虞賽君,劉 永,錢 敏

(1.合肥市軌道交通集團有限公司,安徽合肥 230000;2.合肥市軌道交通集團有限公司運營分公司,安徽合肥 230000;3.中國科學技術大學工程科學學院,安徽合肥 230009)

0 引言

列車在實際運行中,鋼軌由于車輪與其接觸面持續(xù)摩擦,非接觸面臟污,生銹等原因導致鋼軌各參數(shù)發(fā)生變化,由于列車在運行期間人工檢修困難,鋼軌狀態(tài)無法實時監(jiān)測,當鋼軌狀態(tài)發(fā)生變化時,可能會導致列車停車等問題,甚至會造成一條線路的停滯。所以能夠實時監(jiān)測軌道結構信息,建立起一套完善的實時監(jiān)控系統(tǒng),對保證城市軌道交通運行的安全具有重要意義。

目前對于鋼軌形變監(jiān)測大多采用在鋼軌表面粘貼應變片等接觸式測量的形式[1],由于粘貼工藝等影響,接觸式測量會改變列車運行時鋼軌的受力狀態(tài),進而對測量值的準確性產生一定影響。本設計提出通過電渦流位移傳感器非接觸式測量列車經(jīng)過時鋼軌形變量,通過NB-IoT網(wǎng)絡和MQTT協(xié)議實現(xiàn)將形變數(shù)據(jù)傳輸至云平臺,通過數(shù)據(jù)可視化設計實現(xiàn)實時監(jiān)測列車行駛過程中的鋼軌狀態(tài),進而預防列車行駛異常情況的發(fā)生。

1 系統(tǒng)方案

1.1 測量點選擇

一般脫軌事故主要發(fā)生于小半徑區(qū)段、夾直線區(qū)段等列車運行環(huán)境相對惡劣的路段[2-3]。通過現(xiàn)場調研,測試點選擇在合肥市軌道交通某1 km區(qū)間,共選擇5個測量點,每個測量點的左右軌道分別放置2個傳感器進行鋼軌橫向變形和縱向變形的監(jiān)測,則測試共需20臺傳感器,5個測量點的位置坐標和特征如圖1和表1所示。

圖1 測量點位置示意圖

表1 測試點位置具體參數(shù)

1.2 測量點監(jiān)測參數(shù)及指標

根據(jù)對脫軌理論的研究,脫軌預測主要依據(jù)2個參數(shù):脫軌系數(shù)和輪重減載率。

脫軌系數(shù)定義為

(1)

式中:Q為作用在車輪上的橫向力;P為作用在車輪上的垂向力;μ為輪緣處的摩擦系數(shù);α為最大輪緣接觸角。

輪重減載率定義為

輪重減載率=ΔP/P0

(2)

式中:P0為平均靜軸重;ΔP為輪軌垂向力相對平均輪重減載量。

GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》[4]按曲線段半徑R評定的脫軌系數(shù)如表2所示。

表2 脫軌系數(shù)評定限值表

輪重減載率評定按速度分類如下:

當列車行駛速度v≤160 km/h時,輪重減載率≤0.65;當列車行駛速度v>160 km/h時,輪重減載率≤0.8。

綜上所述,根據(jù)測試列車實際情況以及實現(xiàn)對行駛過程中的安全性問題進行合理評估,監(jiān)測指標如表3所示。

表3 列車穩(wěn)定運行監(jiān)測指標

1.3 測量方案

以一個測量點為例,使用4個電渦流傳感器,共分為2組,分別測量左右鋼軌形變量,每組傳感器通過夾具實現(xiàn)單軌橫向形變和垂向形變的測量,如圖2所示。

圖2 測量位置示意圖

該測量點共輸出4路傳感器采集數(shù)據(jù),將該4路數(shù)據(jù)送至MCU端,MCU接收后通過串口和NB-IoT模塊交互,通過AT指令將接收數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺,利用OneNET View數(shù)據(jù)可視化工具設計實時監(jiān)測界面,實現(xiàn)鋼軌位移量、鋼軌受力狀態(tài)以及脫軌系數(shù)和輪重減載率的實時監(jiān)測,系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 測量點參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電渦流傳感器原理

