王加賓， 梁鑒如， 戴翌清， 施 聰， 陸鑫源, 陳 強(qiáng)

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司， 上海 201600)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵運(yùn)行的里程和線路也在迅速增加，軌道交通的人身安全問(wèn)題也得到了人們的高度重視。上海地鐵2號(hào)線作為市區(qū)軌道交通的骨干線路之一，由于信號(hào)與屏蔽門聯(lián)動(dòng)功能的使用，屏蔽門的故障次數(shù)也在不斷增加。如列車車門和屏蔽門開(kāi)關(guān)不聯(lián)動(dòng)、屏蔽門非預(yù)期開(kāi)關(guān)、交錯(cuò)開(kāi)門等故障現(xiàn)象，造成多次輕微傷人事故。作為保障乘客安全和地鐵系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要安全設(shè)施—地鐵站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)面臨很大的挑戰(zhàn)。為了減少因屏蔽門的故障造成的事故，提高地鐵運(yùn)營(yíng)效率和安全性，幫助運(yùn)維人員快速找到故障點(diǎn)，本文對(duì)控制屏蔽門工作的繼電器的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

地鐵屏蔽門狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)整體框架如圖1所示。系統(tǒng)整體由3部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)(micro controller unit,MCU)控制系統(tǒng)、個(gè)人電腦(personal computer,PC)端。電壓傳感器和電流傳感器用于檢測(cè)繼電器線圈電壓和電流；攝像頭1用于監(jiān)測(cè)繼電器接點(diǎn)信號(hào)，判斷繼電器處于吸起還是閉合狀態(tài)；攝像頭2用于車地通信(train-to-wayside communication，TWC)系統(tǒng)信號(hào)的檢測(cè)，判斷列車是否到站。本文選用STM32F103作為主控制芯片，通過(guò)測(cè)量屏蔽門與信號(hào)系統(tǒng)的電氣接口,繼電器的通斷時(shí)的電氣參數(shù)變化，判別屏蔽門系統(tǒng)的運(yùn)行狀況(欠壓、不工作等)，根據(jù)連鎖信號(hào)系統(tǒng)和屏蔽門的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析屏蔽門工作狀態(tài)是否正常，并將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端，服務(wù)器根據(jù)屏蔽門故障檢測(cè)判據(jù)給出相應(yīng)的處理建議[1]。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 漏電流傳感器模塊

上海申通地鐵2號(hào)線使用了美國(guó)的PN—150B繼電器和國(guó)產(chǎn)JWXC—1700繼電器聯(lián)合進(jìn)行屏蔽門的控制。為了不影響地鐵屏蔽門的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本文采用信瑞達(dá)公司提供的F系列交流漏電流傳感器，安裝在繼電器的線圈外，用于檢測(cè)繼電器的電流，其測(cè)量原理如圖2所示。該漏電流傳感器依據(jù)互感器電磁阻離、磁調(diào)制工作原理將被測(cè)交流微電流、直流微電流轉(zhuǎn)換為直流電流、直流電壓并隔離輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)[2]。

圖2 漏電器傳感器的工作原理

為檢測(cè)該系列漏電流傳感器的性能，對(duì)該電流傳感器進(jìn)行了模擬性試驗(yàn)，試驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行。該模擬試驗(yàn)的檢測(cè)對(duì)象是國(guó)產(chǎn)JWXC—1700繼電器，在電壓0～5 V范圍內(nèi)，對(duì)繼電器的電流及漏電流傳感器檢測(cè)到的漏電流進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)試驗(yàn)所得測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合化處理，可得該試驗(yàn)所得擬合直線斜率為0.25,因此漏電流傳感器的輸出電壓與輸入電流具有良好的線性關(guān)系，且最小輸入電流時(shí)，輸出電壓也滿足設(shè)計(jì)需求，因此該型號(hào)的漏電流傳感器符合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求。

表1 模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 電壓采集傳感器模塊

本文采用卡斯柯信號(hào)有限公司生產(chǎn)的PBMCJ—1型屏蔽門電壓采集模塊，可以對(duì)屏蔽門供電電壓狀態(tài)以及屏蔽門控制繼電器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)上采用電磁隔離原理，即電壓輸入、電流輸入及輸出三方隔離，隔離電壓達(dá)2 kV，同時(shí)使用專業(yè)的MCU控制器，可以同時(shí)測(cè)量4路屏蔽門狀態(tài)的供電電壓。該模塊具有高精度、高隔離、低功耗、低漂移、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以滿足本文設(shè)計(jì)的需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件控制系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計(jì)

