城市轨道交通车辆及设备状态监测系统

宋 杰

（中车株洲电力机车有限公司 产品研发中心，株洲 412001）

在轨道交通车辆运用中，由于道路不平顺、设备老化、设备失效、牵引传动设备故障等因素，会造成车辆运行不平稳。运行在非理想状态（轮对多边形、制动施加、轴承固死等），导致车辆或车载设备振动加剧、温度升高、设备功耗异常。在设备、部件劳损或故障情况下，一般需要对设备或部件进行维修、更换。车辆运用回库后进行检查，可以在一定程度上实现设备的检测；由于车辆回库后设备的状态与运行中的状态有差异，库内检测很难完全表征设备运行中的状态。同时，车辆回库后设备专项检测需要占用大量的检修资源。

设备的状态或运行状态，可以通过噪声、振动、温度、电流、功率、位移、位置、压力等参数来表征；大部分参数均需要在设备处于工作状态时进行实时检测。例如，采用加速度传感器可以实现设备振动的检测，有效地避免设备的非计划停机，延长设备的使用寿命[1]；从理论出发，分析机电设备关键部件轴承的主要失效形式和分析技术[2]，实现轴承部件的监测和诊断；基于工业物联网技术，采用云服务，实现对电机状态的实时监测[3]，保障设备的稳定高效运用。

本文从减少故障、提高运用效率、延长使用寿命、降低维护成本角度出发，综合考虑项目要求和技术储备，采用参数实时无线检测的方式，设计城市轨道交通车辆及设备状态监测系统，实现设备状态和车辆状态的实时监测[4-5]。

1 系统设计

1.1 系统架构

车辆及设备状态监测系统由检测终端、4G/Wi-Fi网络、HTTP 服务器等设备、功能模块组成，系统架构，如图1 所示。

图1 车辆及设备状态监测系统架构

通常情况下，检测终端安装在被测设备旁，例如，屏柜、司机室、底架等。车载4G/Wi-Fi 网络设备安装在车辆内，例如，屏柜、司机室等。HTTP 服务器及相关主机置于地面（机房）。

1.2 系统功能

系统实时检测车辆及设备参数，通过无线传输至远端服务器，采用显示终端实时显示信息，实现车辆和车载设备及部件状态实时监测功能。检测终端集成了嵌入式处理器和传感器，实现被测设备状态数据的采集，例如温度、电压、电流[6]、位置、压力、振动等[1]；4G/Wi-Fi 网络设备实现Wi-Fi 网络车辆覆盖[7]，以及数据远程无线传输功能；HTTP 服务器实时汇聚检测终端数据，并基于显示终端的请求返回查询的数据；显示终端通过公共网络访问HTTP服务器，获取并显示状态、告警、故障等信息。

2 系统实现

2.1 检测终端

本系统实现中，检测终端基于CC3200 处理器平台，分别集成温度、位置等传感器，实现相关参数的检测[8]。由于CC3200 集成了Wi-Fi 功能，工作在Station 模式，检测终端通过车载Wi-Fi 网络连接接入点（AP，Access Point）及公共网络，采用HTTP POST方式实时发送检测数据至HTTP 服务器。

2.1.1 温度检测

系统采用DS18B20 温度传感器检测被测对象的温度。DS18B20 是常用的数字温度传感器，测温范围为−55 ℃～+125 ℃。DS18B20 输出的是单总线数字信号，硬件资源消耗低。DS18B20 具有体积小、抗干扰能力强、精度高、传输距离远等特点。静态环境下进行测试，DS18B20 数据传输距离可达数百米。在本应用中，传感器数据传输线缆最长为9 m。

CC3200 处理器采用通用输入输出接口与DS18B20通信，获取传感器检测的实时温度数据。传感器温度数据检测流程如下：

（1）初始化软件参数；

（2）检测连接到总线的DS18B20 设备；

（3）读取DS18B20 的ROM 地址；

（4）检查设备供电模式；

（5）配置设备；

（6）读取温度。

温度检测终端，如图2 所示。图中，检测终端上部的接口用于连接DS18B20 温度传感器，检测终端具有IP65 防护等级。

图2 温度检测终端

2.1.2 GNSS 数据解析

CC3200 处理器通过通用异步收发传输器（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）以9.6 kbps 的传输速率与GNSS 模块通信，实时读取GNSS 数据并解析出日期时间和位置信息。

