据中心进行通讯；数据中心通过光纤以太网接口方式进入地铁内部局域网，并通过加装网络防火墙的方式与互联网相联；通过互联网实现远程WEB浏览。

4 测试应用情况

为了检验系统功能，对所有车号标签进行10次轮流测试，系统识别率达到100%，符合设计要求。利用车轮有擦伤的故障列车进行来回10次的现场试验，系统均能准确地探测到该车的车轮擦伤，并及时给出报警，探测结果与实际测量的结果相近，误差＜0.2mm。另外，通过对刚回库的不同车辆的轴温进行多次人工测量，并与系统所报温度进行比较，发现两种测量方法所测量的温度变化趋势相同，系统温度测量误差＜3℃，能满足现场使用要求。

图6 控制台管理软件

5 结 语

经过测试和现场应用，车辆在线监测系统的功能和性能均达到了预期的目标。目前该系统在广州地铁2、8号线已进入施工安装阶段，建成投入运行后，将能有效提高车辆检修作业的准确性和效率，为广州地铁的安全运营提供有力保障。随着计算机、传感器和网络技术的进一步发展，地铁车辆在线监测技术也将不断发展，并具有广阔的应用前景。

［1］刘光武.城市轨道交通应急平台建设研究［J］.都市快轨交通，2009，22（1）：12.

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［5］苏奎峰，吕强，耿庆锋，等.TMS 320F2812原理与开发［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［6］刘其和，李云明.LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用［M］.北京：化学工业出版社，2011.