机车监控装置运行数据分析和质量控制系统的开发

王永军

摘要：该方案的目标是利用高性能多核嵌入式处理器（MCEP）实现列车控制和通信系统的自动化。这种方法克服了现有方法所面临的困难，如检测轨道裂纹、监测轨道间距、车厢监测、车厢内火灾和烟雾监测。随着无线传感器节点（WSN）和基于高能激光的超声波技术的出现，列车自动化（TA）可以灵活地实现列车运行参数的实时管理和对列车运行异常情况的实时监测，避免延误和事故的发生。在无线技术的发展帮助下，所有的参数都将在电力机车引擎公司进行处理、控制和管理。多核嵌入式处理器（MCEP）在多核嵌入式软件帮助下，对所有接收到的数据进行快速处理，以提高处理速度。

关键词：机车监控;数据分析;质量控制

0  引言

近年来多台机组采用电气隔离开关，但仍采用手动直接控制方式。据不完全统计，全国铁路机车系统，由于整个运营过程中误用人员造成的伤亡人数达数十起。因此，为了加快整个电力机车运营商的变革，通过检测落后的维护情况，降低系统成本，在控制方面与国内现有的研究有很大不同，我们设计开发了基于安全现场总线技术的网络控制系统和硬件监控系统，集中管理了轨道（站台）的分散控制，从而实现了真正意义上的开放、分散和数字化通信。

1  机车监控装置发展概述

1.1 发展背景

由于国内电力机车整个市场主要依靠人工控制操作，现场监控操作时的情况。针对事故发生的潜在原因，通过调查研究，开发由全集团运营的电力机车车辆安全监控系统，可以改变传统的由全集团运营的机车运营管理和断开机车运营的维护方式，大大减少整个运营时间，提高工作效率，保证人身安全。它在铁路安全生产中起着重要作用。

1.2 发展现状

采用单片机或控制器对大客车火灾事故及其他异常情况进行跟踪处理，可能产生延迟较大、响应较慢的输出。手动监测电子元件的电学和热学参数水平将不是一种有效的方法。手工检测轨道裂纹和检查轨道尺寸不能提供良好的效果。虽然现代列车已经采用了最新的技术来运行和控制列车，MCEP与其他方法的结合肯定会提供健壮和精确的操作。

1.3 系统架构思路分析

在本文提到的系统中，该系统采用MCEP与其他模块一起实现列车自动化，减少了人为操作失误，降低了功耗，提高了系统的可靠性和快速运行。它由执行列车运行的硬件和软件模块组成。系统由多个功能单元组成，包括基于激光的超声钢轨缺陷检测单元、轨道尺寸监测单元、电机控制单元、ELE电气和机械特性监测及车厢无线监测单元、多核嵌入式处理器中央单元等。MCEP起着至关重要的作用，也就是说，它是这个系统的核心。各功能单元可以采用有线和无线方式与MCEP进行链接。

2  机车监控装置运行数据分析和质量控制系统硬件模块的开发

2.1 多核嵌入式处理器（MCEP）

许多嵌入式处理器都是在单个硅芯片上制造的。大的工作将被分成更多的任务和优先级。每个任务将利用相应的处理器，并快速实时地执行它们的应用程序。由于 MCEP，如果一个处理器出现故障，自动运行的任务可以毫不延迟地切换到其他处理器。因此，系统的整体效率和响应将得到提高。

2.2 基于激光非接触式超声波轨道缺陷检测控制单元

事实上，由于轨道断裂而导致的火车脱轨现象仍时有发生。缺陷监测可能受到以下因素的影响：钢轨表面状况、钢轨轨头几何形状、缺陷几何形状和方向、传感器引入的电气和/或机械噪声以及传感器与钢轨表面耦合不足。为了避免这个问题，提出了基于非接触式脉冲激光的超声钢轨缺陷检测方法。特别地，这种方法，包括一个脉冲激光器和一个空气耦合的传感器将被安装在电子元件的前端。它具有以下优点：①能够灵活地发现用目前铁路行业可用的方法无法检测到的裂纹;②检查是非接触和远距离的;③铁路表面的氧化物或油的存在增强了激光的产生;④检查速度可以高于接触法。这个单元的输出将被反馈到MCEP的一个输入进行进一步的处理。

2.3 铁路轨道尺寸监测单元

轨道监测系统通过监测轨道的沉降、扭转和轨道间距，保证轨道的安全运行。当附近的建筑活动，例如隧道工程或开挖工程，可能影响铁轨的安全时，便会安装上述系统。同时系统也安裝在穿越受到山体滑坡或洪水威胁地区的轨道上。由于轨道沉降传感器和轨道扭转传感器的可用性，该系统将实时监测轨道，然后数据将无线传输到MCEP，以便进一步处理，向列车控制系统发出警报。

2.4 温度及烟雾监测装置

利用客车上的无线温度烟雾传感器节点，在车厢内发生火灾、冒烟时，机车自动停车。这些节点包括传感器，射频收发器，微控制器和电力收割机，即太阳能电池。在本文系统的微控制器总是实时检测阈值，如果有烟雾，就迅速将数据发送到MCEP单元的接收部分进行进一步处理。

