电力机车智能仪表监控装置的探索与实现

郑泽雄 王汉东 陈祖宇 梁杰 常金 涂年金

摘 要：为实现电力机车仪表的智能监控，代替乘务人员人工观察和判断确认。本文介绍的电力机车智能仪表监控装置，通过实时采集电力机车工作时控制电压、接触网电压、总风压力、制动缸压力等有关数据，建立机车状态诊断模型，实现电力机车仪表智能监控。该装置基于机车既有的控制逻辑，加装方便，可以减少副司机95%以上的仪表确认工作，方便其更好地瞭望前方线路情况，降低行车安全风险，提高安全生产物防、技防水平。

关键词：电力机车;监控;仪表;装置

中图分类号：TE938 文献标识码：A

0 引言

电力机车上的仪表装置目前都是数字或指针显示的“指示性仪表”，需要乘务员人工观察、判断和确认。在机车乘务员值乘作业过程中，前方瞭望的任务非常繁重，检查确认仪表的显示是否正常对乘务员来讲是个“负担”。从安全管理角度，对机车仪表的检查确认目前完全依靠“人防”，急需增加“物防、技防”等技术手段[1]。

本文通过实时采集电力机车工作时控制电压、接触网电压、总风压力、制动缸压力等相关数据，并建立机车状态诊断模型，完成机车操纵指令与功能反馈的采集、机车逻辑监视和判断、机车设备状态判断，实现机车仪表的智能监控。从技术、装备上改善机车乘务员的值乘工作条件和提高安全生产物防、技防水平，最大限度保障机车担当任务的安全，研发“电力机车智能仪表监控装置”很有必要[2]。

1 电力机车仪表监控的重要性

机车在运用中，乘务员对机车仪表的观察、确认主要有蓄电池电压、接触网网压、总风缸压力、制动缸压力。当乘务员因值乘精力影响，未观察到仪表异常波动时，会对乘务员操纵行车干扰，误判故障现象，造成机车非正常停车等，干扰正常运输组织[3]。

（1）蓄电池电压。由于机车控制回路由蓄电池提供电源，在运行过程中机车充电装置向蓄电池浮充电，保障机车控制回路电源持续稳定工作，实际运用中由于电网波动、蓄电池交流充电开关性能下降、充电回路电子装置失效等原因均可能造成运行中机车110 V控制电源不充电现象[4]。

（2）接触网网压。机车过分相后闭合主断需确认接触网网压，如果网压过高或过低均不允许闭合主断，网压监控辅助功能可提示乘务员防止错误操纵[5]。

（3）总风缸压力。机车总风由主空气压缩机控制，由于机车主压缩机控制开关设计种类因机车车型、批次不同，在机车转线、换端、过分相、机车待避关闭头灯等复杂高强度作业环境下，乘务员容易造成遗忘（部分机车不需要操纵）、错误断开主压缩机控制开关，造成机车总风风压持续下降，不能及时发现，最终引发机车故障如：牵引封锁、自动降弓等。

（4）制动缸压力。机车制动缸有压力情况下机车持续牵引可引起轮对擦伤、迟缓，等严重故障或事故隐患。

2 电力机车智能仪表监控装置的探索

为实现电力机车智能仪表监控，通过采集和谐型电力机车工作时控制电压、接触网电压、总风压力、制动缸压力等有关参数，研发机车状态诊断模型，确认机车处于安全状态，当出现超限情况时及时预警，具有以下功能：1）与操纵机车相应程序相关的逻辑监视功能。2）当发生仪表指示与操作不相一致时，启动智能提示。电力机车智能仪表监控装置主要采用的设备包括：摄像头、司机盹睡识别装置、主机、显示灯、语音扬声器、蓄电池电压采集装置。装置结构组成如图1：

3 电力机车智能仪表监控装置主要功能

电力机车智能仪表监控装置可以实时采集电力机车工作时控制电压、接触网电压、总风压力、制动缸压力等有关参数，具有数据采集、逻辑监视及智能语音提示等功能。

（1）连接蓄电池电压采集和分析。通过以太网接口，实时采集蓄电池网压数据，进行蓄电池电压分析判断。如果监测到蓄电池电压在95.5 V以下，则监控装置进行蓄电池馈电报警提示;在机车有交流电压情况下时，延时40 s判断充电电压是否达到105 V，如果没达到指定阈值，则进行蓄电池充电电压异常报警提示。