检测终端处理GNSS 解析数据的方法如下[9]：

（1）通过UART 接口随机获取一定长度连续的GNSS 实时解析数据（大于等于最长数据长度）；

（2）在解析数据中查询关键字GNRMC，对关键字之后的数据通过标识符“ ， ”或数个该标识符确定信息在数据中的位置，以获取日期和时间信息；

（3）在解析数据中查询关键字GNGLL，并对关键字之后的数据通过关键字N、S、E、W 等获取经度、纬度数据。

2.1.3 数据无线传输

检测终端中的CC3200 处理器设置Wi-Fi 协处理器状态，并连接至车载网络Wi-Fi 接入点，通过公共网络获取远程服务器的IP 地址；之后，采用HTTP POST 方式将获取的传感器检测数据发送至服务器。

在本系统中，检测终端工作在站点模式，与接入点的通信流程如下[10]：

（1）设置无线处理器为默认状态，包含Station模式设置、自动连接、DHCP 允许、发射功率设置、注销mDNS 服务等；

（2）再次启动无线处理器sl_Start()，并以Station模式连接至Wi-Fi 网络sl_WlanConnect()。

本系统中，检测终端采用HTTP POST 方式通过Wi-Fi 接入点实现与远程服务器的数据传输，具体流程如下。

（1）采用服务器主机名通过域名服务系统DNS 获取服务器以太网IP 地址sl_NetAppDnsGetHost-ByName()；

（2）创建与HTTP 服务器的连接；建立并发送HTTP 请求至HTTP 服务器；发送HTTP 头域至HTTP-服务器；发送消息体（POST 数据）至HTTP 服务器；

（3）解析HTTP 服务器反馈的响应数据，终止通话。

基于RESTful 架构，采用CC3200 处理器平台软件开发包中的SimpleLinkTM驱动和案例程序，构建了HTTP 客户端，采用POST 方式实现了数据的采集和实时无线传送。

2.2 车辆Wi-Fi 网络覆盖

采用4G/Wi-Fi 路由器，实现城市轨道交通车辆的Wi-Fi 覆盖；采用4G/3G/2G 移动网络连接以太网，实现Wi-Fi 和4G 移动网络之间的数据转发。

本系统应用案例中，城市轨道交通车辆的编组情况为Mc1+T1+M1-M2+T2+Mc2。4G/Wi-Fi 路由器安装于T1 和T2 电器柜，采用车内AC 220 V 辅助电源供电。为了增强路由器远端的Wi-Fi 信号，消除通信盲区，系统采用Wi-Fi 中继器扩展无线Wi-Fi 覆盖范围。Wi-Fi 中继器安装于Mc1、M1、M2、Mc2 电器柜或空调柜中，由车内屏柜内的AC 220 V 辅助电源供电。4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中继器安装效果，如图3 所示。

图3 安装于车辆屏柜的4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中继器

对于短编组的车辆，需要减少4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中继器数量。对于长编组的车辆，需要增加4G/Wi-Fi 路由器和Wi-Fi 中继器的数量。实际应用情况表明，在确保系统符合车载设备电磁兼容标准的情况下，当4G/Wi-Fi 路由器安装在两节车厢连接处时，相邻的两节车厢具有较好的Wi-Fi 网络覆盖。

车内可以布置网络线缆的应用，在路由器和中继器或其他接入点间通过有线网络连接，在减少4G/Wi-Fi 路由器的数量的同时，提高了车内无线网络的可靠性和可用性。

2.3 HTTP 服务器

（1）基于用户需求和项目应用要求，设备状态监测系统中的HTTP 服务器采用HTTP RESTful 架构，采用HTTP 协议实现远程终端数据的实时汇聚和存储；

（2）采用分类、排序、统计、拟合、滤波等方法，或运用相关算法，服务器对存储的数据进行处理和分析，实现被测设备状态评估、故障告警，以及预警等功能[11]，对相关结果进行存储；

（3）系统参照预设定的阈值进行判断，综合时间、位置、线路、环境、天气等应用条件，最终采用数字、表格和图形等方式在终端显示。

3 测试和优化

3.1 无线通信测试

对于无线Wi-Fi 网络，本文中采用Wi-Fi Analyzer 等专业软件进行Wi-Fi 信号和网络测试。本项目中，AP 分别安装在T1 和T2 的电器柜内，采用默认设置，车辆库内静止情况下，所测试的近场Wi-Fi网络信号强度为−26 dBm，底架检测终端处Wi-Fi 网络信号强度介于−55 ~ −75 dBm 间。

在测试阶段，可以采用公共的HTTP 服务器测试平台，实现检测终端的功能测试。

在本系统应用中，经实验监测，检测终端HTTP POST 方式发送温度数据或位置数据至远端服务器，每个检测终端每发送一次数据，网络数据量小于5 KByte。

3.2 车载网络优化

在车辆T1 和T2 电器柜内分别安装Wi-Fi AP，在M1 和M2 电器柜内加装Wi-Fi 中继器，统计一段时间内车辆载客运营时检测终端数据传输情况，如图4 所示。

