李蘇晨,王碩禾,唐 卓,劉 旭

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,石家莊 050043)

伴隨著電氣化鐵路供電安全應(yīng)運(yùn)而生的鐵路供電安全檢測系統(tǒng)(6C系統(tǒng))，可實(shí)現(xiàn)對鐵路牽引供電安全的全方位檢測[1]，該系統(tǒng)整體分為2個部分：一是采用移動設(shè)備檢測接觸網(wǎng)；二是采用地面固定設(shè)備實(shí)現(xiàn)檢測[2]，較為典型的設(shè)備如接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置監(jiān)測系統(tǒng)。隨著中國鐵路機(jī)車運(yùn)行速度以及車流密度的不斷攀升，弓網(wǎng)取流量日益增加，一旦補(bǔ)償裝置發(fā)生卡滯、斷線等故障，弓網(wǎng)受流條件會嚴(yán)重惡化，影響機(jī)車的安全運(yùn)行[3]。對補(bǔ)償裝置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測可以直接判斷補(bǔ)償裝置是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，減少供電事故，保障行車安全。

美國的Welch等[4]研發(fā)了一款通過監(jiān)測補(bǔ)償器的位移變化以及環(huán)境溫度判斷接觸網(wǎng)是否發(fā)生斷線的安全監(jiān)測系統(tǒng)，但該系統(tǒng)僅針對于滑輪補(bǔ)償裝置。王圣昆等[5]通過分析風(fēng)力對接觸網(wǎng)狀態(tài)的影響，研制了一套基于形態(tài)學(xué)-小波的風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)斷線故障檢測裝置，避免風(fēng)荷載對監(jiān)測的診斷結(jié)果產(chǎn)生干擾，對提高風(fēng)區(qū)鐵路運(yùn)行的安全性具有重要意義；李鑫[6]通過監(jiān)測補(bǔ)償裝置的墜陀加速度和棘輪角偏移及線夾溫度的變化，間接檢測接觸網(wǎng)安全狀態(tài)。上述方法主要是通過傳感器監(jiān)測接觸線的環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)的，檢測精度和實(shí)時性不高，對接觸網(wǎng)的突發(fā)性事故不能有效控制?；谏鲜鰡栴}，進(jìn)行接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)償裝置的實(shí)時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)

張力補(bǔ)償裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)[7]是安裝在鐵路沿線錨段墜砣下方實(shí)時監(jiān)測補(bǔ)償裝置運(yùn)行狀況的設(shè)備，通過監(jiān)測墜砣至地面距離(b值)的變化以及對現(xiàn)場圖像的實(shí)時獲取，判定補(bǔ)償裝置是否發(fā)生卡滯和斷線故障。系統(tǒng)分為監(jiān)測終端、監(jiān)控中心和網(wǎng)絡(luò)通訊部分，整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

(1)監(jiān)測終端包括核心控制器樹莓派(一種價格低廉的微型電腦)、超聲波測距傳感器、溫濕度傳感器、攝像頭以及電源模塊。

(2)監(jiān)控中心包括補(bǔ)償裝置監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和人機(jī)交互界面。

(3)網(wǎng)絡(luò)通訊包括阿里云服務(wù)器和4G通訊模塊。

1.2 系統(tǒng)功能及先進(jìn)性

系統(tǒng)功能包括：樹莓派作為核心控制器協(xié)調(diào)驅(qū)動測距傳感器、溫濕度傳感器以及攝像頭采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；以客戶端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)為基礎(chǔ)[8]，通過文件傳輸協(xié)議(TCP協(xié)議)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測終端與監(jiān)控中心之間的通訊；利用套接字(socket)[9]編程將樹莓派采集的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行分析處理，當(dāng)補(bǔ)償裝置b值超限時，加拍現(xiàn)場照片判斷是否發(fā)生異物入侵遮擋測距傳感器探頭，并下發(fā)報警短信，方便工作人員及時檢修；設(shè)計良好的人機(jī)交互終端軟件，提高了系統(tǒng)的易用性。

傳統(tǒng)工業(yè)常以單片機(jī)[10]和可編程邏輯控制器(PLC)作為核心控制器，存在價格昂貴、功耗大且精密度較低等問題[11]，本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，采用樹莓派負(fù)責(zé)控制整個采集系統(tǒng)的操作，運(yùn)算性能有了大幅提升，減少了能源消耗；在具體實(shí)驗中，由于大風(fēng)等天氣原因，測距探頭經(jīng)常被雜物遮擋，導(dǎo)致處理器誤判，因此安置一個紅外攝像頭抓拍現(xiàn)場照片，實(shí)現(xiàn)二次判斷，避免誤判。

