鐵路列車便攜式軸溫報警裝置的研制

徐超凡，姜 璐，劉 飛，康旭韡，曹 源

（1．北京交通大學 軌道交通控制系統國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

鐵路列車便攜式軸溫報警裝置的研制

徐超凡1，2，姜 璐3，劉 飛1，2，康旭韡1，2，曹 源1，2

（1．北京交通大學 軌道交通控制系統國家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

列車軸溫過高會給列車運行帶來危險，因此列車軸溫檢測系統的意義重大。本研究不同于其他軸溫檢測設計，采用Android平臺手機與ARM11開發板相互通信以實現對溫度的實時監測。設計中采用Wi-Fi技術進行實時接收開發板采集的軸溫數據，并將手機作為Socket通信過程中的服務器端接收數據，ARM開發板作為客戶端發送軸溫數據，使機械師能夠在列車的任意位置對每一車軸的溫度值進行實時觀測。經測試，研制的鐵路列車便攜式軸溫報警裝置基本實現了軸溫檢測和無線發送軸溫數據到智能手持終端的功能。

便攜式軸溫檢測；鐵路列車；WiFi通信；安卓平臺；ARM開發板

隨著鐵路提速的范圍不斷擴大，對列車運輸安全的技術保障有了更高要求。因此，充分利用列車軸溫報警裝置，提高檢測報警質量，防止車輛因熱軸漏報、誤報，對保證鐵路列車運行安全具有重要意義。既有的高速列車軸溫報警裝置有很多弊端，在過流時很容易被燒壞、不易更換，客車與貨車也缺少相應的軸溫檢測報警裝置。列車快速運行過程中，車軸與軸承之間互相摩擦所產生的熱會引起軸溫的異常升高，從而導致燃軸、切軸等問題，甚至造成列車顛覆，此時若沒有可靠的便攜設備來保證正常的檢測與報警，會嚴重影響鐵路運輸安全。

當前國外軸溫檢測系統主要采用紅外溫度傳感器檢測裝置，國內主要從處理器的選型和溫度采集傳感器的設計等方面進行了不斷的創新，從基于單片機到基于ARM系列的嵌入式系統的軸溫檢測系統，從簡單傳感器到數字型溫度傳感器網絡的溫度采集設計等方向進行研制。解決問題的關鍵在于提高檢測系統的可靠性，增強檢測軟件對誤報故障的判斷能力，避免因外部干擾或系統量的問題而造成誤報故障的假象。為此，需要研制一種便于安裝的軸溫報警裝置，通過無線通信系統把軸溫的數據傳遞給機械師的手持終端，以保證對車軸溫度能夠實時檢測。

1 鐵路列車便攜式軸溫報警裝置實現過程

1.1 方案設計

鐵路列車便攜式軸溫報警裝置需要使溫度測量采集開發板與智能手持終端之間進行無線通信，能夠使其與手持終端建立有效可靠的連接，基本實現溫度數據的采集和無線的有效傳輸；無線傳輸的距離可有效覆蓋整車；通過手持終端能夠實時查看列車軸溫數據。

當前，針對軸溫監測系統的研究主要是在軸溫監測系統的溫度采集模塊、主機模塊部分中不斷地引進新技術，以改善系統性能。數字溫度傳感器（如DS18B20）溫度采集精確、部署簡單、抗干擾、成本低，能夠與單片機以及嵌入式系統等配合使用。嵌入式系統豐富多樣，在處理芯片、芯片版本和操作系統等方面選擇眾多。在嵌入式中ARM為主流的處理芯片，為了滿足更高的處理速度，低功耗，對無線網絡的完美支持，采用最新的ARM11進行高速軸溫檢測報警裝置進行研制。方案實現如圖1所示。

1.2 ARM開發板設計

對列車軸溫報警裝置的需求進行分析之后，本設計采用開發板OK6410-A作為溫度采集和發送的核心部件，OK6410的開發以S3C6410芯片為核心，溫度采集部分采用數字溫度傳感器DS18B20。在軸溫采集時一般要求實現溫度的多點采集，繼而多路溫度數據能不停地輸入嵌入式開發板,所以采用模擬開關+GPIO驅動控制的方式實現多點采集，這樣在OK6410的基礎上簡化了多點檢測的難度。

本設計使用SDIO Wi-Fi模塊，采用TP-LINKWR700N便攜路由器模式創建無線局域網。為了方便對局域網中設備的IP地址進行控制，可使用路由器自帶的靜態地址分配功能。Wi-Fi技術中的無線分散系統解決方案，通過提高無線路由器的發射功率和增減中繼器，實現無線局域網的拓展，將整個無線信號廣播范圍延展到整車長度，使得無線軸溫監測系統的研制有了實際的工程應用價值。

