虚拟仪器技术在车载信号设备维护中的应用探究

王 睿

（中国铁路南宁局集团有限公司 科学技术研究所，工程师，广西 南宁 530029）

0 引言

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用［1］。它最大的特点在于其灵活性和定制性。与传统仪器将采集、计算、分析、显示等功能集中在一个设备中所不同的是，虚拟仪器可以根据测量的实际需要将不同功能灵活拆分组合。使用模块化的硬件设备来完成信号采集，把计算分析和显示功能集成在性能更强的计算机软件中，然后将软硬件通过高速总线连接实现实时测控。

虚拟仪器技术在铁路行业应用颇多，田建兆等人提出了基于虚拟仪器的铁路继电器智能测试装置［2］，周文婷探究了如何在大型养路机械电气控制系统中应用虚拟仪器技术［3］。这些研究针对铁路行业特定领域的某一具体问题，尝试使用虚拟仪器技术进行解决。综合来看，当前大部分的相关研究都是利用虚拟仪器技术搭建针对某一特定信号的测量测试平台，研究的侧重点是对特定场景下信号的深度分析处理。对虚拟仪器技术在设备日常维护测试领域的应用研究相对而言还比较少，本文将主要对该领域的虚拟仪器技术应用展开探讨。

1 车载信号设备维护工作现状

根据现场实际调研和一线专业技术人员的反馈，当前车载信号设备维护主要存在以下几个方面的问题。

1.1 维护效率低

车载信号设备维护的主要工作内容是对设备的电学参数的测试，使用的主要仪表是万用表。现行的测量方法是由职工持仪表按照接线规范和相关技术要求逐个测量各电气节点的电气特性。在车载信号设备中广泛使用航空插头等集成化连接器，测量时要先从若干接线端子中找出待测端子再使用仪表进行测量，每测量一个参数后及时记录数据。一般需要两人配合完成。维护过程步骤繁琐，容易出现疏漏，整体效率不高。

1.2 仪表操作不便

目前在生产一线配备的测量仪表型号规格不统一，同一类仪表的型号、界面、操作方法存在一定的差异。这为标准化维护方案的制定和执行设置了障碍。特别是当前职工队伍结构年轻化，年轻职工普遍存在不熟悉现场仪表使用的问题。从一些故障应急处置的案例来看，这一问题已经成为了影响处置效率的重要因素。

1.3 数据利用率低

当前测量数据的主要保存形式是纸质版台账，利用数据分析设备状态主要还是使用简单的阈值判断法，大部分测量数据如无明显问题在归档以后鲜少会进一步的分析利用。对设备的周期性电气特性参数监测耗费了较多的资源，却未能充分发挥作用。纸质版的测量数据记录如果要进一步使用，往往还需要人工逐项录入电脑，费时费力。信息化程度差导致的数据利用率低严重制约了设备状态诊断机制的进步发展。

2 方案设计

针对以上问题，为了改良相关工作，提出基于虚拟仪器技术的车载信号设备维护的软硬件解决方案。设计了一种LKJ 外部接口信号模拟测量装置，主要应用于LKJ车载设备检修维护工作中，其主要功能如下：

（1）实现对LKJ外部接口信号中的机车速度、柴油机转速和管压信号的方便快速测量，可实时查看其波形。

（2）根据光电速度传感器、柴油机、压力传感器等设备的工作原理，模拟输出机车柴油机转速、速度、管压信号。

（3）仿照LKJ 主机对外部接口信号的分析处理机制，对测量得到的原始信号进行分析处理，并换算成相关的行车参数。

设计方案如图1所示。

图1 方案设计示意图

3 实现方法

3.1 信号特征及解调原理

就信号测量而言，首先要通过模拟量采集传感器将测量得到的原始模拟信号进行滤波解调处理，然后对信号的周期、频率、幅值等基本信号参数初步计算。在此基础上仿照LKJ 设备信号处理机制，将这些信号的基本参数转换为可供作业人员直接读取的直观数据。同理，在对信号进行模拟时，作业人员可以直接通过修改直观的转速、速度等参数生成并输出对应的信号。为实现上述功能，除了要研究信号调制解调的技术外，还必须要掌握现有LKJ 设备的模拟量信号处理机制和算法。通过查阅相关的技术资料［4］，明确了机车光电速度传感器、柴油机、压力传感器等设备产生的速度、柴油机转速和管压信号特征。如表1所示。

