徐超凡，姜 璐，劉 飛，康旭韡，曹 源

（1．北京交通大學(xué) 軌道交通控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置的研制

徐超凡1，2，姜 璐3，劉 飛1，2，康旭韡1，2，曹 源1，2

（1．北京交通大學(xué) 軌道交通控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

列車軸溫過(guò)高會(huì)給列車運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn)，因此列車軸溫檢測(cè)系統(tǒng)的意義重大。本研究不同于其他軸溫檢測(cè)設(shè)計(jì)，采用Android平臺(tái)手機(jī)與ARM11開發(fā)板相互通信以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)中采用Wi-Fi技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收開發(fā)板采集的軸溫?cái)?shù)據(jù)，并將手機(jī)作為Socket通信過(guò)程中的服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，ARM開發(fā)板作為客戶端發(fā)送軸溫?cái)?shù)據(jù)，使機(jī)械師能夠在列車的任意位置對(duì)每一車軸的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。經(jīng)測(cè)試，研制的鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置基本實(shí)現(xiàn)了軸溫檢測(cè)和無(wú)線發(fā)送軸溫?cái)?shù)據(jù)到智能手持終端的功能。

便攜式軸溫檢測(cè)；鐵路列車；WiFi通信；安卓平臺(tái)；ARM開發(fā)板

隨著鐵路提速的范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)列車運(yùn)輸安全的技術(shù)保障有了更高要求。因此，充分利用列車軸溫報(bào)警裝置，提高檢測(cè)報(bào)警質(zhì)量，防止車輛因熱軸漏報(bào)、誤報(bào)，對(duì)保證鐵路列車運(yùn)行安全具有重要意義。既有的高速列車軸溫報(bào)警裝置有很多弊端，在過(guò)流時(shí)很容易被燒壞、不易更換，客車與貨車也缺少相應(yīng)的軸溫檢測(cè)報(bào)警裝置。列車快速運(yùn)行過(guò)程中，車軸與軸承之間互相摩擦所產(chǎn)生的熱會(huì)引起軸溫的異常升高，從而導(dǎo)致燃軸、切軸等問(wèn)題，甚至造成列車顛覆，此時(shí)若沒有可靠的便攜設(shè)備來(lái)保證正常的檢測(cè)與報(bào)警，會(huì)嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全。

當(dāng)前國(guó)外軸溫檢測(cè)系統(tǒng)主要采用紅外溫度傳感器檢測(cè)裝置，國(guó)內(nèi)主要從處理器的選型和溫度采集傳感器的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了不斷的創(chuàng)新，從基于單片機(jī)到基于ARM系列的嵌入式系統(tǒng)的軸溫檢測(cè)系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單傳感器到數(shù)字型溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集設(shè)計(jì)等方向進(jìn)行研制。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)檢測(cè)軟件對(duì)誤報(bào)故障的判斷能力，避免因外部干擾或系統(tǒng)量的問(wèn)題而造成誤報(bào)故障的假象。為此，需要研制一種便于安裝的軸溫報(bào)警裝置，通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)把軸溫的數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)械師的手持終端，以保證對(duì)車軸溫度能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)。

1 鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)過(guò)程

1.1 方案設(shè)計(jì)

鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置需要使溫度測(cè)量采集開發(fā)板與智能手持終端之間進(jìn)行無(wú)線通信，能夠使其與手持終端建立有效可靠的連接，基本實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線的有效傳輸；無(wú)線傳輸?shù)木嚯x可有效覆蓋整車；通過(guò)手持終端能夠?qū)崟r(shí)查看列車軸溫?cái)?shù)據(jù)。

當(dāng)前，針對(duì)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究主要是在軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度采集模塊、主機(jī)模塊部分中不斷地引進(jìn)新技術(shù)，以改善系統(tǒng)性能。數(shù)字溫度傳感器（如DS18B20）溫度采集精確、部署簡(jiǎn)單、抗干擾、成本低，能夠與單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)等配合使用。嵌入式系統(tǒng)豐富多樣，在處理芯片、芯片版本和操作系統(tǒng)等方面選擇眾多。在嵌入式中ARM為主流的處理芯片，為了滿足更高的處理速度，低功耗，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的完美支持，采用最新的ARM11進(jìn)行高速軸溫檢測(cè)報(bào)警裝置進(jìn)行研制。方案實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

