李中偉，崔秀帥，趙 濤，關寶巖

(1.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程系，黑龍江哈爾濱 150001；2．黑龍江瑞興科技股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150030)

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基于GPRS的電氣化鐵路線索張力監(jiān)測系統(tǒng)

李中偉1，崔秀帥1，趙 濤1，關寶巖2

(1.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程系，黑龍江哈爾濱 150001；2．黑龍江瑞興科技股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150030)

針對我國電氣化鐵路地域分布廣、“空窗”時間短從而導致接觸網(wǎng)線索張力采集困難這一問題，設計了基于GPRS的電氣化鐵路線索張力監(jiān)測系統(tǒng)，分析了數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡中的傳輸過程，比較了GPRS模塊與監(jiān)測主機建立連接的不同方案，給出了監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設計方案，并進行了相關測試。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實時性好，可以滿足鐵路系統(tǒng)線索張力監(jiān)測的應用需求。

GPRS；線索張力監(jiān)測；電氣化鐵路；DDNS

0 引言

近年來，我國電氣化鐵路發(fā)展迅速，接觸網(wǎng)是沿電氣化鐵道架設的輸電線路，一般由支撐桿塔、接觸線、承力索及張力補償裝置等組成[1]。接觸網(wǎng)常年暴露在戶外環(huán)境中，易受天氣影響，尤其是環(huán)境溫度變化時，承力索和接觸線受熱脹冷縮的作用會伸長或者縮短。在實際使用過程中，通過在錨段兩端設置補償裝置來自動補償線索張力，使接觸網(wǎng)保持一定的張力和馳度。當補償裝置出現(xiàn)故障時，將造成張力過大或過小，使機車受電弓受流條件惡化，嚴重時甚至會導致斷線事故。目前，我國對接觸網(wǎng)的檢測手段主要有兩種，一種是采用檢測車檢測接觸網(wǎng)重要參數(shù)，另一種是人工巡檢，兩種手段都存在實時性低、工作量大的問題[2]。

GPRS是通用無線分組業(yè)務的簡稱，由GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)發(fā)展而來[3]，該技術將移動通信技術和互聯(lián)網(wǎng)技術相結(jié)合，具有實時在線、傳輸可靠等優(yōu)點，并且GPRS網(wǎng)絡由運營商負責維護，數(shù)據(jù)服務按流量收費，運行成本低，在遠程監(jiān)控領域具有廣泛應用。針對接觸網(wǎng)監(jiān)測領域存在的問題，采用GPRS無線通信技術，實現(xiàn)了接觸網(wǎng)線索張力的遠程、自動監(jiān)測。

1 監(jiān)測主機與GPRS監(jiān)測終端通信網(wǎng)絡結(jié)構與通信過程

GPRS網(wǎng)絡在GSM網(wǎng)絡的基礎設施上增加了兩個網(wǎng)絡節(jié)點，即SGSN(服務GPRS支持節(jié)點)和GGSN(網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點)，從而在語音業(yè)務的基礎上增加了分組數(shù)據(jù)業(yè)務。其中SGSN節(jié)點用于記錄移動臺位置，并為移動臺和GGSN提供分組路由。GGSN是GPRS網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡(如Internet)之間的網(wǎng)關[4]，移動臺入網(wǎng)后，GGSN向其分配一個IP地址。移動臺獲取移動子網(wǎng)IP地址后，與已具備公網(wǎng)IP地址的監(jiān)測主機建立Socket連接，然后即可將數(shù)據(jù)封裝成TCP/UDP數(shù)據(jù)包，通過通信網(wǎng)絡傳送到監(jiān)測主機進行數(shù)據(jù)處理[5]。移動臺與監(jiān)測主機通信網(wǎng)絡結(jié)構圖如圖1所示。