圖1 鐵路列車便攜式軸溫報警裝置實現方案

1.3 手持終端軟件設計

手持終端負責無線接收開發板測量的軸溫數據，因此需要設計一款軟件來記錄、存儲、顯示數據，設計思想如圖2所示。SQlite數據庫是一個開源的、用C語言實現的嵌入式數據庫，它有非常適合于移動平臺處理器相對慢，內存比較小的特點。

數據庫適配器BaseAdapter將數據來源與數據顯示進行匹配、解耦，降低了程序的耦合性，使得程序變得更加容易擴展。通過添加Android的ScrollView組件來解決傳統方法中不能通過上下滾動顯示條目的問題，但在數據比較多時，需多次循環去查找數據，非常消耗資源。在ListView中顯示數據并不是一下把數據庫中所有條目全部查詢并加載出來，將其向上滑動時，第一條數據便會滑出屏幕，系統會將這條數據回收到Recycler View緩沖池中，要顯示的屏幕外下一條數據將被從緩沖池中取出，顯示到對應位置上。因此，ListView控件極大地節省了系統內存。

UDP是一個面向數據報的傳輸層協議，進程的每個輸出操作都正好產生一個UDP數據，并組裝成一份待發送的IP數據報。Socket相當于對傳輸層協議在編程層次上的封裝，Socket與Socket Server都被封裝于Java.net包內。數據傳輸則采用TCP協議中規定的流格式進行，Android手機作為接受數據的一端，調用getInputStream()方法獲取軸溫數據。使用提示框提示用戶溫度過高，實現車軸溫度危險的報警功能。此外，數據庫刪除時，提示框可以防止用戶誤操作。

圖2 手持終端軟件設計

2 鐵路列車便攜式軸溫報警裝置實現

2.1 軟件實現

鐵路列車便攜式軸溫檢測系統軟件實現的過程如圖3所示，主要用于開發手持終端軟件系統，實現各種所需功能。

圖3 手持終端軟件實現

2.1.1 界面實現

在登錄界面的整體線性布局中，包含了一個相對布局登錄框的設計，登錄界面中各組件緊密聯合。其中Fragment相當于一個輕量級的Activity，特點就是不需要在清單文件中配置，既有效利用了屏幕空間，也減輕了維護難度。同時，在大屏幕設備上支持更加動態和靈活的UI設計。

2.1.2 通過Socket與溫度測量硬件部分的通信實現

開發板接收到溫度傳感器從車軸上采集的溫度數據，將數據通過Wi-Fi發送給同在一個熱點內的手機，手機接收到數據進行功能實現。這里手機相當于客戶端。當要測的車軸數較多時手機作為客戶端很不便，在Socket通信中，若手機作為客戶端來采集不同的車軸溫度時需要更換多次IP地址。反觀手機作為服務器端，車軸只需要都向手機的IP地址發送軸溫數據，唯一變化的就是端口號設置。因此本程序中采用手機作為服務器端，溫度測量硬件部分（以下簡稱開發板部分）作為客戶端。

UI是程序的主線程，用來快速響應用戶的要求并做出反應，而Android中規定，非UI線程是不能夠更新UI的。程序中Socket通信工作是個非常耗時的工作，所以把Socket的通信工作放在一個子線程當中，減少CPU的占用。

LitePal是一款開源的Android數據庫框架，它采用了對象關系映射的模式，并將平時開發過程中最常用的一些數據庫功能進行了封裝。需要采用在main_activity中創建通信子線程，并存儲數據進入數據庫。

2.1.3 溫度實時顯示實現

為了避免程序的復雜，采用了將Socket通信在main_activity的子線程中執行并在接收到數據的同時就存入數據庫，變化的是溫度實時顯示不再是在Socket通信內部讀取到數據顯示到控件上面，而采用數據庫的查詢最后一條數據的方法。采用循環方法實現溫度數據的實時顯示，此方法可在Fragment中執行，通過新建子線程不斷地查詢數據庫中最后一條數據，然后更新Fragment上UI顯示的內容以實現數據的實時更新。Handler是更新UI的消息處理機制，用它來進行消息的發送和處理。

2.1.4 提示框實現與曲線繪制實現

本程序中共包含兩個Dialogfragment，分別是當車軸溫度過高時發出警告的警告框，和清除數據庫記錄時，防止用戶誤刪除的確認框。曲線繪制實現采用第三方圖形庫MPAndroidChart，軸溫監測曲線圖包括：數據集DataSet，即軸溫數據；設定X、Y坐標對應顯示內容，X軸即時間，Y軸即溫度；通過Chart對象將其顯示出來。

