客货共用车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)中检测控制系统的设计

陈天柱，秦菊，李甫永，李旭伟

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

客货共用车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)中检测控制系统的设计

陈天柱，秦菊，李甫永，李旭伟

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

铁路客车配备电子标签，实现了客车车辆自动追踪识别的信息化，使跟踪监测客车车辆运行品质成为可能。在既有货车车辆运行品质轨边动态监测系统基础上，设计出客货共用TPDS即可实现对客车车辆运行品质的监测，其关键在于对既有TPDS的检测控制系统的优化设计。新的检测控制系统很好地解决了客车对TPDS的电磁干扰问题，使不同车型丢列比均出现大幅下降，达到了TPDS的优化升级目的，为客货车行车安全提供了技术保障。

客车车辆 运行品质 检测控制

车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)是车辆运行安全监控“5T”系统之一。主要是为监测货车而研发的安全监测系统，在抗电磁干扰和数据采集处理能力等方面无法满足监测客车的要求，故在既有TPDS基础上，设计出同时满足客货车的监测控制系统，以实现TPDS对客车的有效监测。

1 TPDS检测控制系统结构

TPDS主要由二维板式压力传感器、剪力传感器、多路高速数据采集仪、工业控制计算机和测试软件组成。将传感器检测到的轨道力学信号按比例转换成电压信号传送至数据采集仪，数据采集仪对信号进行放大、滤波以及模数转换，并输出数字信号到计算机，通过测试软件完成对监测车辆运行品质的判别和数据处理［1-2］。TPDS检测控制系统结构如图1所示。

1.1 传感器

TPDS采用二维板式压力传感器和剪力传感器，两种传感器均为应变式惠斯登全桥自补偿测试电路，压力、剪力传感器的输入输出阻抗因不同厂家略有不同，均为数百欧姆，原理如图2所示。

图1 TPDS检测控制系统结构

1.2 数据采集仪

数据采集仪主要功能是对传感器信号进行调理放大、滤波、偏移纠正和模数转换，并将转换后的信号传输到计算机。其中信号调理放大、滤波和偏移纠正由采集仪上电位器和集成电路芯片实现，模数转换由采集仪上板载数字信号处理器件完成，并按EPP并口通讯协议与计算机进行数据传输［3］。数据采集仪原理如图3所示。

图2 传感器的原理图

图3 数据采集仪原理框图

在铁路线上，电磁干扰主要来自电气化铁路的接触网以及机车。既有TPDS对货车监测时来自接触网和机车的电磁干扰源比较确定，容易规避;当对客车进行监测时，尤其是动车组每节车辆都有动力，电磁干扰源比较复杂，为此要设计出电磁兼容能力更强的数据采集仪。

有无电磁干扰下，TPDS对客车监测波形对比如图4所示。可见，电磁干扰对客车监测结果的影响非常显著，必须予以解决。

基于以上对客车电磁兼容问题的分析，需要对数据采集仪的信号调理模块、模拟信号转换数字信号模块进行优化设计。从隔离干扰源、阻断传播路径和保护接受载体三个角度，分别采用了隔离技术、滤波技术、接地技术。

图4 有无电磁干扰下TPDS对客车监测的波形对比

1)信号调理模块

信号调理模块主要工作是对来自传感器的电压信号进行放大、滤波和零点纠偏。由于传感器采用的是直流电压输出方式，信号调理模块必须采用直流电源供电。器件选择的关键在于选择合适的运算放大器。综合考虑使用条件和维修便利，运算放大器要选择非贴片式、增益高、信噪比大、工作电压匹配的型号，确定采用高精度运算放大器AD620和AD712，由它们组成两级运放单端输出的结构，并采用有源滤波方式，原理如图5所示。

图5 两级运放单端输出原理

2)模拟信号转换数字信号模块

本模块对调理后的信号进行模数转换，并将转换后的信号传输给工业控制计算机。在充分考虑测量精度、抗电磁干扰性能、调试便捷性和接口通用性的前提下，采用了64通道16位多功能数据采集模块，如图6所示。该模块支持32位PCI总线，即插即用，分辨率高达16 bit，精度优于0.02%(满量程)，64路模拟通道输入，采样频率为500 kHz，带DC/DC隔离电源，抗干扰能力强［4-6］。

由以上模块组成的客货共用TPDS数据采集仪经过实验室疲劳试验和现场试用，完全满足对客货车的监测要求，克服电磁干扰的影响，保证了监测数据的有效性［7］。

为方便维修和提高使用率，该数据采集仪采用了模块化设计和插卡式，如图7所示。依据国家轨道衡器形式评价大纲以及电磁兼容国标对数据采集仪进行电磁兼容测试，取得了河北省计量监督检验院的合格证书［8］。