圖1 移動臺與監(jiān)測主機通信網(wǎng)絡結(jié)構圖

在互聯(lián)網(wǎng)通信過程中，網(wǎng)絡服務提供者需要具有固定的公網(wǎng)IP地址，才能被訪問者尋址。而一般企業(yè)往往通過電信運營商提供的PPPOE服務(如ADSL)上網(wǎng)，監(jiān)測主機通過調(diào)制解調(diào)器接入互聯(lián)網(wǎng)，雖然已經(jīng)具備公網(wǎng)IP地址，但每次聯(lián)網(wǎng)時，IP地址都會發(fā)生改變；還有一些大型企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)，監(jiān)測主機最終通過路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，其獲取的IP地址為內(nèi)網(wǎng)IP地址，也無法直接和GPRS設備通信。針對該問題，目前主要有以下兩種解決方法：

(1)為監(jiān)測主機申請一個靜態(tài)IP地址。采取這種方式，傳輸穩(wěn)定性高，然而在現(xiàn)行的IPv4協(xié)議下，靜態(tài)IP地址數(shù)量有限，租用費用高[6]，增加了運行成本，不適合本系統(tǒng)推廣使用。

(2)使用動態(tài)域名解析(DDNS)技術。本文使用Oray公司的“花生殼”軟件(有內(nèi)網(wǎng)版和公網(wǎng)版兩種軟件)實現(xiàn)DDNS，對于使用ADSL接入互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)，在監(jiān)測主機上安裝“花生殼6.0”客戶端軟件，當監(jiān)測主機IP地址變化時，客戶端軟件向動態(tài)域名解析系統(tǒng)發(fā)送IP更新請求，動態(tài)域名解析系統(tǒng)接收到IP更新請求后，更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，并將監(jiān)測主機當前的IP地址映射到DDNS服務器中，從而將監(jiān)測主機的動態(tài)IP地址與用戶的靜態(tài)域名綁定在一起。GPRS監(jiān)測終端與監(jiān)測主機之間的通信過程如圖2所示。

圖2 公網(wǎng)監(jiān)測主機與GPRS監(jiān)測終端通信過程

對于內(nèi)網(wǎng)用戶，在監(jiān)測主機上安裝“新花生殼”客戶端軟件，并申請一個花生殼賬戶，Oray公司向該賬戶分配一個指向該公司數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務器的域名，該數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務器具有固定的公網(wǎng)IP地址，GPRS線索張力監(jiān)測終端與監(jiān)測主機通過數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務器進行數(shù)據(jù)交換。GPRS監(jiān)測終端與監(jiān)測主機之間的通信過程如圖3所示。

圖3 內(nèi)網(wǎng)監(jiān)測主機與GPRS監(jiān)測終端通信過程

2 系統(tǒng)方案設計

本文設計的基于GPRS的電氣化鐵路線索張力監(jiān)測系統(tǒng)由線索張力監(jiān)測終端、通信網(wǎng)絡、監(jiān)測主機和移動設備(如手機、iPad等PDA)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構圖

線索張力監(jiān)測終端安裝在電氣化鐵路接觸網(wǎng)線索上，如圖5所示，運用張力傳感器采集線索張力，MCU對數(shù)據(jù)進行處理后，控制GPRS將所測線索張力通過通信網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)測主機和移動設備；監(jiān)測主機上位機與線索張力監(jiān)測終端進行雙向通信，既用于接收、處理和顯示各處線索張力，并對數(shù)據(jù)進行存儲和統(tǒng)計分析，進而預測線索張力補償裝置的工作狀態(tài)，也可以向線索張力監(jiān)測終端發(fā)送數(shù)據(jù)，設置其工作參數(shù)；移動設備作為輔助監(jiān)測設備，當互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)故障或工作人員在野外巡檢時，用于顯示各處線索張力，也可發(fā)送短信息設置線索張力監(jiān)測終端工作參數(shù)。

1—承力索；2—接觸線；3—支柱；4—腕臂；5—絕緣子；6—定位器；7—線索張力監(jiān)測終端；7.1—承力索；7.2—張力傳感器； 7.3—GPRS模塊；8—吊弦圖5 線索張力監(jiān)測終端安裝示意圖

