邱國仙，黃偉福

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

0 引言

隨著國際影響力與綜合國力的逐步提升，我國的軌道交通事業(yè)越來越發(fā)達(dá)，開通了更多軌道交通線路，使軌道交通機(jī)車車輛的需求量大增，對機(jī)車廠的調(diào)試技術(shù)提出了更高的要求[1]。機(jī)車車輛的設(shè)計制造工藝包括調(diào)試、總裝、車體制造等，各個工藝相輔相成，每種工藝都很重要。其中調(diào)試工藝是機(jī)車車輛交付之前的最后一道環(huán)節(jié)，同時也是最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)節(jié)。為保障軌道交通機(jī)車車輛能夠通暢地編組運(yùn)行，每列機(jī)車車輛在交付前都需要實施各系統(tǒng)間的調(diào)整和驗證，確保各系統(tǒng)之間能夠流暢地銜接與通訊。由于機(jī)車車輛的輔助、網(wǎng)絡(luò)、牽引等系統(tǒng)的控制技術(shù)含量很高，車輛的調(diào)試工作一直有很高的技術(shù)難度。據(jù)調(diào)查，當(dāng)前國內(nèi)軌道交通機(jī)車車輛生產(chǎn)企業(yè)使用的調(diào)試設(shè)備往往兼容性差、工序繁瑣、自動化程度較低，且無法自動提取關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)，因此對軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備的自動調(diào)試方法進(jìn)行研究。

各國都很重視該問題的研究，開展了大量相關(guān)研究工作，并進(jìn)行了多樣化的實踐。但當(dāng)前的研究成果存在車輛定位不精準(zhǔn)、調(diào)試耗時長的問題，因此在該問題的研究中應(yīng)用CSS技術(shù)，設(shè)計一種基于CSS技術(shù)的軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備自動調(diào)試方法。CSS技術(shù)是指線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，能夠以到達(dá)時間為依據(jù)對距離進(jìn)行測量，理論上其測距精度能夠達(dá)到米級，并且時間相對誤差越小、距離越遠(yuǎn)，其測距精度越高。在軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備自動調(diào)試方法的研究中，通過應(yīng)用CSS技術(shù)，實現(xiàn)了列車的精準(zhǔn)定位。

1 基于CSS技術(shù)的軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備自動調(diào)試方法設(shè)計

1.1 列車定位模塊設(shè)計

設(shè)計一種軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備自動調(diào)試平臺，其中列車定位模塊的設(shè)計具體如下：

基于CSS技術(shù)設(shè)計列車定位模塊的構(gòu)成具體如下：定位引擎中心、定位網(wǎng)關(guān)、定位錨節(jié)點、移動標(biāo)簽、寄存器以及CSS通信協(xié)議。

模塊主要在CSS通信協(xié)議下，通過定位引擎中心與定位網(wǎng)關(guān)對移動標(biāo)簽間的同步進(jìn)行控制，接著在被指定的時隙下利用移動標(biāo)簽和寄存器對定位錨節(jié)點進(jìn)行依次掃描，通過測距算法計算定位錨節(jié)點與移動標(biāo)簽之間的距離，實現(xiàn)列車的定位。

其中定位錨節(jié)點安裝于各機(jī)車車輛上，整個定位過程的通訊主要依賴CSS通信協(xié)議實現(xiàn)，該協(xié)議的設(shè)計具體如下：

向上位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)格式設(shè)計具體如下：每個數(shù)據(jù)包中都含有一個移動標(biāo)簽至多個固定節(jié)點之間的距離以及對固定節(jié)點和標(biāo)簽進(jìn)行區(qū)分的ID號[2]。各數(shù)據(jù)包具體構(gòu)造包括結(jié)束符、固定節(jié)點號以及該節(jié)點距離的具體數(shù)據(jù)、標(biāo)簽號、起始符。各數(shù)據(jù)包能夠發(fā)送定位錨節(jié)點到移動標(biāo)簽的距離、至少六個定位錨節(jié)點ID號、一個移動標(biāo)簽。