（2）接触网网压采集和分析。采集机车原边电压数值，根据数值是否在合理的范围区间内，判断接触网网压或主变压器原边电压是否存在异常。机车在受电弓升起且处于非过分相状态时，如果监测到网压低于17.5 kV且持续时间大于2 s則监控装置进行网压偏低报警提示。

（3）总风缸压力采集和分析。采集机车总风缸压力反馈数值，根据数值是否在合理的范围区间内，判断机车总风压力是否存在异常。如果监测到总风缸压力在700 kPa以下时则监控装置进行总风缸压力低报警提示。

（4）制动缸压力采集和分析。采集监测机车控制风缸压力判断结果，判断机车控制风缸压力是否不足。小闸在运转位且机车处于空电联合投入情况下，机车速度大于3 km/h、制动缸压力大于40 kPa时监控装置进行制动缸压力异常报警提示。

（5）结果提示。设置判断结果等级，分3级，正常、中等风险、高风险，通过语音扬声器和显示灯进行提示。语音播报默认2次，播报次数可以调整和设置。如果判断结果为高风险等级，则显示灯状态显示为对应灯色;如果判断结果为中风险等级，则显示灯状态显示为对应灯色;如果判断结果为低风险等级，则显示灯状态显示为对应灯色;显示灯常亮，直到报警消失。

（6）数据记录存储。逻辑判断结果采用二进制数据进行记录保存，记录保存的信息包括车型、车号、时间（精确到秒）、判断结果代码、判断结果等级、与判断结果相关的状态数据。数据保存可以按天进行记录存储，剩余存储容量不足时，先进先出，删除最旧的数据文件[7]。存储的记录数据，可以人工采用笔记本电脑进行下载、分析。

（7）可靠性及安全性。电力机车智能仪表监控装置遵守机车既有网络控制系统相关协议和规范标准，具备高可靠性和高安全性。另外，该装置只采集机车网络指定端口数据，不改变机车原有通信状态，只进行实时监控提示不参与控车，安全性高。电力机车智能仪表监控装置采集的数据都进行了通信状态判断和数据包校验，数据有效可靠。

4 电力机车智能仪表监控装置研发的思考

根据装车运行情况，对机车乘务员、专业技术人员的现场沟通，增加了机车安全风险识别功能，包括机车逻辑判断、机车安全风险识别、司机状态识别等功能，通过MVB网络协议，对CCU系统数据进行实时采集、分析，主要包括CCU通信状态监测、TCU通信状态监测、BCU通信状态监测、机车逻辑判断项点分析、机车安全风险识别项点分析[6]。主要项点如表1、表2所示。

5 结语

电力机车智能仪表监控装置2021年4月在襄阳机务段HXD1-1441机车上装车运用考核，将机车仪表的观察、确认工作由“人防”转变为“物防、技防”技术手段来实现，可降低机车乘务员不断观察、确认仪表数据而形成的疲劳程度，改善机车乘务员值乘工作条件，方便其更好地瞭望前方线路情况，降低行车安全风险，提高安全生产物防、技防水平。

参考文献：

[1]袁璐，江伟波，史熹，等.HXD1型电力机车网络控制系统方案设计与实现[J].装备制造技术，2018（11）：138-142.

[2]杨卫峰，曾嵘.DTECS系统TCN协议的设计[J].机车电传动，2009（2）：25-27+45.

[3]宁寿辉，李常贤，王杰.TCN列车网络管理的研究与实现[J].机车电传动，2007（5）：31-33.

[4]谌育民，彭冬良.基于OPC技术的地铁网络控制调试软件的设计与实现[J].电力机车与城轨车辆，2012（1）：40-42.

[5]朱红岗，张哲瑞.基于TCMS的列车智能化研究[J].电子测试，2016（23）：13-14.

[6]刘群欣.TCN列车网络管理及监视配置软件的研究与实现[J].机车电传动，2010（3）：46-49.

[7]ZHANG Hong-wei.Online Monitoring System of the Mine Main Fan[C].Switzerland：Trans Tech Publications，2013.