電渦流位移傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應原理設計開發(fā)的,其中電渦流的大小與金屬導體厚度、材料、線圈激勵電流頻率以及金屬導體表面距離等相關,如圖4所示,當控制線圈與金屬表面距離以外的參數(shù)恒定不變,通過阻抗的變化即可測量出位移的變化[5]。

圖4 電渦流傳感器作用原理[6]

2.2 電渦流傳感器設計

由于使用環(huán)境的特殊性,用于地鐵軌道測量的探頭有諸多限制,文中根據(jù)實際情況制作了適用于該系統(tǒng)的專用探頭。制作了直徑25 mm、量程為10 mm的探頭。軌道下方空間有限,因此探頭整體長度較短,且采用了側出線方案,探頭導線長5 m,探頭結構如圖5所示。

圖5 探頭結構示意圖

由于地鐵隧道內部溫度不恒定,而電渦流傳感器的輸出隨溫度變化較大,導致對軌道振動的測量誤差,從而導致脫軌系數(shù)計算誤差,因此需要對傳感器進行溫度補償。文中在電路中內置了溫度傳感器并設計了補償程序,根據(jù)變溫試驗采集到的數(shù)據(jù)進行溫度補償。在恒溫箱中進行了變溫試驗。試驗方案如下:

(1)固定探頭到目標板之間的距離;

(2)設定溫度為10、30、50 ℃,每個溫度持續(xù)一段時間,直到傳感器輸出穩(wěn)定;

(3)記錄試驗過程中的溫度和傳感器位移數(shù)據(jù);

(4)改變探頭到目標板的距離,重復上述3個步驟。

圖6為變溫試驗中傳感器的輸出,20 ℃的溫度變化造成傳感器溫漂0.26 mm,占總量程的2.6%。

(a)傳感器輸出曲線

(b)溫度變化曲線圖6 變溫試驗傳感器輸出

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行溫度補償,得到圖7的數(shù)據(jù),20 ℃的溫度變化造成傳感器溫漂0.05 mm,占總量程的0.5%,溫漂縮小到原來的1/5。考慮到地鐵隧道內的溫度波動,傳感器實際漂移可能小于0.2%,通過溫度補償很大程度上提高了對軌道振動的測量精度,從而減小了脫軌系數(shù)的計算誤差。

圖7 溫度補償后傳感器輸出

2.3 傳感器夾具設計

為了滿足實際應用場景的需要,傳感器探頭安裝夾具在設計時主要考慮因素:

(1)滿足軌底空間≤7 cm的安裝需要;

(2)在安裝后不影響列車的正常運行;

(3)滿足傳感器測量距離要求;

(4)能根據(jù)實際工況對探頭位置進行調節(jié)。

傳感器夾持工作結構主要分為定位結構和傳感器安裝結構。如圖8(a)所示,其中3為定位面,傳感器安裝部分位于1、2兩個位置,其中位置1為測量鋼軌橫向形變傳感器安裝孔,位置2為測量鋼軌縱向形變傳感器安裝孔。

(a)傳感器夾具設計

(b)傳感器現(xiàn)場安裝圖8 傳感器夾具設計及安裝示意圖

圖8(b)為傳感器夾持機構安裝示意圖,由鋼軌、傳感器探頭、傳感器安裝夾具組成。其中傳感器探頭尾部采用螺紋結構,當傳感器置于安裝孔中,通過2片螺母旋緊固定。定位面與地面之間選用DP460高強度環(huán)氧樹脂膠固定,該膠滿足MIL-A-23941A標準,擁有良好的剝離和剪切強度,粘合的材料類型廣泛,適用于玻璃、電子元件、石材類、水泥制品等的粘合,另一方面也可以避免打孔固定等方式造成列車運行環(huán)境的破壞,減少列車行駛過程中的干擾因素。

2.4 硬件電路設計方案

測試現(xiàn)場所用設備的硬件電路主要包括電源模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、RS422轉TTL模塊、MCU主控芯片、通訊模塊等,硬件電路的設計方案如圖9所示。

圖9 調試接口設計

考慮到信號處理的快速性,傳感器采用數(shù)字量輸出模式,即輸出422信號。因此采用RS422/TTL模塊進行信號轉換,提高信號采集和處理的速度。

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6主控芯片,其最高工作頻率72 MHz,在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25 DIPS/MHz,且可實現(xiàn)單周期乘法和硬件除法,數(shù)據(jù)處理性能強大[7]。該模塊主要功能是接收傳感器輸出的信號并進行處理,通過AT指令控制通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺。