2 監(jiān)測終端硬件設(shè)計

監(jiān)測終端作為系統(tǒng)的下位機(jī)主要負(fù)責(zé)采集和上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，包括控制器、多個傳感器以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊等硬件設(shè)備，圖2為硬件結(jié)構(gòu)示意。

圖2 監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)

樹莓派是一個微型電腦，具有較強(qiáng)的計算性能和豐富的輸入/出接口[12]。在本系統(tǒng)中樹莓派不僅實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場b值以及溫濕度的數(shù)據(jù)采集，同時攝像頭采集現(xiàn)場圖像，實(shí)時將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，方便工作人員對現(xiàn)場的監(jiān)測。

墜砣b值受溫度的影響緩慢變化，參考承力索銅合金絞線的參數(shù)，墜砣的最大伸縮量計算公式為

(1)

式中，n為補(bǔ)償滑輪傳動系數(shù)，取3；L為接觸網(wǎng)半錨距離，取800 m；ΔT為環(huán)境溫度的變化閾值，現(xiàn)場環(huán)境溫度變化范圍為-20～80 ℃，因此ΔT取100 ℃。

規(guī)定接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置b值的最小值為200 mm[13]，超測距傳感器的測量范圍為200～4 280 mm。因此采用高精度、窄波束角的HT-BEF3505超聲波測距傳感器，該傳感器抗干擾能力較強(qiáng)[14]，適用于環(huán)境復(fù)雜的鐵路沿線。傳感器采集墜砣b值，輸出4～20 mA電流信號，通過串入一個250 Ω的高精密電阻轉(zhuǎn)為1～5 V的電壓信號，再將此信號傳輸至ADS1256模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入樹莓派中[15]，將接觸線至測距傳感器的距離減去墜砣串的長度和b值即可得到a值。

考慮到樹莓派可以直接采集數(shù)字量信號，因此本設(shè)計選取DHT22數(shù)字溫濕度傳感器[16]，用于檢測鐵路沿線的環(huán)境溫濕度。其采用單總線接口方式，只有3個引腳，具有較強(qiáng)的抗干擾性和較快的響應(yīng)速度。

3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心將現(xiàn)場檢測終端發(fā)回的數(shù)據(jù)通過云服務(wù)器上傳至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和分析，工作人員可以通過網(wǎng)頁瀏覽方式獲取數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控中心通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與檢測終端通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)庫管理。上位機(jī)軟件為用戶提供了一個可視化界面，可以實(shí)時監(jiān)測補(bǔ)償裝置的運(yùn)行狀態(tài)，以及瀏覽歷史數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計流程

3.1 阿里云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫設(shè)計

云服務(wù)器 ECS是一種彈性計算服務(wù)[17]，與傳統(tǒng)服務(wù)器相比，云服務(wù)器可以有效降低信息技術(shù)成本，實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展，有效提升系統(tǒng)運(yùn)維效率且具有較高的安全性。本系統(tǒng)以裝載32位Ubuntu操作系統(tǒng)的阿里云服務(wù)器為開發(fā)平臺[18]，利用MySQL設(shè)計5個數(shù)據(jù)庫表存儲數(shù)據(jù)，包括核心數(shù)據(jù)采集表、報警數(shù)據(jù)表、選項連接數(shù)據(jù)表、系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)表以及終端設(shè)備編碼表，實(shí)時監(jiān)測存儲下位機(jī)所采集的數(shù)據(jù)。

3.2 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計

采用C#語言作為監(jiān)控中心上位機(jī)GUI界面的開發(fā)工具[19]，實(shí)現(xiàn)快速處理數(shù)據(jù)信息以及對系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，具體功能如下。

(1)用戶登錄功能。為保障遠(yuǎn)程登錄的安全性，避免數(shù)據(jù)泄露，本系統(tǒng)設(shè)置登錄權(quán)限，采用用戶名和密碼的登錄方式保證有相應(yīng)權(quán)限的管理者才有資格進(jìn)入該系統(tǒng)。

(2)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測功能。下位機(jī)每隔10 s采集現(xiàn)場溫度、濕度、接觸網(wǎng)b值以及承力索b值，每隔30 s采集現(xiàn)場環(huán)境圖像，在界面以base64字符串的形式將圖像編碼儲存[20]；對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，實(shí)現(xiàn)查看和拷貝功能。