1.2 ARM開發(fā)板設(shè)計(jì)

對(duì)列車軸溫報(bào)警裝置的需求進(jìn)行分析之后，本設(shè)計(jì)采用開發(fā)板OK6410-A作為溫度采集和發(fā)送的核心部件，OK6410的開發(fā)以S3C6410芯片為核心，溫度采集部分采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。在軸溫采集時(shí)一般要求實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)采集，繼而多路溫度數(shù)據(jù)能不停地輸入嵌入式開發(fā)板,所以采用模擬開關(guān)+GPIO驅(qū)動(dòng)控制的方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集，這樣在OK6410的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了多點(diǎn)檢測(cè)的難度。

本設(shè)計(jì)使用SDIO Wi-Fi模塊，采用TP-LINKWR700N便攜路由器模式創(chuàng)建無(wú)線局域網(wǎng)。為了方便對(duì)局域網(wǎng)中設(shè)備的IP地址進(jìn)行控制，可使用路由器自帶的靜態(tài)地址分配功能。Wi-Fi技術(shù)中的無(wú)線分散系統(tǒng)解決方案，通過(guò)提高無(wú)線路由器的發(fā)射功率和增減中繼器，實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)的拓展，將整個(gè)無(wú)線信號(hào)廣播范圍延展到整車長(zhǎng)度，使得無(wú)線軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制有了實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖1 鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)方案

1.3 手持終端軟件設(shè)計(jì)

手持終端負(fù)責(zé)無(wú)線接收開發(fā)板測(cè)量的軸溫?cái)?shù)據(jù)，因此需要設(shè)計(jì)一款軟件來(lái)記錄、存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)思想如圖2所示。SQlite數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)開源的、用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，它有非常適合于移動(dòng)平臺(tái)處理器相對(duì)慢，內(nèi)存比較小的特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫(kù)適配器BaseAdapter將數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行匹配、解耦，降低了程序的耦合性，使得程序變得更加容易擴(kuò)展。通過(guò)添加Android的ScrollView組件來(lái)解決傳統(tǒng)方法中不能通過(guò)上下滾動(dòng)顯示條目的問(wèn)題，但在數(shù)據(jù)比較多時(shí)，需多次循環(huán)去查找數(shù)據(jù)，非常消耗資源。在ListView中顯示數(shù)據(jù)并不是一下把數(shù)據(jù)庫(kù)中所有條目全部查詢并加載出來(lái)，將其向上滑動(dòng)時(shí)，第一條數(shù)據(jù)便會(huì)滑出屏幕，系統(tǒng)會(huì)將這條數(shù)據(jù)回收到Recycler View緩沖池中，要顯示的屏幕外下一條數(shù)據(jù)將被從緩沖池中取出，顯示到對(duì)應(yīng)位置上。因此，ListView控件極大地節(jié)省了系統(tǒng)內(nèi)存。

UDP是一個(gè)面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議，進(jìn)程的每個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生一個(gè)UDP數(shù)據(jù)，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)。Socket相當(dāng)于對(duì)傳輸層協(xié)議在編程層次上的封裝，Socket與Socket Server都被封裝于Java.net包內(nèi)。數(shù)據(jù)傳輸則采用TCP協(xié)議中規(guī)定的流格式進(jìn)行，Android手機(jī)作為接受數(shù)據(jù)的一端，調(diào)用getInputStream()方法獲取軸溫?cái)?shù)據(jù)。使用提示框提示用戶溫度過(guò)高，實(shí)現(xiàn)車軸溫度危險(xiǎn)的報(bào)警功能。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)刪除時(shí)，提示框可以防止用戶誤操作。

圖2 手持終端軟件設(shè)計(jì)

2 鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件實(shí)現(xiàn)

鐵路列車便攜式軸溫檢測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的過(guò)程如圖3所示，主要用于開發(fā)手持終端軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種所需功能。

圖3 手持終端軟件實(shí)現(xiàn)

2.1.1 界面實(shí)現(xiàn)