向下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)格式設(shè)計具體如表1所示。

表1 向下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)格式設(shè)計

寄存器的空間共有128字節(jié)，地址范圍為0x00到OxFF。

選用的測距算法為雙邊雙路測距法，需要進(jìn)行兩次完整的對稱測量，第一次測量由節(jié)點1發(fā)起，第二次測量由節(jié)點2發(fā)起，兩個節(jié)點分別為定位錨節(jié)點與移動標(biāo)簽。

具體計算公式如下：

式(1)中Te指的是兩個節(jié)點間信號的傳輸時間；Ta是指第一次測量時節(jié)點1測量的累加時間；Tb是指第一次測量時節(jié)點2測量的累加時間；Tc指的是第二次測量時節(jié)點2測量的累加時間；Td是指第二次測量時節(jié)點1測量的累加時間。

此時節(jié)點1和節(jié)點2間距離的計算公式具體如下：

式(2)中c表示光速。

通過該測距算法計算定位錨節(jié)點與移動標(biāo)簽之間的距離。

1.2 調(diào)試網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

調(diào)試網(wǎng)絡(luò)模塊主要基于調(diào)試車間使用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來搭建，具體構(gòu)成為車間調(diào)試服務(wù)器與臺位局域網(wǎng)。

其中車間調(diào)試服務(wù)器選用的是戴爾數(shù)據(jù)高端服務(wù)器，該服務(wù)器的網(wǎng)卡有兩個，將其中一個用于連接工業(yè)以太網(wǎng)，而另一個用于連接軌道交通辦公網(wǎng)，使車間工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[3]。

臺位局域網(wǎng)的具體構(gòu)造包括多終端操作平板、端部模擬試驗器、模擬試驗臺以及關(guān)聯(lián)組網(wǎng)設(shè)備。

多終端操作平板是模擬試驗臺的一種多終端擴(kuò)展，能夠?qū)ε_位局域網(wǎng)進(jìn)行組建，并為各調(diào)試人員配備其操作終端，使調(diào)試工人能夠在平板上對相應(yīng)信號進(jìn)行觀察和控制，同時對實際的接觸器、繼電器是否動作進(jìn)行檢查，無須在觀察點和控制點間來回跑動。

模擬試驗臺主要用于實時采集端部連接器信號以及與智能調(diào)試設(shè)備進(jìn)行交互。具體功能如下：可以實現(xiàn)車端連接器的線間連接、電源輸入以及電壓測量的邏輯可編程控制；能夠?qū)⒖刂乒δ茉谥悄苷{(diào)試設(shè)備內(nèi)集成，無需單獨安排操作人員。

模擬試驗臺能夠與被調(diào)試的機(jī)車車輛MVB總線相連，利用程序模擬組對MVB信號進(jìn)行收發(fā)，從而判斷和檢查被調(diào)試機(jī)車車輛的的車廂電氣接線[4]。模擬試驗臺的連接圖具體如圖1所示。

圖1 模擬試驗臺的連接圖

每臺被調(diào)試的機(jī)車車輛都需要配置單獨的調(diào)試試驗臺，可按照順序輪換使用。

1.3 監(jiān)控模塊設(shè)計

在監(jiān)控模塊中，選用便攜程度較高的工控機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)。選用的監(jiān)控主機(jī)為邁世OM-A6X，其主機(jī)和顯示屏高度集成，能夠提供多個擴(kuò)展接口，并且采用了電磁屏蔽技術(shù)，使主機(jī)能夠抵抗環(huán)境中的電磁干擾。在機(jī)箱外加設(shè)密閉式鋁合金層，并在鋁合金上鍍涂具有耐濕熱性、耐水性的防水漆，減少水汽和灰塵雜質(zhì)對主機(jī)的腐蝕，并用減振墊進(jìn)行包角加固，使監(jiān)控主機(jī)能夠適應(yīng)機(jī)車車輛設(shè)備調(diào)試的工作環(huán)境。

通過MVB通信網(wǎng)卡對監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，主要調(diào)用網(wǎng)卡的驅(qū)動封裝函數(shù)實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)交互與初始化功能。設(shè)計一種MVB通信網(wǎng)卡，使其具備總線診斷和總線管理器功能，總線診斷和總線管理器功能，網(wǎng)卡的功能模塊設(shè)計具體如圖2所示。

