基于无线数据采集技术的地铁车辆地面试验在线监测系统

王　磊，安刚虎，崔江涵

（1.南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏 南京 210000；2.青岛海能电气有限公司，山东 青岛 266000）



基于无线数据采集技术的地铁车辆地面试验在线监测系统

王磊1，安刚虎2，崔江涵1

（1.南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏 南京 210000；2.青岛海能电气有限公司，山东 青岛 266000）

摘要：地铁车辆地面试验是地铁调试的关键步骤，为了提高试验效率和可靠性，必须对其进行在线运行状态监测。文章针对地铁车辆分布式采集系统在数据传输上存在的困难，提出了一种基于无线数据采集技术的地铁车辆地面试验在线监测方案，该系统具有数据存储分析、状态监测、故障诊断的功能，可实现大范围内的地铁车辆运行状态的实时监控。

关键词：地铁车辆；在线监测；分布式数据采集；故障诊断；无线传输

地铁车辆地面静调试验是地铁调试的关键步骤，调试工作复杂、零碎，需耗费大量的人力、物力和时间。为了提高调试效率，保证试验安全运行，对地铁车辆地面试验进行在线监测是十分必要的。

目前，整个基于无线采集技术的远程监测系统还处于一个较低的水平，其中电话网自组网、电台数传的自动控制方式在抗干扰性、稳定性等方面存在着明显的不足，监测的距离也存在一定的限制；而打电话、发传真的人工控制方式不能及时发现故障，排除隐患，运行效率低，不便于管理，也不能满足灵活监测、迅速部署的现代化监测管理的要求。为了提高检测精度、实时性，降低成本，本文提出了一种基于无线数据采集技术的地铁车辆地面试验在线监测系统，利用无线数据通讯技术，提高了地铁车辆地面试验在线监测的实时性，降低了监测的成本；运用数据库存储与管理实时采集数据，实现了异地间的状态监测和故障的智能诊断，提高了地铁车辆工作状态判断的速度；设计出了操作方便、友好的监控界面，解决了采集点分散、监控现场无人值守的问题，实现了监控中心集中监控、集中管理、集中维护。

1　系统总体方案设计

目前国内外研究的地铁车辆在线监测装置大部分为便携式在线监测仪器，属于半在线监测，检测精度低、实时性差，并且无法对被监测地铁车辆的历史数据进行对比。根据工程实际应用的要求，基于无线数据采集技术的地铁车辆在线监测系统应具有以下3个功能：接收远端无线模块输出的监测点状态数据；上位机数据库存储地铁车辆状态信息和智能判断故障；上位机监控界面显示地铁车辆状态信息［1］。从工程实际应用出发，远程在线监测系统应具有较高的实时性、可靠性和环境适应能力。根据对地铁车辆在线监测系统的功能需求和性能需求的分析，本文设计了如图1所示的在线监测系统。该系统由无线数据采集和上传、信息处理、监控界面显示3个部分组成。在远端采集地铁车辆状态信息并且运用无线模块发送，无线数据接收模块接收地铁车辆状态信息，然后通过串口通讯将接收到的地铁车辆在线监测状态信息上传到PC机，由信息处理模块进行存储并分析，智能判断地铁车辆的运行状态。为了便于用户操作、查询和报警，系统的监控界面应友好、直观、易操作。

图1　地铁车辆在线监测系统整体结构图

地铁车辆地面试验远程在线监测打破了传统的地铁车辆监测系统的构架，采用硬件采集，软件分析的设计方案，即定时或即时采集地铁车辆数据，然后利用计算机软件对采集到的数据进行处理［2］。地铁车辆在线监测是一个长期的过程，需通过数据库将所有采集到的地铁车辆的状态信息进行存档，以便查询历史数据或者绘制模拟信号曲线图，进而了解整个地铁车辆的运行状态。

2　在线监测系统设计与实现

在每组监测点（实验箱）下方均装有无线采集单元，将采集到的地铁车辆状态信息通过无线传输方式发送到监控中心的基础上；监控中心接收远端传送来的地铁车辆状态信息，将数据上传到监控主机内；主机对采集到的信息进行合并，实时动态显示，并根据数据库的支持，随时提取历史数据并对新接收到的采集信息进行各种处理［3］。

2.1无线数据采集模块

无线数据采集模块是基于无线数据采集技术的地铁车辆在线监测系统必不可少的部分，其基本结构图如图2所示。电源向采集板卡和单片夹供电，单片机将采集到的地铁车辆信号通过无线网络发送出去，上位PC机通过串口连接无线网络接收远端无线网络发送来的地铁车辆信息。

图2　无线数据采集模块硬件基本结构图

采集板卡采集的调试信号分布于驾驶室、一位端、二位端、车下等不同的电气柜中，有开关量信号也有模拟量信号。基于以上特点数据采集模块采用分布采集，集中管理的方式［4］，每个分布式采集系统最多可采集和处理96路信号。信号采集主板有6个插槽，每个插槽可连接不同信号的隔离转换板，隔离转换板有开关量输入板、开关量输出板、模拟量输入板3种，可以根据不同需求进行搭配连接。

