王　磊，安剛虎，崔江涵

（1.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.青島海能電氣有限公司，山東 青島 266000）

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基于無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的地鐵車輛地面試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)

王磊1，安剛虎2，崔江涵1

（1.南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.青島海能電氣有限公司，山東 青島 266000）

摘要：地鐵車輛地面試驗是地鐵調(diào)試的關(guān)鍵步驟，為了提高試驗效率和可靠性，必須對其進(jìn)行在線運行狀態(tài)監(jiān)測。文章針對地鐵車輛分布式采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸上存在的困難，提出了一種基于無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的地鐵車輛地面試驗在線監(jiān)測方案，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲分析、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷的功能，可實現(xiàn)大范圍內(nèi)的地鐵車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；在線監(jiān)測；分布式數(shù)據(jù)采集；故障診斷；無線傳輸

地鐵車輛地面靜調(diào)試驗是地鐵調(diào)試的關(guān)鍵步驟，調(diào)試工作復(fù)雜、零碎，需耗費大量的人力、物力和時間。為了提高調(diào)試效率，保證試驗安全運行，對地鐵車輛地面試驗進(jìn)行在線監(jiān)測是十分必要的。

目前，整個基于無線采集技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)還處于一個較低的水平，其中電話網(wǎng)自組網(wǎng)、電臺數(shù)傳的自動控制方式在抗干擾性、穩(wěn)定性等方面存在著明顯的不足，監(jiān)測的距離也存在一定的限制；而打電話、發(fā)傳真的人工控制方式不能及時發(fā)現(xiàn)故障，排除隱患，運行效率低，不便于管理，也不能滿足靈活監(jiān)測、迅速部署的現(xiàn)代化監(jiān)測管理的要求。為了提高檢測精度、實時性，降低成本，本文提出了一種基于無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的地鐵車輛地面試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，提高了地鐵車輛地面試驗在線監(jiān)測的實時性，降低了監(jiān)測的成本；運用數(shù)據(jù)庫存儲與管理實時采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了異地間的狀態(tài)監(jiān)測和故障的智能診斷，提高了地鐵車輛工作狀態(tài)判斷的速度；設(shè)計出了操作方便、友好的監(jiān)控界面，解決了采集點分散、監(jiān)控現(xiàn)場無人值守的問題，實現(xiàn)了監(jiān)控中心集中監(jiān)控、集中管理、集中維護(hù)。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計

目前國內(nèi)外研究的地鐵車輛在線監(jiān)測裝置大部分為便攜式在線監(jiān)測儀器，屬于半在線監(jiān)測，檢測精度低、實時性差，并且無法對被監(jiān)測地鐵車輛的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。根據(jù)工程實際應(yīng)用的要求，基于無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的地鐵車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有以下3個功能：接收遠(yuǎn)端無線模塊輸出的監(jiān)測點狀態(tài)數(shù)據(jù)；上位機(jī)數(shù)據(jù)庫存儲地鐵車輛狀態(tài)信息和智能判斷故障；上位機(jī)監(jiān)控界面顯示地鐵車輛狀態(tài)信息［1］。從工程實際應(yīng)用出發(fā)，遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有較高的實時性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力。根據(jù)對地鐵車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求和性能需求的分析，本文設(shè)計了如圖1所示的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)采集和上傳、信息處理、監(jiān)控界面顯示3個部分組成。在遠(yuǎn)端采集地鐵車輛狀態(tài)信息并且運用無線模塊發(fā)送，無線數(shù)據(jù)接收模塊接收地鐵車輛狀態(tài)信息，然后通過串口通訊將接收到的地鐵車輛在線監(jiān)測狀態(tài)信息上傳到PC機(jī)，由信息處理模塊進(jìn)行存儲并分析，智能判斷地鐵車輛的運行狀態(tài)。為了便于用戶操作、查詢和報警，系統(tǒng)的監(jiān)控界面應(yīng)友好、直觀、易操作。