(3)報警判斷功能。實(shí)驗過程發(fā)現(xiàn)b值是一個隨溫度增減而變化的量，因此設(shè)定當(dāng)溫度上下波動超過1 ℃而b值未改變，則判定補(bǔ)償裝置發(fā)生卡滯，若在10 s間隔取樣的b值變化超過500 mm，則判定補(bǔ)償裝置發(fā)生斷線故障，此時加拍現(xiàn)場圖像，進(jìn)行分析判斷。并依據(jù)鐵路部門的相關(guān)規(guī)定在系統(tǒng)設(shè)置界面中設(shè)置b值門限，當(dāng)采集數(shù)據(jù)超限加拍現(xiàn)場圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)與前一間隔圖像對比分析，判斷環(huán)境有無異物入侵，隨后發(fā)出報警提示信息提醒工作人員及時處理。

(4)控制執(zhí)行功能。系統(tǒng)設(shè)計上位機(jī)交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，以及按鍵控制，執(zhí)行監(jiān)測啟停、監(jiān)測終端控制切換以及查看歷史數(shù)據(jù)報表等功能，具有較好的易用性。

4 系統(tǒng)調(diào)試與現(xiàn)場安裝

本系統(tǒng)在電氣化鐵路試驗線路進(jìn)行實(shí)驗，錨段長度約2 km。監(jiān)測終端通過太陽能蓄電池連接樹莓派的Micro USB電源接口進(jìn)行5 V電源供電，樹莓派連接各傳感器模塊、攝像頭以及無線傳輸模塊，安裝在錨段下錨處補(bǔ)償裝置的正下方，如圖4所示。

圖4 設(shè)備現(xiàn)場安裝

為驗證系統(tǒng)可靠性，安裝完成后進(jìn)行了1個月的實(shí)驗測試：通過不定時的實(shí)測現(xiàn)場補(bǔ)償裝置b值數(shù)據(jù)，與本監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果進(jìn)行對比，計算誤差為0.08%，在允許范圍內(nèi)；通過人為利用草帽、雜草和塑料袋等異物遮擋測距探頭，驗證系統(tǒng)攝像功能，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠良好判斷為異物入侵，可以實(shí)現(xiàn)避免誤報警的功能。監(jiān)控中心將檢測數(shù)據(jù)在可視化界面上以曲線圖的形式實(shí)時滾動顯示，如圖5所示。正常情況下，接觸線和承力索的張力大小受溫度影響緩慢變化，隨著溫度升高，補(bǔ)償裝置b值逐漸減小，一旦發(fā)生超限，張力補(bǔ)償裝置則不再具有自動補(bǔ)償?shù)淖饔?，投入使用此系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)故障，為機(jī)車的安全運(yùn)行提供保障。

圖5 上位機(jī)數(shù)據(jù)可視化主界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一套電氣化鐵路接觸網(wǎng)補(bǔ)償器在線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，以樹莓派為主控制器，設(shè)計了體積小、精度高、費(fèi)用低、動作敏捷的下位機(jī)控制系統(tǒng)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)；以阿里云服務(wù)器作為中介，利用C#語言開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如下3種功能。

(1)實(shí)時監(jiān)測補(bǔ)償裝置運(yùn)行狀態(tài)，利用上位機(jī)判定接觸線、承力索是否發(fā)生卡滯、斷線故障，并發(fā)送報警信息，最大程度壓縮故障排除時間，避免弓網(wǎng)故障的發(fā)生。

(2)通過攝像頭采集監(jiān)控系統(tǒng)周圍環(huán)境信息并做圖像處理，實(shí)現(xiàn)二次檢測，排除異物入侵而使系統(tǒng)發(fā)出錯誤情報。

(3)監(jiān)控中心接收檢測終端采集的數(shù)據(jù)并上傳至自建數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。設(shè)計良好的人機(jī)交互界面，對數(shù)據(jù)信息分析、處理并保存，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該系統(tǒng)充分發(fā)揮了嵌入式靈活機(jī)動、具有較強(qiáng)的處理能力的特點(diǎn)，滿足了小型化、實(shí)用化、靈活性的現(xiàn)實(shí)需求。良好的可視化人機(jī)界面方便工作人員對設(shè)備的控制和監(jiān)測。目前設(shè)備對補(bǔ)償裝置的斷線情況監(jiān)測手段有待進(jìn)一步的提高，下一步擬采用應(yīng)變片的方式測量應(yīng)力，分析斷線瞬間的應(yīng)力變化，提高系統(tǒng)對斷線情況判斷的精確性。