2.2信息处理模块

PC机读取到存储器内监测点信息后，由无线数据处理模块把接收到的相关数据写入数据库中以便服务器呈现试验现场的实时信息；同时还可以将数据库中设定的试验判定信息与刚采集到的数据进行对比、判断，了解地铁车辆设备的运行状态，以便及时地进行处理。当发现数据异常时及时判断出地铁设备出现的状况，并给出警示，以维持地铁车辆在安全的工作状态运行。

由于地铁车辆在线监测是一个长期过程，需能够存储大量甚至海量数据的数据库。SQL Server数据库是目前使用较广泛的数据库产品，具有真正的表和索引数据分区技术。在数据采集系统应用中，经常会出现由于设备的功能缺陷或者硬件故障，导致系统运行过程中出现不可预料的情况。现有的设备故障诊断主要依赖于人工的经验判断，往往在造成一定影响后才被发现，并且故障源的锁定对技术人员的熟悉程度要求较高；同时系统运行过程中记录的大量历史数据由于没有得到很好地利用而被浪费。因此为了避免系统出现故障造成的损失和充分利用记录的历史数据，该系统针对地铁运行状态智能故障的判断，设计出服务器监控软件。该软件基于Windows 2007平台，主要用Microsoft Visual Studio 2008进行开发［5］，整个软件系统设计采用模块化的结构，其总体结构图如图3所示。

处理器单元通过串口读取无线采集模块接收到的地铁车辆在线状态信息，然后存储到存储单元。处理器单元也可以读取存储单元存储的信息并在显示单元显示，输入单元可以对处理器单元进行各种输入操作。

图3　监控软件总体结构图

本服务器监控软件中，通过输入单元设定信号采集板卡采集的信号名称、采集板卡的电源电压、试验步骤信息，从而确定智能判定系统的理想状态信息，存入存储单元数据库中；通过通讯接口读取采集到的现实信息，并与数据库中的理想状态信息作比较，从而判定地铁车辆是否正常工作，若非正常工作，指出故障并提出可能的故障原因，在显示单元中显示。

2.3监控界面显示模块

根据地铁车辆地面试验状态远程在线监测的要求，监控界面应该具有实时在线显示、历史数据查询、地铁车辆状态信息分析、地铁车辆状态信息转存等功能。服务器监控软件整体结构图如图4所示。

图4　监控软件整体结构图

本监控软件系统进入主页面，设置好地铁车辆地面试验信息之后，保证串口打开的基础上，可以实时接收和存储监测点通过无线模块发来的信息，并与数据库中存储的信息进行比较，以判断试验是否成功。监控软件还可对数据库数据进行各种处理，包括历史数据查询、信息曲线图绘制、Excel表格导出、模拟信息曲线图转存等［6］。

3　结语

随着计算机技术和无线传输技术的发展，远程监控系统越来越受到用户的重视。为了提高地铁车辆地面调试实验的效率，本文针对于监测信息量大且位置分散的地铁地面试验运行状态监测，提出了基于无线采集技术地铁车辆地面试验在线监测系统的总体设计方案，使用面向对象编程技术，编写了用户操作简单、友好的服务器在线监控软件，通过实际测试，达到了对地铁车辆调试数据的各项要求，实现了地铁车辆地面试验监控的自动化。

参考文献

［1］ 南车集团．工艺文件（CGJ056-42-J3）［R］. 2012.

［2］南车集团．车辆接线图PM05600-373-000000［R］. 2012．

［3］孙伟．基于无线通讯的数据采集及故障诊断系统研究［D］．杭州：浙江大学，2010.

［4］屈景辉，廖琪梅，张星，等．基于面向对象的数据采集系统控制策略［J］．第四医大学报，2002（23）：105-106.

［5］Lixiang Shen，Francis E H Tay，Liangshen Qu. Fault diagnosis using rough sets Theory［J］． Computers in Industry，2000，43 （3）： 61-72.

［6］胡文平，尹项根．电气设备在线监测技术的研究与发展［J］．华北电力技术，2003（2）：23-26.

On-line Monitoring System for Ground Test of Metro Vehicle Based on Wireless Data Acquisition Technology

Wang Lei1， An Ganghu2， Cui Jianghan1
（1. CSR Nanjing Puzhen Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China； 2. Qingdao Haineng Electric Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract:The ground test of Metro vehicles is the key step in the subway debuggin， in order to ensure it's reliability and improve the efficiency of the test， on-line operating state of the metro vehicles should be monitored. According to the data transmission the difficulties of distributed data acquisition system， a real-time monitoring method for the ground test of metro vehicles based on wireless data acquisition technology is proposed with abilities of data storage analysis， state control and failure diagnosis. Through the system， a widely-range and real-time monitoring for metro vehicle operation state is achieved.

Key words:metro vehicle； on-line monitoring； distributed data acquisition； fault diagnosis； wireless transmission

中图分类号：U231+.92

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0089–03

收稿日期：（2015-12-25）

作者简介：王磊（1980-），男，江苏无锡人，工程师，主要从事地铁、铁路客车等轨道交通车辆制造及车辆研发、调试工作。