由《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范TB10009—2005(J452—2005)》、《鐵路技術管理規(guī)程》和《高速鐵路接觸網(wǎng)知識讀本》可知，對應不同列車時速要求的線索最小張力如表1所示[7-9]。當線索張力監(jiān)測終端監(jiān)測到線索張力減小到預定值時，會將故障信息以短信形式發(fā)送給移動設備，同時上位機對張力數(shù)據(jù)進行分析處理后，也會給出故障提示。

表1 列車速度與線索最小張力對應表

速度/(km·h-1)最小張力/kN線索規(guī)格特殊要求速度/(km·h-1)最小張力/kN線索規(guī)格特殊要求0～12010—200～25015接觸線120mm2120～16013—300～35021正線承力索120mm2160～20015—300～35030正線接觸線150mm2200～25015承力索95mm2

3 線索張力監(jiān)測終端硬件設計

線索張力監(jiān)測終端安裝在接觸網(wǎng)錨段處，其硬件主要由張力傳感器、調(diào)理電路，MCU模塊、FLASH模塊、時鐘模塊、GPRS模塊構成。線索張力監(jiān)測終端硬件結(jié)構框圖如圖6所示。

圖6 線索張力監(jiān)測終端硬件結(jié)構框圖

MCU模塊是線索張力監(jiān)測終端的控制核心，本文選用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F03VET6處理器，該32位處理器采用哈佛總線結(jié)構，具有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部集成了8路獨立A/D轉(zhuǎn)換模塊和3路串行通信接口。GPRS模塊選用內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的SIM900A模塊，屬于工業(yè)級GPRS模塊。MCU模塊通過串口與SIM900A模塊通信，使用標準AT指令控制GPRS模塊。信號調(diào)理模塊負責將張力傳感器采集到的信號進行處理，轉(zhuǎn)換成適合MCU模塊采集的信號。張力傳感器采用NS-WL4-5T型旁式張力傳感器，該傳感器可靠性高、互換性好，量程為0～49.5 kN，測量精度0.3%，滿足本文張力監(jiān)測需求。FLASH模塊采用具有2 M容量的W25Q16芯片，用于存儲線索張力監(jiān)測終端的工作參數(shù)。電源模塊負責各模塊的供電，由于不允許從接觸網(wǎng)直接取電，而且線索張力監(jiān)測終端距離地面較高(7 m左右)，相鄰線索張力監(jiān)測終端相距較遠(2 km左右)，鐵路施工天窗時間短，電池不便頻繁更換，因此采用帶太陽能充電模塊的蓄電池供電，保證裝置能長期正常工作。由于本文設計的線索張力監(jiān)測終端擬安裝在東北地區(qū)，長期工作在室外低溫環(huán)境中，本文選用工作溫度范圍為-40～+70 ℃的蓄電池。

4 軟件設計

4.1 線索張力監(jiān)測終端軟件設計

線索張力監(jiān)測終端負責采集、處理線索張力數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳。線索張力監(jiān)測終端啟動后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后進入無限循環(huán)，在主循環(huán)中，通過查詢各種狀態(tài)標志位調(diào)用相應處理函數(shù)。線索張力監(jiān)測終端軟件流程圖如圖7所示。

圖7 線索張力監(jiān)測終端軟件流程圖

線索張力監(jiān)測終端主要軟件模塊功能介紹如下：

(1)系統(tǒng)初始化：主要完成系統(tǒng)時鐘、串口、I/O口、FLASH、GPRS等模塊的參數(shù)配置，并控制SIM900A模塊按照PPP協(xié)議撥號登錄GPRS網(wǎng)絡，連接成功后，基站服務器分配給GPRS模塊一個IP地址。

(2)修改GPRS工作參數(shù)：系統(tǒng)在運行過程中，工作人員可以發(fā)送控制指令修改線索張力監(jiān)測終端的主要工作參數(shù)(如張力發(fā)送時間間隔、監(jiān)測主機IP地址或域名、移動終端SIM卡號碼、報警閾值等)，線索張力監(jiān)測終端收到控制指令后，對控制指令的內(nèi)容進行解析，進而修改相應參數(shù)。