图6 多功能数据采集模块

图7 数据采集仪及插槽卡

1.3 隔离电源

为了提高整个系统的抗电磁干扰能力，防止供电电源对客货共用TPDS检测控制系统产生高压放电或其他原因破坏殃及整个系统，设计了隔离电源装置。隔离电源采用1∶1的工频变压器与供电电源进行隔离，由于隔离电源没有地线，即使外部传感器输入高压信号，也会降低整个设备被烧毁的可能性并提高系统的电磁兼容能力。隔离电源原理及装置如图8所示。

图8 隔离电源原理及装置

1.4 远控电源

由于TPDS现场处于无人值守状态，当需要系统复位或系统死机时，需要人工去现场启动电源。为了解决这个问题，在客货共用TPDS中设计了基于GSM网络的远程控制电源。远程控制电源主要由Silicon Labs公司的高度集成混合信号单片机CF8051F236、西门子公司的通信芯片MC37I以及6组继电器组成，使用汇编语言对CF8051F236进行软件开发，最终实现MC37I依据接收短信内容控制CF8051F236对继电器操作。远程控制电源装置如图9所示［9-10］。

图9 远程控制电源装置

远程控制电源可以通过MC37I中的SIM卡接收手机短信，依据短信内容来分别控制四路直流和两路交流电源的关闭和启动，并回复操作结果短信给手机。

1.5 数据采集检测软件

数据采集检测软件由动态测量、数据回放、设备测试3个功能模块组成，基于Microsoft Visual C++6.0集成开发环境进行设计。其软件体系结构如图10所示。

图10 TPDS数据采集检测软件体系结构

该数据采集检测软件可实现数据动态采集、数据平滑滤波、实时统计分析、信号波形回放、设备状态自检等诸多功能。该软件充分发挥了windows视窗所提供的可交互式操作环境，集绘图、按钮操控、数据显示于一体。数据采集检测软件中数据采集界面如图11所示。

图11 数据采集界面

2 客货共用TPDS监测效果

客货共用TPDS检测控制系统研发成功后，在北京铁路局廊坊探测点进行了试用。检测控制系统升级前(2013年7月)和升级后(2014年7月)对不同车型的监测情况对比如表1。

表1 检测控制系统升级前后对不同车型的监测情况

将车号系统监测列数与TPDS监测列数的差值与车号系统监测列数的比值定义为丢列比，丢列比越大表明TPDS未监测到的列车越多，系统稳定性越差。通过对以上数据的统计分析，可以得出TPDS检测控制系统升级前后丢列比情况，如图12所示。

由图可见，在TPDS检测控制系统升级后不同车型的丢列比均出现大幅下降，尤其是动车的丢列比由63.27%下降到1.96%，对动车监测效果大大提高，货运列车的丢列比接近于0，实现了对货运列车的全部监测，表明客货共用TPDS很好地实现了电磁兼容。

图12 TPDS检测控制系统升级前后丢列情况对比

由于统计列车数与实际列车数存在着因客观条件和样本数量等造成的系统性误差，因此TPDS检测控制系统升级后，实际的丢列比应略小于统计值。

3 结论

在既有的TPDS基础上，成功地设计出同时满足客货车监测需要的新系统。该系统采用了高性能多通道数据采集和最新电磁兼容技术，解决了客车电磁干扰源对系统的扰动问题;同时针对无人值守状态下的系统复位问题，设计了远程控制电源。

［1］柴雪松，朱兴红．车辆运行状态监测系统(TPDS)在轨道负荷监测中的应用［J］．铁道建筑，2008(11):93-95．

［2］李家林，罗林．轨道负荷、车辆状态安全监测新系统［R］．北京:铁道部科学研究院，1998．

［3］唐颖，阮文海．高速数据采集系统控制电路的设计［J］．现代电子技术，2004(19):21-23．

［4］王卫江，陶然．高速ADC的性能测试［J］．电子技术应用，2004(2):34-37．

［5］陈非凡．仪器设计技术基础［M］．北京:清华大学出版社，2007．

［6］宗孔德，胡广书．数字信号处理［M］．北京:北京航空航天大学出版社，1988．

［7］中华人民共和国铁道部．铁运函［2007］776号TPDS、TADS、TFDS设备检修维护管理规程［S］．北京:中国铁道出版社，2007．

［8］李旭伟，吕大壮，暴学志．地面安全监测系统TPDS传感器标定的虚拟仪器技术［J］．铁道机车车辆，2009(2):19-22．

［9］戴梅萼，史嘉权．微型计算机技术及应用［M］．北京:清华大学出版社，1996．

［10］何立民．单片机应用系统设计［M］．北京:北京航空航天大学出版社，1990．

(责任审编葛全红)

U216．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．32

1003-1995(2015)03-0115-04

2015-01-10;

2015-02-10

陈天柱(1981—)男，辽宁昌图人，助理研究员，硕士。