2.2 鐵路列車便攜式軸溫檢測報警裝置的測試

2.2.1 系統聯機測試

系統聯機測試的主要步驟：（1）為測試建立無線局域網；（2）采集部分和手持終端均連接進局域網內；（3）使用計算機部署應用程序；（4）實時顯示溫度數據；（5）啟動溫度的發送程序，為演示方便，采用按鈕觸發方式。當發送失敗時會返回失敗原因窗口，而當溫度數據發送成功時會顯示發送成功窗口。（6）手持終端接收數據并顯示。

2.2.2 測試結果

（1）開發板與手持終端成功連入同一局域網內；（2）能夠實時顯示溫度數據；（3）車軸溫度升高時傳感器測量溫度開始逐步上升，測溫范圍在0～100℃；（4）軸溫數據發送完成，顯示成功或失敗原因；（5）手持終端能夠隨時查看列車信息、歷史數據并繪制溫度曲線，測試記錄所有車軸的連續24 h的溫度數據，圖4顯示了8個車軸前30 s的歷史軸溫數據。（6）車軸溫度過高（設計＞85℃），清除數據時會有提示框顯示。

3 結束語

鐵路列車軸溫監測系統保障列車平穩、安全運行，本研究提出了新的方法：通過手機接收軸溫數據，實現實時顯示軸溫數據、曲線繪制、數據庫存儲以及軸溫過高報警的功能。利用DS18B20數字溫度傳感器設計了溫度采集的硬件模塊，用SDIO WiFi模塊作為OK6410開發板的網卡，在此基礎上進行TCP Socket通信。開發板硬件部分仍需升級來提高其靈敏度和可靠性，還可以進一步改良軟件設計部分的程序使其更加智能化，實現自動報警等功能。本設計研制的鐵路列車便攜式軸溫報警裝置與手持終端組成的系統相對簡單，成品效果與鐵路應用的技術要求還有一定的差距，但它為我國鐵路列車軸溫檢測裝置的改善提供了一種新的安全可靠的解決方案。

圖4 列車信息、歷史數據及溫度曲線

[1]王 飛.CRH5型動車組軸溫檢測系統故障分析及處理辦法[J].科技傳播，2014（15）.

[2]金哲銘.動車組軸溫傳感器故障原因分析及應急措施探討[J].鐵道車輛，2012，50（7）：33-34.

[3]哈大雷,王 乾,蔣 濤，等.新型軸溫監測系統在高速動車組上的應用[J].大連交通大學學報，2013，34（1）：89-94.

[4]趙志梅，張 帆.基于無線傳輸的高速列車軸溫集中監測系統[J].計算機測量與控制，2012，20（5）：1242-1244.

[5]張 矢，溫 陽，邵汝峰，等.基于無線傳感器網絡軸溫探測系統的設計[J].現代電子技術，2008，31（3）：86-88.

[6]白曉松.基于ARM7（LPC2136）的火車軸溫檢測系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010.

[7]李開成.現代鐵路信號中的通信技術[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[8]王新玲，孫運強，姚愛琴.列車車軸溫度無線監測系統設計[J].計算機測量與控制， 2012，20（1）：119-121，186.

[9].Wang C, Fu Z Z, Wang P P.Design of the

責任編輯 陳 蓉

Portable axle temperature alarming device for railway train

XU Chaofan1,2, JIANG Lu3, LIU Fei1,2, KANG Xuwei1,2, CAO Yuan1,2
( 1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.State Key Laboratory of Rail Traffc Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China )

The high temperature of the train axle could bring dangerous to the train operation, so it is very important to detect train axle temperature.This research was different from the design of other axle temperature detection.Mobile phone with Android platform and ARM11 development board was used to communicate with each other in order to implement real-time monitoring of temperature.Wi-Fi technology was used to receive real-time data from the development board, and the mobile phone was used to receive data in the socket communication process, while the ARM development board worked as the client to send temperature data, so that the mechanical engineer could observe the temperature values of each axle at any position of the train.After testing, the portable axle temperature alarming device for railway train could implement the function of axle temperature detection and transmit the data of axle temperature to the intelligent handheld terminal through wireless communication.

portable axle temperature detection; railway train; WiFi communication; Android platform; ARM development board

U270.7∶TP39

A

2015-09-07

國家自然科學基金項目（51305021）；“十二五”國家科技支撐計劃（2015BAG12B01）。

徐超凡，在讀碩士研究生；姜 璐，助理研究員。

1005-8451（2016）03-0050-04