图4 有效数据成功传输率数据

图4 中横坐标表示相应的检测终端，间接描述了检测终端安装的大致位置。虚线为未安装Wi-Fi 中继器的终端数据传输情况，实线为安装Wi-Fi 中继器后的终端数据传输情况。从图4 中可看出，检测终端越靠近AP，有效数据成功传输比例越高；增加中继器有效扩大了原Wi-Fi 信号覆盖区域（即增强了该区域Wi-Fi 信号强度），提高Wi-Fi 信号覆盖区域有效数据成功传输比例。与此相似，在Mc1 和Mc2 分别加装Wi-Fi 中继器后，Mc1 和Mc2 的有效数据成功传输比例均相应提高。

从图4 中可看出，两个AP 处整体有效数据成功传输比例有差异，主要原因是两个AP 分别使用了不同网络运营商的通信网络和服务。需要说明的是，实际应用经验表明，在车辆Wi-Fi 信号全覆盖的情况下，有效数据成功传输比例与车辆运行线路的移动通信信号状况成正相关。

4 系统应用

4.1 车辆位置实时监测

车辆内相关系统集成了GNSS 功能，实现车辆位置的实时记录和传输功能。但该系统的数据无法共享给其他应用方。

本系统通过在检测终端增加GNSS 模块实现了独立的车辆实时定位功能。集成了GNSS 模块的检测终端采用车载辅助供电系统供电，通过车载Wi-Fi网络定时发送车辆实时位置数据至服务器。该系统可安装在司机室前端、客室屏柜等位置。

客户端通过调用服务器的通用接口，实时获取车辆位置信息，采用浏览器地图或应用软件的方式实现车辆位置信息的实时动态显示。

4.2 车辆走行部温度监测

系统要求实时采集走行部轴承和电机的温度[12]。温度检测终端安装于车体底架，采用线缆连接温度传感器，温度传感器通过粘接方式或通过工艺孔物理连接至被测设备。温度传感器节点通过粘接方式安装于轴端、抱轴箱、齿轮箱、电机等表面或通过工艺孔物理连接至被测物体表面。车辆走行部温度监测，如图5 所示。

系统中设计实现的走行部温度检测终端具有极低的功耗，较低的数据流量。温度检测终端采用低功耗运行模式，在信息采集及与服务器通信之后，立即进入休眠状态，以节省电量。温度检测终端根据休眠前的配置，在一定时间后再次启动，图6 表示车辆轴承轴箱监测点某天的温度监测情况。

从图6 中可看出，该轴承轴箱某天的温度曲线，先上升，再下降；温度最高值低于50 ℃，远低于告警阈值；在图中118 点处，温度直线下降，表明车辆在117 点～118 点期间处于未运行状态，结合时间信息，可知车辆的运营状态（系统在车辆未上电工作情况下，不上报监测数据）。应用经验表明，在14：30～16：30 时，监测点温度较高。系统应用中，综合环境信息和温湿度变化，可动态设置预警阈值，实现被测设备状态精确告警、预警。

系统应用于走行部温度监测，实现了实时温度检测及无线传输功能[13]，突破了车辆回库后再由人工检测温度或读取温度试纸最高温度的局限，提升了检修工作的效率。基于实时监测的温度数据，可以实现信息动态显示和故障告警功能。运用情况表明，基于实时监测的温度数据，可以准确、高效识别故障点；辅助经验数据，可以预测故障和故障点。

4.3 智能数据处理

对于采集的大量传感数据，基于相应的阈值进行分析判断，即可高效、准确地确定故障点。统计不同网络配置、时段、线路、区间、天气等情况下车辆被检测设备和节点的数据及数据传输情况，分析比对，以确定本监测设备和本系统在相应情况下的状态。采用滤波、拟合、分类等算法，以及针对被测设备的数据模型，对采集的数据进行处理分析，判断设备状态，辅助设备检修；依据参数数据发展趋势，辅助于经验数据，采用特征降维、神经网络等智能算法[14]，可以高效预测故障和故障点，为设备或部件预防性维修提供依据。

5 结束语

设备状态监测系统采用了层次化、模块化、功能化的设计思想，实现了车辆状态和车载设备信息的实时无线检测、传输、显示。该系统成功应用于城市轨道交通车辆，已稳定运行50 余万km。实际运用情况表明，基于监测的数据和经验模型，可以实现车辆状态和设备状态的告警预警功能。该系统的应用，提高了车辆和设备日常检修的效率，有助于设备或部件的预防性维修。