(3)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送：線索張力監(jiān)測終端間隔一定時間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，到達定時時間后，MCU首先對調(diào)理電路輸出的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將電壓值轉(zhuǎn)換成張力值，然后按照一定的格式(幀起始、幀長度、桿塔號、時間戳、張力數(shù)據(jù)、校驗值、幀結(jié)束)對數(shù)據(jù)進行打包，之后控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳。

4.2 上位機軟件設計

上位機運行在監(jiān)測主機上，其主要功能有：數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計分析、參數(shù)設置，圖8為上位機軟件界面。該軟件采用VB.NET編程語言開發(fā)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012。上位機軟件與線索張力監(jiān)測終端之間的通信基于Client/Sever工作模式，通過Socket實現(xiàn)。上位機軟件工作在服務器模式，軟件運行后，綁定本機的IP地址和一個端口，并不斷監(jiān)聽該端口，等待客戶機申請連接。線索張力監(jiān)測終端與上位機建立連接后，即可將數(shù)據(jù)包發(fā)送到上位機進行處理。上位機軟件程序流程圖如圖9所示。

圖8 上位機軟件界面

5 結(jié)束語

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)完成，并進行了相關測試。在測試過程中，模擬了現(xiàn)場線索張力改變、線索斷線、線索張力補償裝置卡滯等狀態(tài)，系統(tǒng)均能做出正確響應?；贕PRS的線索張力監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)張力遠程監(jiān)測，而且運行維護成本低、操作簡單。該系統(tǒng)的推廣使用能提高鐵路監(jiān)測自動化程度，為鐵路安全運行提供保障。

[1] 李偉.接觸網(wǎng).北京:中國鐵道出版社,2000:5-10.

圖9 上位機軟件程序流程圖

[2] 吳劍斌.接觸網(wǎng)定點監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計:[學位論文].成都:西南交通大學，2009.

[3] 鐘章隊，蔣文怡，李紅君.GPRS通用分組無線業(yè)務.北京:人民郵電出版社,2001:1-8.

[4] 馮俊青，趙不賄，李洪池，等.基于GPRS的電網(wǎng)參數(shù)遠程監(jiān)測儀設計.儀表技術與傳感器，2009(11):31-33.

[5] 葛玉榮，時曉艷，劉金濤.基于ZigBee和GPRS技術的列車遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計.機車電傳動，2012(2):46-48.

[6] 嚴世強.基于GPRS的供水自動化監(jiān)控系統(tǒng):[學位論文].天津:河北工業(yè)大學，2013.

[7] TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范.

[8] 中華人民共和國鐵道部.鐵道部令第29號.鐵路技術管理規(guī)程.北京:中國鐵道出版社,2007:23-24.

[9] 宋新江.高速鐵路接觸網(wǎng)知識讀本.北京:中國鐵道出版社，2012:98-110.

Design of Tension Monitoring System of Electrified Railway Based on GPRS

LI Zhong-wei1,CUI Xiu-shuai1,ZHAO Tao1,GUAN Bao-yan2

(1. Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China2.Heilongjiang Railway Signal Technology Co.Ltd., Harbin 150030, China)

On account of the wide distribution and the short “Window Period” of the electrified railway in our country, it is difficult to collect the catenary’s tension. In view of this issue, the tension monitoring system of the electrified railway was designed based on GPRS. The process of data transmission in the communication network was analyzed in this paper.Comparing the different schemes of the connection between GPRS module and monitoring host, the software and hardware design of the monitoring system was completed, and the related tests were also conducted. The results show that the system is stable and real-time, and it can satisfy the application requirements of the clues’ tension monitoring in railway system.

GPRS；tension monitoring；electrified railway；DDNS

2014-12-19 收修改稿日期：2015-07-28

TP368

A

1002-1841(2015)10-0050-03