在登錄界面的整體線性布局中，包含了一個(gè)相對(duì)布局登錄框的設(shè)計(jì)，登錄界面中各組件緊密聯(lián)合。其中Fragment相當(dāng)于一個(gè)輕量級(jí)的Activity，特點(diǎn)就是不需要在清單文件中配置，既有效利用了屏幕空間，也減輕了維護(hù)難度。同時(shí)，在大屏幕設(shè)備上支持更加動(dòng)態(tài)和靈活的UI設(shè)計(jì)。

2.1.2 通過(guò)Socket與溫度測(cè)量硬件部分的通信實(shí)現(xiàn)

開發(fā)板接收到溫度傳感器從車軸上采集的溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi發(fā)送給同在一個(gè)熱點(diǎn)內(nèi)的手機(jī)，手機(jī)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。這里手機(jī)相當(dāng)于客戶端。當(dāng)要測(cè)的車軸數(shù)較多時(shí)手機(jī)作為客戶端很不便，在Socket通信中，若手機(jī)作為客戶端來(lái)采集不同的車軸溫度時(shí)需要更換多次IP地址。反觀手機(jī)作為服務(wù)器端，車軸只需要都向手機(jī)的IP地址發(fā)送軸溫?cái)?shù)據(jù)，唯一變化的就是端口號(hào)設(shè)置。因此本程序中采用手機(jī)作為服務(wù)器端，溫度測(cè)量硬件部分（以下簡(jiǎn)稱開發(fā)板部分）作為客戶端。

UI是程序的主線程，用來(lái)快速響應(yīng)用戶的要求并做出反應(yīng)，而Android中規(guī)定，非UI線程是不能夠更新UI的。程序中Socket通信工作是個(gè)非常耗時(shí)的工作，所以把Socket的通信工作放在一個(gè)子線程當(dāng)中，減少CPU的占用。

LitePal是一款開源的Android數(shù)據(jù)庫(kù)框架，它采用了對(duì)象關(guān)系映射的模式，并將平時(shí)開發(fā)過(guò)程中最常用的一些數(shù)據(jù)庫(kù)功能進(jìn)行了封裝。需要采用在main_activity中創(chuàng)建通信子線程，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1.3 溫度實(shí)時(shí)顯示實(shí)現(xiàn)

為了避免程序的復(fù)雜，采用了將Socket通信在main_activity的子線程中執(zhí)行并在接收到數(shù)據(jù)的同時(shí)就存入數(shù)據(jù)庫(kù)，變化的是溫度實(shí)時(shí)顯示不再是在Socket通信內(nèi)部讀取到數(shù)據(jù)顯示到控件上面，而采用數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢最后一條數(shù)據(jù)的方法。采用循環(huán)方法實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，此方法可在Fragment中執(zhí)行，通過(guò)新建子線程不斷地查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中最后一條數(shù)據(jù)，然后更新Fragment上UI顯示的內(nèi)容以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。Handler是更新UI的消息處理機(jī)制，用它來(lái)進(jìn)行消息的發(fā)送和處理。

2.1.4 提示框?qū)崿F(xiàn)與曲線繪制實(shí)現(xiàn)

本程序中共包含兩個(gè)Dialogfragment，分別是當(dāng)車軸溫度過(guò)高時(shí)發(fā)出警告的警告框，和清除數(shù)據(jù)庫(kù)記錄時(shí)，防止用戶誤刪除的確認(rèn)框。曲線繪制實(shí)現(xiàn)采用第三方圖形庫(kù)MPAndroidChart，軸溫監(jiān)測(cè)曲線圖包括：數(shù)據(jù)集DataSet，即軸溫?cái)?shù)據(jù)；設(shè)定X、Y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)顯示內(nèi)容，X軸即時(shí)間，Y軸即溫度；通過(guò)Chart對(duì)象將其顯示出來(lái)。

2.2 鐵路列車便攜式軸溫檢測(cè)報(bào)警裝置的測(cè)試

2.2.1 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測(cè)試

系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測(cè)試的主要步驟：（1）為測(cè)試建立無(wú)線局域網(wǎng)；（2）采集部分和手持終端均連接進(jìn)局域網(wǎng)內(nèi)；（3）使用計(jì)算機(jī)部署應(yīng)用程序；（4）實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)；（5）啟動(dòng)溫度的發(fā)送程序，為演示方便，采用按鈕觸發(fā)方式。當(dāng)發(fā)送失敗時(shí)會(huì)返回失敗原因窗口，而當(dāng)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送成功時(shí)會(huì)顯示發(fā)送成功窗口。（6）手持終端接收數(shù)據(jù)并顯示。