圖2 網(wǎng)卡的功能模塊設(shè)計

網(wǎng)卡的內(nèi)存設(shè)計具體如下：

通信量內(nèi)存設(shè)計為512 KByte；

通用內(nèi)存設(shè)計為512 KByte-1284 KByte；

FLASH內(nèi)存設(shè)計為2 MByte。

1.4 設(shè)備自動調(diào)試模塊設(shè)計

在設(shè)備自動調(diào)試模塊中，在監(jiān)控主機(jī)中運(yùn)行設(shè)備自動調(diào)試軟件，將監(jiān)控主機(jī)作為平臺與用戶的對話接口。分為三個層次設(shè)計設(shè)備自動調(diào)試軟件，將用戶界面部分設(shè)計為三個單元，分別是硬線I/O調(diào)試單元、調(diào)試網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控單元以及設(shè)備狀態(tài)檢查單元。

其中硬線I/O調(diào)試單元能夠?qū)C(jī)車車輛頂端的DI線路通道狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對DO線路通道進(jìn)行控制，使其輸出至機(jī)車車輛端部。

調(diào)試網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控單元能夠?qū)囕v調(diào)試網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

設(shè)備狀態(tài)檢查單元能夠檢查向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備的實際在線狀態(tài)。

將數(shù)據(jù)處理部分設(shè)計成兩個單元，一是數(shù)據(jù)發(fā)送處理單元，二是數(shù)據(jù)接收處理單元。其中數(shù)據(jù)發(fā)送處理單元能夠?qū)τ脩舻恼{(diào)試應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝，使其變成數(shù)據(jù)包并進(jìn)行發(fā)送待機(jī)；數(shù)據(jù)接收處理單元能夠?qū)τ脩舻恼{(diào)試應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收處理[5]。通過接收處理，軟件能夠以通信協(xié)議為依據(jù)對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，在接收的數(shù)據(jù)包中將需要使用的調(diào)試數(shù)據(jù)解析出來。

通過數(shù)據(jù)處理部分，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)與調(diào)試網(wǎng)絡(luò)模塊的數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)機(jī)車車輛設(shè)備的自動調(diào)試。為達(dá)到設(shè)備自動調(diào)試對于通信實時性的要求，將軟件的通信模式設(shè)置為UDP模式。

運(yùn)行設(shè)備自動調(diào)試軟件的開發(fā)平臺選用QT平臺。

1.5 顯示屏模塊設(shè)計

軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備自動調(diào)試平臺工作環(huán)境復(fù)雜，調(diào)試信息的顯示需要通過顯示屏來完成。為保證操作的舒適度與調(diào)試信息顯示的清晰度，選用彩色液晶有源矩陣顯示器作為平臺顯示屏，該顯示屏帶有LED背光系統(tǒng)，在光線較暗處也能夠顯示出清晰的調(diào)試信息。該顯示器能夠顯示的顏色超過265832種，具備低電磁干擾、高速度、低功耗的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形顯示。

2 設(shè)備自動調(diào)試現(xiàn)場測試

2.1 測試場景

于某軌道交通機(jī)車車輛制造廠車間中進(jìn)行設(shè)計平臺的測試，先后分別實施單車調(diào)試測試與多車調(diào)試測試。其中單車測試與多車測試的場景具體如圖3所示。在測試中，首先安裝機(jī)車車輛定位設(shè)備。

圖3 單車測試與多車測試場景

2.2 單車調(diào)試測試

將設(shè)計平臺與車輛相連，實施單車調(diào)試測試，首先測試設(shè)計的基于CSS技術(shù)的軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備自動調(diào)試平臺的車輛定位性能。

在設(shè)計平臺與測試機(jī)車車輛的連接中，首先連接二者的電氣，使用的是108芯/46芯電纜，接著連接二者的網(wǎng)絡(luò)，使用MVB總線。連接的車輛部位均為尾部車廂。網(wǎng)絡(luò)連接后，當(dāng)MVB指示燈呈現(xiàn)規(guī)律閃爍狀態(tài)，表明設(shè)計平臺與測試機(jī)車車輛能夠正常通信。當(dāng)二者成功連接后，就可以進(jìn)行設(shè)備調(diào)試測試了。