2.5 其他硬件设备

受电弓，直流系列电动机，水龙头变压器将自动操作和控制的MCEP。在没有机车驾驶员和大巴警卫的情况下，在实时和电压/电流水平监测中，机车和车厢的刹车将使用MCEP，并在相应位置放置各自的传感器。使用无线电模块，舱室将被监测使用距离或接近传感器节点在2个舱室连接点。铁路轴承声学监测采用先进的声学技术，通过实时分析和内置的趋势软件，监测轴承缺陷，以获得最佳的轨道网络性能。如果轴承有任何缺陷，机车将被停止。散热将被监测使用温度传感器在电子元件。

2.6 系统通信系统设备

在通信系统模块，其结构设计件开发使用组态王6.52，微软office Access数据库，建立数据连接使用ODBC数据源，主要点PLC使用pc适配器（适配器），MPI接口S7-315-2DP PLC，电力机车控制系统是通过pc PLC单元控制通过操作整个现场的设备，并对所有设备的状态进行实时检测。整个操作过程都是人机安全控制，机车顶部操作的统计数字将采用无线设备移动工人实时传输到地面控制计算机，从而保证了维修人员的质量、维修人员的安全和设备的安全。当PC主动操作时，如果成功连接到系统，指示灯显示绿色，如果故障，指示灯显示红色。

在系统通信系统中，动态显示控制可以集成在线监测设备状态，控制台可以达到动态显示百年“开闭”状态。动态显示控制台可以集成监控设备屋顶门的状态，控制台可以动态显示综合监控设备屋顶门钥匙联动开关的位置，控制台可以动態显示屋顶工作人员的状态历史查询，可以操作历史记录。操作所记录的全部印刷品，可以通过操作所记录的全部印刷品来实现。控制界面实现了通信，并实现了整个显示和控制界面与监控中心交换机的通信。

3  机车监控装置运行数据分析和质量控制系统软件模块的开发

多核体系结构有一个单独的处理器包，包含两个或多个处理器执行核心或计算引擎，并通过适当的软件完全并行地执行多个软件线程来交付。超线程技术允许额外的线程对每个核心进行操作。多核处理器的编程语言也可以用面向对象程序设计语言来实现。MCEP鼓励基于最高优先级的多处理。由于对每个任务的优先级考虑，任务应该被唯一地排列优先级。为基于MCEP的嵌入式系统的设计提供了良好的平台。

软件体系结构设计减少了软件工程设计和实现的复杂性，可以提高系统的可靠性。编写全电力机车安全监控网络操作系统软件体系结构设计包括：主从网络配置模块、非接触式ID卡操作管理模块，以及从站PLC系统数据交换模块、站PLC电机控制模块的实现，以及几个主要模块的设计。

主机监控软件采用组态王6.52开发，运行在Windows XP平台上。在组态软件的选择上，采用北京控制自动化软件技术公司组态王软件进行了分析比较。它具有操作简单灵活的视觉界面、实时性、良好的并行处理能力、丰富的多媒体生动画面、完善的安全机制、报警功能等多种多样的优点。采用合理的配置后，自动控制模式在大型计算机中可视化显示，方便观察机车检修的全过程，实时监控。所以在引入工业控制组态软件的过程中是必不可少的，它使得控制更加直观、更加安全。在实现方法中重点放在四个方面：图形、界面设置、渲染各种图形符号;实现图形和控制界面之间对应的物理状态设置;动态生成数据库、历史记录、语句等;实现实时监控功能。

在系统配置方面，安全监控网络系统为了实现各个模块与PC机之间的数据交换，相关的通信有：主站PLC与PC机组态软件之间的通信由站PLC与IC卡之间的通信以及站PLC与微控制器之间的通信。主站PLC（S7-315-2DP）与PC组态软件通信仅在组态王设备中选用PLC/Siemens/S7-300系列Profibus-DP，然后在组态王的数据字典中将PLC定义为变量和相应的I/O变量。PLC与主站通信，主站选用S7-300 PLC，SIMATIC S7-300系列PLC协议MPI支持协议与西门子S7-300系列PLC通信监控软件。需要您的计算机安装或使用MPI PC-Card适配器。

系统中的通信控制改变了传统的手动操作模式，消除了潜在的安全问题。采用PLC控制技术，全面实现了整个人机操作过程中的安全控制，充分保证了人身安全和设备的安全。同时，摄像装置和工作条件的实时传输准确，更好地保证了整个运行的质量和安全性。在电力机车和动车组监控系统中，采用视频采集技术将为运行高峰期机车操作人员传输实时状态监测和计算机观测分析，从而保证维修人员在标准的操作秩序下操作，实现人机控制的安全，保护人身安全、设备安全和工作质量具有重要意义，但也具有较高的推广价值，社会效益和经济效益不容低估。

4  结语

综上所述，MCEP的出现可以控制列车的所有参数、钢轨缺陷检测等参数。在此基础上设计通信系统，整个系统进行了相对完善的功能测试，取得了良好的效果。整个电力机车监控系统包括一些功能模块，以及监控软件对机车运行全过程的记录采集，上位操作视频采集，身份证信息管理，历史数据查询，打印等功能齐全，使用方便。电力机车的发展通过对运行安全的群监控系统改变了长期以来对电力的维护，通过对整个现场运行的管理和切断机车运行的整个监控模式，保证了人身安全，提高了工作效率，在铁路安全生产中发挥着巨大的作用。该监控系统通过进一步的研究为整个电力机车的运行提供了一个新的思路，该系统也具有实用价值和良好的推广前景。

参考文献：

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