系統(tǒng)中NB-IoT模塊采用BC26模組,BC26模塊支持全球頻段,且該NB模組體積小,同時BC26還支持低供電電壓,更適合本系統(tǒng)場景需求。在設計方面,BC26采用LCC封裝,提供豐富的外部接口和網(wǎng)絡協(xié)議棧[8],支持OneNET云平臺,為使用者提供了極大的便利。本系統(tǒng)外圍電路設計如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)外圍器件連接圖

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)傳輸算法設計

為充分利用監(jiān)測系統(tǒng)的硬件功能,開發(fā)配套的算法軟件。本系統(tǒng)除了要滿足監(jiān)測列車狀態(tài)的功能外,還需要考慮列車行駛過程中的干擾,故該系統(tǒng)需具備工作可靠、抗干擾能力強等特點。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

以1個測量點為例,該采集點系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分是以MCU為基礎的,通過相應串口協(xié)議校驗提高數(shù)據(jù)的準確性。傳感器采集數(shù)據(jù)后,通過相應內部電路運算處理,并將數(shù)據(jù)封裝,傳輸至MCU端,MCU通過串口中斷服務函數(shù)來進行數(shù)據(jù)接收,并按照協(xié)議格式解析,進行校驗,若格式正確即傳輸過程中數(shù)據(jù)未失真, 則MCU將從數(shù)據(jù)包中解析出傳感器采集的原始數(shù)據(jù),并按照表4(Json字符串格式)封裝。

3.2 數(shù)據(jù)上傳

3.2.1 MQTT協(xié)議簡介

MQTT(message queuing telemetry transport,消息隊列遙測傳輸協(xié)議)是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級通訊協(xié)議,也是一個面向物聯(lián)網(wǎng)應用的即時通信協(xié)議[9]。

MQTT協(xié)議的實現(xiàn)需要客戶端和服務器端通訊完成,在通訊過程中,MQTT協(xié)議中有3種身份:發(fā)布、代理、訂閱者[10]。其中,在本系統(tǒng)中的NB-IoT模組為發(fā)布者,OneNET云平臺為訂閱者。并通過該協(xié)議實現(xiàn)將線下采集數(shù)據(jù)上傳至云平臺端。

3.2.2 數(shù)據(jù)上傳OneNET

當MCU上電后,在MCU初始化過程中,通過串口打印AT指令來實現(xiàn)NB-IoT模塊的初始化工作,初始化工作為測試AT指令,MCU通過判別模塊返回值來確定當前狀態(tài),初始化完成后,模塊處于登錄成功狀態(tài),等待數(shù)據(jù)上傳,當MCU串口接收到傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)且校驗正確后,通過封裝函數(shù)將數(shù)據(jù)封裝為Json格式字符串,并通過串口和NB-IoT模塊交互,NB-IOT模塊接收后將該數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺。其Json格式字符串如表4所示。

表4 Json字符串格式示意表

表4中“id”命名為采集點位置,數(shù)據(jù)流中value數(shù)據(jù)點為采集點的鋼軌形變量數(shù)據(jù)。

3.3 實時監(jiān)測界面設計

NB-IoT通訊模塊將數(shù)據(jù)值上傳OneNET云平臺后,云端會自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)流與之對應,通過OneNET View數(shù)據(jù)可視化工具,調用對應數(shù)據(jù)流的API接口將上傳至OneNET的數(shù)據(jù)進行展示,并采用編寫函數(shù)過濾器來從數(shù)據(jù)流中提取展示信息,如時間、位移值等?？梢暬O計如圖12所示。

圖12 鋼軌監(jiān)測系統(tǒng)可視化界面

在該界面中各圖表分別顯示測量點的左、右兩側鋼軌的形變量、受力狀態(tài)、脫軌系數(shù)和輪重減載率,并根據(jù)GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》中的規(guī)定設置了各個指標的警戒值,當測量參數(shù)超過限定時,界面會進行彈窗警報,提示相關人員進行進一步操作。

4 設備安裝與功能測試

4.1 設備安裝

4.1.1 電渦流傳感器夾具、探頭及線夾安裝

傳感器夾具、探頭及線夾安裝步驟如下:

(1)確認夾具安裝位置,并在相應位置涂刷DP460高強度環(huán)氧樹脂膠;

(2)將傳感器探頭安裝在夾具的定位孔上,通過兩片螺母夾緊固定;

(3)將傳感器夾具輕放在已涂膠位置表面,微調螺母,保證滿足探頭的測量距離;

(4)確認信號線固定位置,每隔30 cm膠粘線夾,將信號線固定;

(5)靜置3 h待膠凝固。

圖13為傳感器夾具、探頭及線夾安裝。

圖13 傳感器夾具、探頭及線夾安裝

4.1.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝

監(jiān)測系統(tǒng)安裝步驟如下:

(1)將左右兩側探頭的信號線引到消防疏散平臺,并將對應探頭線連接對應傳感器;

(2)使用線夾將信號線走線固定,防止對列車運行造成干擾;

(3)將系統(tǒng)箱體放置平臺靠墻一側,并在對應墻面區(qū)域刷涂熱熔膠,進行膠粘固定;

(4)進行現(xiàn)場拉電,完成系統(tǒng)供電。

圖14為系統(tǒng)箱體現(xiàn)場安裝圖。

圖14 系統(tǒng)箱體現(xiàn)場安裝圖

4.2 功能測試

當現(xiàn)場安裝完成后,采用OneNET View數(shù)據(jù)可視化界面遠程監(jiān)測列車行駛過程中的鋼軌狀態(tài),對本系統(tǒng)功能測試,當有列車經(jīng)過時,鋼軌數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖15所示。

本次列車運行過程中鋼軌的最大變形量、最大受力值、輪重減載率及輪軌系數(shù)可由圖15中各系數(shù)最大值顯示區(qū)域獲得。

經(jīng)過對系統(tǒng)功能多次測試,測試時刻選擇為2022-12-07 20∶40～21∶30,該時間段內共采集到7次列車經(jīng)過數(shù)據(jù),結果整理如表5、表6所示。

表5 鋼軌形變和受力測試數(shù)據(jù)

表6 脫軌評判系數(shù)測試數(shù)據(jù)

結合表3給出的標準對鋼軌狀態(tài)進行評判,實驗結果表明:在列車運行過程中鋼軌的各系數(shù)均在安全范圍內,無脫軌風險。

5 結論

鋼軌形變數(shù)據(jù)系統(tǒng)是通過嵌入式ARM開發(fā)環(huán)境,對城市軌道交通夾直線區(qū)段和小半徑區(qū)段等重點地段的鋼軌狀態(tài)進行在線測量,該系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力,依托NB-IOT網(wǎng)絡和OneNET云平臺等現(xiàn)代通訊手段實現(xiàn)實時上報數(shù)據(jù)以及分析監(jiān)測結果,并通過OneNET View數(shù)據(jù)可視化工具對數(shù)據(jù)分析結果進行更直觀的展示,本系統(tǒng)對于鋼軌的維護和檢修以及提高列車運行環(huán)境的穩(wěn)定性具有重要意義。本文的主要工作如下:

(1)鋼軌形變在線監(jiān)測系統(tǒng)整體方案設計。通過對地鐵運行復雜環(huán)境的分析,確定測量點選擇、監(jiān)測參數(shù)指標以及整體測量方案,綜合考慮了系統(tǒng)設計難度、使用環(huán)境以及抗干擾穩(wěn)定性。

(2)系統(tǒng)硬件設計?？紤]到列車行駛過程中的復雜環(huán)境,本文針對該系統(tǒng)使用環(huán)境對傳感器參數(shù)選擇進行了合理的分析,并對傳感器進行了測試。

(3)系統(tǒng)軟件設計。通過MCU端接收傳感器采集數(shù)據(jù),軟件算法進行校驗,并對不失真的數(shù)據(jù)組進行發(fā)送格式封裝,實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺,并后續(xù)通過可視化工具對數(shù)據(jù)進行可視化設計。

(4)為本文設計的系統(tǒng)進行功能測試。首先搭建測試環(huán)境,完成系統(tǒng)各模塊現(xiàn)場安裝,通過OneNET數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測列車運行時的各鋼軌系數(shù),進行數(shù)據(jù)分析,最終實現(xiàn)鋼軌狀態(tài)的在線監(jiān)測。