在車輛定位性能的測試中，對每個車廂分別進(jìn)行十次定位測試，取十次測試結(jié)果的均值作為最終定位結(jié)果，并計算定位結(jié)果的均方根誤差，具體計算公式如下：

式(3)中RMSE指的是定位結(jié)果的均方根誤差；Xobs，i是指最終定位結(jié)果；Xmodel，i指的是實際位置；n是指數(shù)據(jù)個數(shù)；i指的是數(shù)據(jù)排序序號。

平臺車輛定位性能的測試結(jié)果具體如表2所示。

表2 平臺車輛定位性能的測試結(jié)果

根據(jù)表2的平臺車輛定位性能測試數(shù)據(jù)，設(shè)計平臺對于測試車輛各車廂的定位整體比較精準(zhǔn)，定位的均方根誤差較低，最低僅為0.1200mm。說明設(shè)計平臺的單車定位性能良好。

接著測試設(shè)計平臺的機(jī)車車輛傳動系、換擋操縱機(jī)構(gòu)等設(shè)備的調(diào)試時間，具體調(diào)試項目包括離合器分離軸承間隙、離合器踏板自由行程等。

設(shè)備調(diào)試時間測試結(jié)果具體如圖4所示。

圖4 設(shè)備調(diào)試時間測試結(jié)果

根據(jù)圖4的設(shè)備調(diào)試時間測試結(jié)果，調(diào)試時間最低的項目是掛擋、摘擋情況，調(diào)試時間僅為2915s；調(diào)試時間最高的項目是發(fā)動機(jī)裝配，調(diào)試時間為11980s，該項目的調(diào)試時間較高是由于包含的子項目較多；總體來說，設(shè)計平臺的機(jī)車車輛傳動系、換擋操縱機(jī)構(gòu)等設(shè)備的調(diào)試耗時較低，調(diào)試效率較高。

2.3 多車調(diào)試測試

同樣連接設(shè)計平臺與十臺測試機(jī)車車輛，連接方法與上一節(jié)一致，首先對平臺的車輛定位性能進(jìn)行測試。在測試中主要取頭車十次定位測試的平均值作為最終定位結(jié)果，具體如表3所示。

表3 多車定位結(jié)果

表3的多車定位結(jié)果表明，通過設(shè)計平臺能夠?qū)崿F(xiàn)多車的準(zhǔn)確定位，其中定位均方根誤差最低為1.3625mm，最高也僅為2.1257mm，證明了設(shè)計平臺的軌道交通機(jī)車車輛定位性能良好，以及在平臺的設(shè)計中應(yīng)用CSS技術(shù)是很有必要的。

接著測試設(shè)計平臺的設(shè)備調(diào)試時間，具體調(diào)試項目包括前后橋制動、踏板制動效能、制動踏板自由行程等。在測試中取十輛機(jī)車的平均測試值作為最終測試結(jié)果。

測試結(jié)果具體如圖5所示。

圖5 設(shè)備調(diào)試時間測試結(jié)果

圖5的設(shè)備調(diào)試時間測試結(jié)果表明，設(shè)計平臺的前后橋制動、踏板制動效能等調(diào)試項目的整體耗時也較低，其中踏板位置的調(diào)試時間最短，僅為3012s，其他需要較長調(diào)試時間項目的調(diào)試耗時也很低。說明設(shè)計平臺的自動化程度較高，設(shè)備調(diào)試性能良好。

3 結(jié)語

隨著軌道交通的建設(shè)越來越多，機(jī)車車輛設(shè)備的調(diào)試效率顯得更加重要。在對機(jī)車車輛設(shè)備自動調(diào)試問題進(jìn)行研究的過程中，應(yīng)用了CSS技術(shù)，實現(xiàn)了機(jī)車車輛的精準(zhǔn)定位，并實現(xiàn)了迅速的設(shè)備自動調(diào)試。在研究中，取得一定成果的同時，由于研究時間有限，很多問題還未得到解決，例如多車調(diào)試效率的提升等問題，將會在日后進(jìn)一步對這些問題進(jìn)行研究，完善研究成果。