王永軍

摘要：該方案的目標(biāo)是利用高性能多核嵌入式處理器（MCEP）實現(xiàn)列車控制和通信系統(tǒng)的自動化。這種方法克服了現(xiàn)有方法所面臨的困難，如檢測軌道裂紋、監(jiān)測軌道間距、車廂監(jiān)測、車廂內(nèi)火災(zāi)和煙霧監(jiān)測。隨著無線傳感器節(jié)點（WSN）和基于高能激光的超聲波技術(shù)的出現(xiàn)，列車自動化（TA）可以靈活地實現(xiàn)列車運行參數(shù)的實時管理和對列車運行異常情況的實時監(jiān)測，避免延誤和事故的發(fā)生。在無線技術(shù)的發(fā)展幫助下，所有的參數(shù)都將在電力機車引擎公司進(jìn)行處理、控制和管理。多核嵌入式處理器（MCEP）在多核嵌入式軟件幫助下，對所有接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，以提高處理速度。

關(guān)鍵詞：機車監(jiān)控;數(shù)據(jù)分析;質(zhì)量控制

0? 引言

近年來多臺機組采用電氣隔離開關(guān)，但仍采用手動直接控制方式。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國鐵路機車系統(tǒng)，由于整個運營過程中誤用人員造成的傷亡人數(shù)達(dá)數(shù)十起。因此，為了加快整個電力機車運營商的變革，通過檢測落后的維護(hù)情況，降低系統(tǒng)成本，在控制方面與國內(nèi)現(xiàn)有的研究有很大不同，我們設(shè)計開發(fā)了基于安全現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和硬件監(jiān)控系統(tǒng)，集中管理了軌道（站臺）的分散控制，從而實現(xiàn)了真正意義上的開放、分散和數(shù)字化通信。

1? 機車監(jiān)控裝置發(fā)展概述

1.1 發(fā)展背景

由于國內(nèi)電力機車整個市場主要依靠人工控制操作，現(xiàn)場監(jiān)控操作時的情況。針對事故發(fā)生的潛在原因，通過調(diào)查研究，開發(fā)由全集團(tuán)運營的電力機車車輛安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以改變傳統(tǒng)的由全集團(tuán)運營的機車運營管理和斷開機車運營的維護(hù)方式，大大減少整個運營時間，提高工作效率，保證人身安全。它在鐵路安全生產(chǎn)中起著重要作用。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

采用單片機或控制器對大客車火災(zāi)事故及其他異常情況進(jìn)行跟蹤處理，可能產(chǎn)生延遲較大、響應(yīng)較慢的輸出。手動監(jiān)測電子元件的電學(xué)和熱學(xué)參數(shù)水平將不是一種有效的方法。手工檢測軌道裂紋和檢查軌道尺寸不能提供良好的效果。雖然現(xiàn)代列車已經(jīng)采用了最新的技術(shù)來運行和控制列車，MCEP與其他方法的結(jié)合肯定會提供健壯和精確的操作。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)思路分析

在本文提到的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)采用MCEP與其他模塊一起實現(xiàn)列車自動化，減少了人為操作失誤，降低了功耗，提高了系統(tǒng)的可靠性和快速運行。它由執(zhí)行列車運行的硬件和軟件模塊組成。系統(tǒng)由多個功能單元組成，包括基于激光的超聲鋼軌缺陷檢測單元、軌道尺寸監(jiān)測單元、電機控制單元、ELE電氣和機械特性監(jiān)測及車廂無線監(jiān)測單元、多核嵌入式處理器中央單元等。MCEP起著至關(guān)重要的作用，也就是說，它是這個系統(tǒng)的核心。各功能單元可以采用有線和無線方式與MCEP進(jìn)行鏈接。

2? 機車監(jiān)控裝置運行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制系統(tǒng)硬件模塊的開發(fā)

2.1 多核嵌入式處理器（MCEP）

許多嵌入式處理器都是在單個硅芯片上制造的。大的工作將被分成更多的任務(wù)和優(yōu)先級。每個任務(wù)將利用相應(yīng)的處理器，并快速實時地執(zhí)行它們的應(yīng)用程序。由于 MCEP，如果一個處理器出現(xiàn)故障，自動運行的任務(wù)可以毫不延遲地切換到其他處理器。因此，系統(tǒng)的整體效率和響應(yīng)將得到提高。