圖1　地鐵車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

地鐵車輛地面試驗遠(yuǎn)程在線監(jiān)測打破了傳統(tǒng)的地鐵車輛監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)架，采用硬件采集，軟件分析的設(shè)計方案，即定時或即時采集地鐵車輛數(shù)據(jù)，然后利用計算機(jī)軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［2］。地鐵車輛在線監(jiān)測是一個長期的過程，需通過數(shù)據(jù)庫將所有采集到的地鐵車輛的狀態(tài)信息進(jìn)行存檔，以便查詢歷史數(shù)據(jù)或者繪制模擬信號曲線圖，進(jìn)而了解整個地鐵車輛的運行狀態(tài)。

2　在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

在每組監(jiān)測點（實驗箱）下方均裝有無線采集單元，將采集到的地鐵車輛狀態(tài)信息通過無線傳輸方式發(fā)送到監(jiān)控中心的基礎(chǔ)上；監(jiān)控中心接收遠(yuǎn)端傳送來的地鐵車輛狀態(tài)信息，將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控主機(jī)內(nèi)；主機(jī)對采集到的信息進(jìn)行合并，實時動態(tài)顯示，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫的支持，隨時提取歷史數(shù)據(jù)并對新接收到的采集信息進(jìn)行各種處理［3］。

2.1無線數(shù)據(jù)采集模塊

無線數(shù)據(jù)采集模塊是基于無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的地鐵車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)必不可少的部分，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。電源向采集板卡和單片夾供電，單片機(jī)將采集到的地鐵車輛信號通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，上位PC機(jī)通過串口連接無線網(wǎng)絡(luò)接收遠(yuǎn)端無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的地鐵車輛信息。

圖2　無線數(shù)據(jù)采集模塊硬件基本結(jié)構(gòu)圖

采集板卡采集的調(diào)試信號分布于駕駛室、一位端、二位端、車下等不同的電氣柜中，有開關(guān)量信號也有模擬量信號?；谝陨咸攸c數(shù)據(jù)采集模塊采用分布采集，集中管理的方式［4］，每個分布式采集系統(tǒng)最多可采集和處理96路信號。信號采集主板有6個插槽，每個插槽可連接不同信號的隔離轉(zhuǎn)換板，隔離轉(zhuǎn)換板有開關(guān)量輸入板、開關(guān)量輸出板、模擬量輸入板3種，可以根據(jù)不同需求進(jìn)行搭配連接。

2.2信息處理模塊

PC機(jī)讀取到存儲器內(nèi)監(jiān)測點信息后，由無線數(shù)據(jù)處理模塊把接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中以便服務(wù)器呈現(xiàn)試驗現(xiàn)場的實時信息；同時還可以將數(shù)據(jù)庫中設(shè)定的試驗判定信息與剛采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、判斷，了解地鐵車輛設(shè)備的運行狀態(tài)，以便及時地進(jìn)行處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時及時判斷出地鐵設(shè)備出現(xiàn)的狀況，并給出警示，以維持地鐵車輛在安全的工作狀態(tài)運行。

由于地鐵車輛在線監(jiān)測是一個長期過程，需能夠存儲大量甚至海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。SQL Server數(shù)據(jù)庫是目前使用較廣泛的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，具有真正的表和索引數(shù)據(jù)分區(qū)技術(shù)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用中，經(jīng)常會出現(xiàn)由于設(shè)備的功能缺陷或者硬件故障，導(dǎo)致系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)不可預(yù)料的情況。現(xiàn)有的設(shè)備故障診斷主要依賴于人工的經(jīng)驗判斷，往往在造成一定影響后才被發(fā)現(xiàn)，并且故障源的鎖定對技術(shù)人員的熟悉程度要求較高；同時系統(tǒng)運行過程中記錄的大量歷史數(shù)據(jù)由于沒有得到很好地利用而被浪費。因此為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障造成的損失和充分利用記錄的歷史數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)針對地鐵運行狀態(tài)智能故障的判斷，設(shè)計出服務(wù)器監(jiān)控軟件。該軟件基于Windows 2007平臺，主要用Microsoft Visual Studio 2008進(jìn)行開發(fā)［5］，整個軟件系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化的結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