2.2.2 測(cè)試結(jié)果

（1）開發(fā)板與手持終端成功連入同一局域網(wǎng)內(nèi)；（2）能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)；（3）車軸溫度升高時(shí)傳感器測(cè)量溫度開始逐步上升，測(cè)溫范圍在0～100℃；（4）軸溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送完成，顯示成功或失敗原因；（5）手持終端能夠隨時(shí)查看列車信息、歷史數(shù)據(jù)并繪制溫度曲線，測(cè)試記錄所有車軸的連續(xù)24 h的溫度數(shù)據(jù)，圖4顯示了8個(gè)車軸前30 s的歷史軸溫?cái)?shù)據(jù)。（6）車軸溫度過(guò)高（設(shè)計(jì)＞85℃），清除數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)有提示框顯示。

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路列車軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保障列車平穩(wěn)、安全運(yùn)行，本研究提出了新的方法：通過(guò)手機(jī)接收軸溫?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示軸溫?cái)?shù)據(jù)、曲線繪制、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)以及軸溫過(guò)高報(bào)警的功能。利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)了溫度采集的硬件模塊，用SDIO WiFi模塊作為OK6410開發(fā)板的網(wǎng)卡，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行TCP Socket通信。開發(fā)板硬件部分仍需升級(jí)來(lái)提高其靈敏度和可靠性，還可以進(jìn)一步改良軟件設(shè)計(jì)部分的程序使其更加智能化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警等功能。本設(shè)計(jì)研制的鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置與手持終端組成的系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，成品效果與鐵路應(yīng)用的技術(shù)要求還有一定的差距，但它為我國(guó)鐵路列車軸溫檢測(cè)裝置的改善提供了一種新的安全可靠的解決方案。

圖4 列車信息、歷史數(shù)據(jù)及溫度曲線

[1]王 飛.CRH5型動(dòng)車組軸溫檢測(cè)系統(tǒng)故障分析及處理辦法[J].科技傳播，2014（15）.

[2]金哲銘.動(dòng)車組軸溫傳感器故障原因分析及應(yīng)急措施探討[J].鐵道車輛，2012，50（7）：33-34.

[3]哈大雷,王 乾,蔣 濤，等.新型軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速動(dòng)車組上的應(yīng)用[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（1）：89-94.

[4]趙志梅，張 帆.基于無(wú)線傳輸?shù)母咚倭熊囕S溫集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（5）：1242-1244.

[5]張 矢，溫 陽(yáng)，邵汝峰，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軸溫探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（3）：86-88.

[6]白曉松.基于ARM7（LPC2136）的火車軸溫檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2010.

[7]李開成.現(xiàn)代鐵路信號(hào)中的通信技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[8]王新玲，孫運(yùn)強(qiáng)，姚愛琴.列車車軸溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2012，20（1）：119-121，186.

[9].Wang C, Fu Z Z, Wang P P.Design of the

責(zé)任編輯 陳 蓉

Portable axle temperature alarming device for railway train

XU Chaofan1,2, JIANG Lu3, LIU Fei1,2, KANG Xuwei1,2, CAO Yuan1,2
( 1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.State Key Laboratory of Rail Traffc Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China )

The high temperature of the train axle could bring dangerous to the train operation, so it is very important to detect train axle temperature.This research was different from the design of other axle temperature detection.Mobile phone with Android platform and ARM11 development board was used to communicate with each other in order to implement real-time monitoring of temperature.Wi-Fi technology was used to receive real-time data from the development board, and the mobile phone was used to receive data in the socket communication process, while the ARM development board worked as the client to send temperature data, so that the mechanical engineer could observe the temperature values of each axle at any position of the train.After testing, the portable axle temperature alarming device for railway train could implement the function of axle temperature detection and transmit the data of axle temperature to the intelligent handheld terminal through wireless communication.

portable axle temperature detection; railway train; WiFi communication; Android platform; ARM development board

U270.7∶TP39

A

2015-09-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305021）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAG12B01）。

徐超凡，在讀碩士研究生；姜 璐，助理研究員。

1005-8451（2016）03-0050-04