表1 信号特征列表

通过现场实测，结合技术资料［5］，明确了LKJ 主机对机车传感器信号的分析处理机制，得到了LKJ主机对速度、柴油机转速和管压信号的解算方法。各信号的计算公式如下：

速度计算公式：V1=0.018πdf1，其中V1：机车速度（km/h），d：机车轮径（m），f1：方波信号频率（Hz）。

柴油机转速计算公式：V2=10f2，其中V2：柴油机转速（rpm），f2：正弦波信号频率（Hz）。

管压计算公式：P=200U，其中P：管压（kPa），U：直流电压（V）。

3.2 数据采集卡通道设置

数据采集卡是完成信号AD/DA 转换的核心设备，它可以根据上位机发出的指令输出和采集相关信号。考虑到LKJ外部接口信号模拟测量装置要同时满足多路信号的模拟输出和测量，选用了具有四个动态A0通道的模拟输出卡和具有16路AI通道及4 路静态AO 通道的采集卡。其输入输出通道定义如表2所示。

表2 采集卡输入输出通道定义

3.3 调理电路设计

数据采集卡的最大输入量程和输出范围均为±10V，无法达到LKJ 外部接口信号的测量和模拟要求，所以需要对输入和输出的信号进行调理。调理电路主要分为两部分，一部分是电压放大电路，通过运算放大器实现。电压放大电路有四个通道，可以对数据采集卡模拟输出的三路速度信号和一路柴油机转速信号按照1∶2 的比例等比放大。另一部分是电压衰减电路，通过电阻分压原理实现。电压衰减电路会将电压较高的柴油机转速、速度信号按5∶1 的比例衰减，使其满足数据采集卡输入量程。电路原理图如图2、图3所示。

图2 衰减电路原理图

图3 放大电路原理图

3.4 航空插头设计

有别于以往使用表笔对多个端子逐对测量，LKJ 外部接口信号模拟测量装置的输入输出接头均采用定制的航空插头，使用时只需通过输入连接器和输出连接器分别连接至机车接线排或LKJ 主机，即可一次性完成全部端子的参数测量和信号模拟。这种测量方式有效解决了车载信号设备维护过程当中作业效率低的问题，只需一人即可快速完成全部测量工作。信号模拟输出配线方案如表3所示。

表3 信号模拟输出配线

3.5 软件设计

LKJ 外部接口信号模拟测量装置各项功能通过上位机软件进行控制。软件主要包括信号模拟界面和信号测量界面。具有参数配置、数据显示、数据分析和保存等功能。对输出信号和输入信号可根据相关的计算公式完成计算、显示、分析并根据需要进行数据存储，实现了数据台账的电子化。对采集得到的数据可直接在软件中按照测试设备的基础信息如测试时间、车号、测试人员等信息有序保存，可支持存储为文本、电子表格等不同形式的文件。波形、图像等也可以以图片的形式存储，实现数据信息化存储的同时还可以丰富台账内容。软件的界面如图4所示。

图4 软件界面图

4 结束语

本文根据车载信号设备维护的现状，提出了一种使用虚拟仪器技术优化工作的思路。通过LKJ外部接口信号模拟测量装置的主要设计方案介绍了使用虚拟仪器技术在车载信号设备维护中可实现的一般功能及其优势，验证了其应用于铁路生产的可行性。该装置在车载设备结合部故障排查中发挥了一定作用，可快速完成故障的定位和查找，提高了现场检修效率。