處理器單元通過串口讀取無線采集模塊接收到的地鐵車輛在線狀態(tài)信息，然后存儲到存儲單元。處理器單元也可以讀取存儲單元存儲的信息并在顯示單元顯示，輸入單元可以對處理器單元進(jìn)行各種輸入操作。

圖3　監(jiān)控軟件總體結(jié)構(gòu)圖

本服務(wù)器監(jiān)控軟件中，通過輸入單元設(shè)定信號采集板卡采集的信號名稱、采集板卡的電源電壓、試驗步驟信息，從而確定智能判定系統(tǒng)的理想狀態(tài)信息，存入存儲單元數(shù)據(jù)庫中；通過通訊接口讀取采集到的現(xiàn)實信息，并與數(shù)據(jù)庫中的理想狀態(tài)信息作比較，從而判定地鐵車輛是否正常工作，若非正常工作，指出故障并提出可能的故障原因，在顯示單元中顯示。

2.3監(jiān)控界面顯示模塊

根據(jù)地鐵車輛地面試驗狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測的要求，監(jiān)控界面應(yīng)該具有實時在線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、地鐵車輛狀態(tài)信息分析、地鐵車輛狀態(tài)信息轉(zhuǎn)存等功能。服務(wù)器監(jiān)控軟件整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　監(jiān)控軟件整體結(jié)構(gòu)圖

本監(jiān)控軟件系統(tǒng)進(jìn)入主頁面，設(shè)置好地鐵車輛地面試驗信息之后，保證串口打開的基礎(chǔ)上，可以實時接收和存儲監(jiān)測點通過無線模塊發(fā)來的信息，并與數(shù)據(jù)庫中存儲的信息進(jìn)行比較，以判斷試驗是否成功。監(jiān)控軟件還可對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，包括歷史數(shù)據(jù)查詢、信息曲線圖繪制、Excel表格導(dǎo)出、模擬信息曲線圖轉(zhuǎn)存等［6］。

3　結(jié)語

隨著計算機(jī)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)越來越受到用戶的重視。為了提高地鐵車輛地面調(diào)試實驗的效率，本文針對于監(jiān)測信息量大且位置分散的地鐵地面試驗運行狀態(tài)監(jiān)測，提出了基于無線采集技術(shù)地鐵車輛地面試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，使用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，編寫了用戶操作簡單、友好的服務(wù)器在線監(jiān)控軟件，通過實際測試，達(dá)到了對地鐵車輛調(diào)試數(shù)據(jù)的各項要求，實現(xiàn)了地鐵車輛地面試驗監(jiān)控的自動化。

參考文獻(xiàn)

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On-line Monitoring System for Ground Test of Metro Vehicle Based on Wireless Data Acquisition Technology

Wang Lei1， An Ganghu2， Cui Jianghan1
（1. CSR Nanjing Puzhen Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China； 2. Qingdao Haineng Electric Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract:The ground test of Metro vehicles is the key step in the subway debuggin， in order to ensure it's reliability and improve the efficiency of the test， on-line operating state of the metro vehicles should be monitored. According to the data transmission the difficulties of distributed data acquisition system， a real-time monitoring method for the ground test of metro vehicles based on wireless data acquisition technology is proposed with abilities of data storage analysis， state control and failure diagnosis. Through the system， a widely-range and real-time monitoring for metro vehicle operation state is achieved.

Key words:metro vehicle； on-line monitoring； distributed data acquisition； fault diagnosis； wireless transmission

中圖分類號：U231+.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–0089–03

收稿日期：（2015-12-25）

作者簡介：王磊（1980-），男，江蘇無錫人，工程師，主要從事地鐵、鐵路客車等軌道交通車輛制造及車輛研發(fā)、調(diào)試工作。