地鐵屏蔽門的開(kāi)關(guān)主要由門使能繼電器、開(kāi)門繼電器和門鎖閉繼電器控制，通過(guò)檢測(cè)這些繼電器的電壓和電流等狀態(tài)信息來(lái)組成屏蔽門執(zhí)行側(cè)的監(jiān)控，為快速找到地鐵屏蔽門故障點(diǎn)提供技術(shù)支撐。負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的屏蔽門電壓采集傳感器、漏電流傳感器和薄型攝像頭模塊均通過(guò)RS—485接口與主控制芯片STM32F103通信。RJ45遠(yuǎn)程通信模塊支持TCP/IP協(xié)議，通過(guò)該模塊可以與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接，保證采集數(shù)據(jù)回傳的可靠性和實(shí)時(shí)性。屏蔽門監(jiān)測(cè)終端主程序流程如圖3所示。硬件系統(tǒng)進(jìn)行各模塊初始化工作后，RJ45模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議連接互聯(lián)網(wǎng)，與遠(yuǎn)程地鐵監(jiān)管中心建立網(wǎng)絡(luò)連接通道[3]。硬件系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建立連接后，會(huì)每隔3 s主動(dòng)向監(jiān)控中心以字符串的形式發(fā)送采集到的門使能繼電器、開(kāi)門繼電器和門鎖閉繼電器的電壓、電流等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)監(jiān)控中心也可以將控制指令通過(guò)RJ45模塊回傳給硬件控制單元，形成數(shù)據(jù)傳輸回路。

圖3 屏蔽門監(jiān)測(cè)終端主程序流程

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心基于MyEclipse平臺(tái)運(yùn)用Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)，服務(wù)器選用Apache tomcat 7.0,使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)采用SSH(Spring，Struts2，Hibernate)的企業(yè)級(jí)整合框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)主要由9個(gè)核心模塊組成，系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

實(shí)時(shí)顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示地鐵站臺(tái)信息，如站臺(tái)上是否有車。如果頁(yè)面中屏蔽門為綠色代表列車進(jìn)站屏蔽門處于開(kāi)啟狀態(tài)；灰色代表此時(shí)站臺(tái)上無(wú)列車，屏蔽門處于關(guān)閉狀態(tài)；紅色代表屏蔽門處于故障狀態(tài),白色部分表示玻璃幕墻；狀態(tài)量顯示模塊和模擬量時(shí)序圖模塊，用于分別顯示地鐵站臺(tái)的門使能繼電器、 開(kāi)門繼電器和門鎖閉繼電器的狀態(tài)信息和電壓電流值，并通過(guò)時(shí)序圖和折線圖的形式展示；預(yù)警模塊，用于地鐵站臺(tái)屏蔽門故障狀態(tài)的實(shí)時(shí)報(bào)警，通過(guò)該部分的功能可以使維修人員快速找到故障點(diǎn)；歷史報(bào)警模塊和回放模塊為用戶提供近3年的歷史記錄，用戶可以通過(guò)選擇起始時(shí)間、截止時(shí)間或者線路等選項(xiàng)進(jìn)行多條件動(dòng)態(tài)查詢過(guò)去某一個(gè)時(shí)間段的報(bào)警信息；設(shè)置模塊用于設(shè)置繼電器電壓、電流的閾值；系統(tǒng)自檢模塊用于查看整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)查找到整個(gè)系統(tǒng)的故障點(diǎn)。

3.3 ECharts API 接口及加載

使用ECharts[6,7]時(shí)只需要在script標(biāo)簽中正常引用即可，在繪圖前需要為ECharts設(shè)置一個(gè)擁有高度和寬度的DOM容器，然后通過(guò).init()方法初始化ECharts實(shí)例，可以根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目需求設(shè)置同一個(gè)DOM容器中設(shè)置多個(gè)grid組件，由.setoption()生成一個(gè)多grid的動(dòng)態(tài)折線圖[8]。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在搭建好的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，在PC端通過(guò)瀏覽器打開(kāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)，啟動(dòng)服務(wù)器，保持網(wǎng)絡(luò)的暢通。屏蔽門運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)平臺(tái)每隔3 s將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器端，服務(wù)器端一方面將數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面及時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給瀏覽器端的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心根據(jù)屏蔽門故障判斷依據(jù)來(lái)處理獲取的數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)屏蔽門運(yùn)行狀態(tài)做出預(yù)警或報(bào)警處理，并給出提示信息。

屏蔽門的運(yùn)行狀態(tài)分為3種：故障、異常、正常。故障狀態(tài)需要進(jìn)行報(bào)警處理，異常需給出預(yù)警提示。在實(shí)驗(yàn)室中模擬屏蔽門出現(xiàn)這3種狀態(tài)，共采集了16組測(cè)試數(shù)據(jù)，如表2所示，S代表是否有車，R1～R3分別為門使能繼電器狀態(tài)，開(kāi)門繼電器狀態(tài)，門鎖閉繼電器狀態(tài)。經(jīng)過(guò)測(cè)試設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊可以實(shí)時(shí)采集到屏蔽門的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)TCP/IP將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。屏蔽門運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)故障或異常時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能夠及時(shí)進(jìn)行報(bào)警或預(yù)警處理，并給出情況說(shuō)明。

表2 實(shí)驗(yàn)室采集屏蔽門狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于STM32的地鐵屏蔽門狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)，有效降低了檢測(cè)平臺(tái)功耗，減小檢測(cè)平臺(tái)的體積。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用企業(yè)級(jí)的SSH框架，使得監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)具有高內(nèi)聚、低耦合的優(yōu)點(diǎn)，方便系統(tǒng)的維護(hù)和迭代。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)放了數(shù)據(jù)檢測(cè)采集和傳輸接口，可以在其他地鐵線路較廣范圍的使用。本文設(shè)計(jì)的地鐵屏蔽門遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)一步降低上海地鐵2號(hào)線屏蔽門故障率，并在保障乘客人身安全等方面具有重要意義。