2.2 基于激光非接觸式超聲波軌道缺陷檢測控制單元

事實上，由于軌道斷裂而導(dǎo)致的火車脫軌現(xiàn)象仍時有發(fā)生。缺陷監(jiān)測可能受到以下因素的影響：鋼軌表面狀況、鋼軌軌頭幾何形狀、缺陷幾何形狀和方向、傳感器引入的電氣和/或機械噪聲以及傳感器與鋼軌表面耦合不足。為了避免這個問題，提出了基于非接觸式脈沖激光的超聲鋼軌缺陷檢測方法。特別地，這種方法，包括一個脈沖激光器和一個空氣耦合的傳感器將被安裝在電子元件的前端。它具有以下優(yōu)點：①能夠靈活地發(fā)現(xiàn)用目前鐵路行業(yè)可用的方法無法檢測到的裂紋;②檢查是非接觸和遠(yuǎn)距離的;③鐵路表面的氧化物或油的存在增強了激光的產(chǎn)生;④檢查速度可以高于接觸法。這個單元的輸出將被反饋到MCEP的一個輸入進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2.3 鐵路軌道尺寸監(jiān)測單元

軌道監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測軌道的沉降、扭轉(zhuǎn)和軌道間距，保證軌道的安全運行。當(dāng)附近的建筑活動，例如隧道工程或開挖工程，可能影響鐵軌的安全時，便會安裝上述系統(tǒng)。同時系統(tǒng)也安裝在穿越受到山體滑坡或洪水威脅地區(qū)的軌道上。由于軌道沉降傳感器和軌道扭轉(zhuǎn)傳感器的可用性，該系統(tǒng)將實時監(jiān)測軌道，然后數(shù)據(jù)將無線傳輸?shù)組CEP，以便進(jìn)一步處理，向列車控制系統(tǒng)發(fā)出警報。

2.4 溫度及煙霧監(jiān)測裝置

利用客車上的無線溫度煙霧傳感器節(jié)點，在車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、冒煙時，機車自動停車。這些節(jié)點包括傳感器，射頻收發(fā)器，微控制器和電力收割機，即太陽能電池。在本文系統(tǒng)的微控制器總是實時檢測閾值，如果有煙霧，就迅速將數(shù)據(jù)發(fā)送到MCEP單元的接收部分進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.5 其他硬件設(shè)備

受電弓，直流系列電動機，水龍頭變壓器將自動操作和控制的MCEP。在沒有機車駕駛員和大巴警衛(wèi)的情況下，在實時和電壓/電流水平監(jiān)測中，機車和車廂的剎車將使用MCEP，并在相應(yīng)位置放置各自的傳感器。使用無線電模塊，艙室將被監(jiān)測使用距離或接近傳感器節(jié)點在2個艙室連接點。鐵路軸承聲學(xué)監(jiān)測采用先進(jìn)的聲學(xué)技術(shù)，通過實時分析和內(nèi)置的趨勢軟件，監(jiān)測軸承缺陷，以獲得最佳的軌道網(wǎng)絡(luò)性能。如果軸承有任何缺陷，機車將被停止。散熱將被監(jiān)測使用溫度傳感器在電子元件。

2.6 系統(tǒng)通信系統(tǒng)設(shè)備

在通信系統(tǒng)模塊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計件開發(fā)使用組態(tài)王6.52，微軟office Access數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)連接使用ODBC數(shù)據(jù)源，主要點PLC使用pc適配器（適配器），MPI接口S7-315-2DP PLC，電力機車控制系統(tǒng)是通過pc PLC單元控制通過操作整個現(xiàn)場的設(shè)備，并對所有設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實時檢測。整個操作過程都是人機安全控制，機車頂部操作的統(tǒng)計數(shù)字將采用無線設(shè)備移動工人實時傳輸?shù)降孛婵刂朴嬎銠C，從而保證了維修人員的質(zhì)量、維修人員的安全和設(shè)備的安全。當(dāng)PC主動操作時，如果成功連接到系統(tǒng)，指示燈顯示綠色，如果故障，指示燈顯示紅色。

在系統(tǒng)通信系統(tǒng)中，動態(tài)顯示控制可以集成在線監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，控制臺可以達(dá)到動態(tài)顯示百年“開閉”狀態(tài)。動態(tài)顯示控制臺可以集成監(jiān)控設(shè)備屋頂門的狀態(tài)，控制臺可以動態(tài)顯示綜合監(jiān)控設(shè)備屋頂門鑰匙聯(lián)動開關(guān)的位置，控制臺可以動態(tài)顯示屋頂工作人員的狀態(tài)歷史查詢，可以操作歷史記錄。操作所記錄的全部印刷品，可以通過操作所記錄的全部印刷品來實現(xiàn)?？刂平缑鎸崿F(xiàn)了通信，并實現(xiàn)了整個顯示和控制界面與監(jiān)控中心交換機的通信。

3? 機車監(jiān)控裝置運行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制系統(tǒng)軟件模塊的開發(fā)

多核體系結(jié)構(gòu)有一個單獨的處理器包，包含兩個或多個處理器執(zhí)行核心或計算引擎，并通過適當(dāng)?shù)能浖耆⑿械貓?zhí)行多個軟件線程來交付。超線程技術(shù)允許額外的線程對每個核心進(jìn)行操作。多核處理器的編程語言也可以用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言來實現(xiàn)。MCEP鼓勵基于最高優(yōu)先級的多處理。由于對每個任務(wù)的優(yōu)先級考慮，任務(wù)應(yīng)該被唯一地排列優(yōu)先級。為基于MCEP的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計提供了良好的平臺。

軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計減少了軟件工程設(shè)計和實現(xiàn)的復(fù)雜性，可以提高系統(tǒng)的可靠性。編寫全電力機車安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：主從網(wǎng)絡(luò)配置模塊、非接觸式ID卡操作管理模塊，以及從站PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換模塊、站PLC電機控制模塊的實現(xiàn)，以及幾個主要模塊的設(shè)計。

主機監(jiān)控軟件采用組態(tài)王6.52開發(fā)，運行在Windows XP平臺上。在組態(tài)軟件的選擇上，采用北京控制自動化軟件技術(shù)公司組態(tài)王軟件進(jìn)行了分析比較。它具有操作簡單靈活的視覺界面、實時性、良好的并行處理能力、豐富的多媒體生動畫面、完善的安全機制、報警功能等多種多樣的優(yōu)點。采用合理的配置后，自動控制模式在大型計算機中可視化顯示，方便觀察機車檢修的全過程，實時監(jiān)控。所以在引入工業(yè)控制組態(tài)軟件的過程中是必不可少的，它使得控制更加直觀、更加安全。在實現(xiàn)方法中重點放在四個方面：圖形、界面設(shè)置、渲染各種圖形符號;實現(xiàn)圖形和控制界面之間對應(yīng)的物理狀態(tài)設(shè)置;動態(tài)生成數(shù)據(jù)庫、歷史記錄、語句等;實現(xiàn)實時監(jiān)控功能。

在系統(tǒng)配置方面，安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為了實現(xiàn)各個模塊與PC機之間的數(shù)據(jù)交換，相關(guān)的通信有：主站PLC與PC機組態(tài)軟件之間的通信由站PLC與IC卡之間的通信以及站PLC與微控制器之間的通信。主站PLC（S7-315-2DP）與PC組態(tài)軟件通信僅在組態(tài)王設(shè)備中選用PLC/Siemens/S7-300系列Profibus-DP，然后在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中將PLC定義為變量和相應(yīng)的I/O變量。PLC與主站通信，主站選用S7-300 PLC，SIMATIC S7-300系列PLC協(xié)議MPI支持協(xié)議與西門子S7-300系列PLC通信監(jiān)控軟件。需要您的計算機安裝或使用MPI PC-Card適配器。

系統(tǒng)中的通信控制改變了傳統(tǒng)的手動操作模式，消除了潛在的安全問題。采用PLC控制技術(shù)，全面實現(xiàn)了整個人機操作過程中的安全控制，充分保證了人身安全和設(shè)備的安全。同時，攝像裝置和工作條件的實時傳輸準(zhǔn)確，更好地保證了整個運行的質(zhì)量和安全性。在電力機車和動車組監(jiān)控系統(tǒng)中，采用視頻采集技術(shù)將為運行高峰期機車操作人員傳輸實時狀態(tài)監(jiān)測和計算機觀測分析，從而保證維修人員在標(biāo)準(zhǔn)的操作秩序下操作，實現(xiàn)人機控制的安全，保護(hù)人身安全、設(shè)備安全和工作質(zhì)量具有重要意義，但也具有較高的推廣價值，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益不容低估。

4? 結(jié)語

綜上所述，MCEP的出現(xiàn)可以控制列車的所有參數(shù)、鋼軌缺陷檢測等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計通信系統(tǒng)，整個系統(tǒng)進(jìn)行了相對完善的功能測試，取得了良好的效果。整個電力機車監(jiān)控系統(tǒng)包括一些功能模塊，以及監(jiān)控軟件對機車運行全過程的記錄采集，上位操作視頻采集，身份證信息管理，歷史數(shù)據(jù)查詢，打印等功能齊全，使用方便。電力機車的發(fā)展通過對運行安全的群監(jiān)控系統(tǒng)改變了長期以來對電力的維護(hù)，通過對整個現(xiàn)場運行的管理和切斷機車運行的整個監(jiān)控模式，保證了人身安全，提高了工作效率，在鐵路安全生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。該監(jiān)控系統(tǒng)通過進(jìn)一步的研究為整個電力機車的運行提供了一個新的思路，該系統(tǒng)也具有實用價值和良好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張馳.基于機器視覺的調(diào)車機車輔助駕駛的研究[D].北京交通大學(xué)，2019.

[2]孫娜.重載鐵路監(jiān)控設(shè)備控制模式的優(yōu)化研究[D].石家莊鐵道大學(xué)，2019.

[3]趙海燕.列車運行控制系統(tǒng)車載設(shè)備可靠性分析與設(shè)計[D].西南交通大學(xué)，2013.

[4]孫漢武.鐵路安全檢查監(jiān)測保障體系及其應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué)，2010.