單軌車走行輪實時監測診斷系統的設計與應用

李文正 李德祥 張 程

(中車青島四方車輛研究所有限公司, 266031， 青島//第一作者,工程師)

目前，基于無線傳輸的輪胎氣壓監測技術在汽車及單軌車等領域已經有了廣泛應用，輪胎氣壓無線監測技術也已非常成熟。傳統的走行輪胎壓監測一直采用以機械壓力開關為主的監控系統和人工定期檢查相結合的方式預防由于輪胎氣壓異常可能引發的安全事故。這種方式存在實時性差、故障數據無法記錄、維護工作量大、周期長和維保成本高等缺點。通過與TCMS(列車控制和管理系統)相結合，能夠實時監測走行輪輪胎氣壓和溫度等參數，并提供人機友好界面。同時司機及維護人員可以實時掌握車輛輪胎的運行情況，并且可以記錄走行輪的故障狀態，為故障追溯和原因分析提供科學依據，有利于維保工作的改進和提升，有效防止輪胎異常造成的安全事故，提高了系統的可靠性和安全性。

1 單軌車走行輪實時監測診斷系統的構成

單軌車每輛車裝有8個走行輪，每個走行輪均需要監測輪胎氣壓、溫度、傳感器參數等信息，數據量較大。接入TCMS后，通過TCMS人機接口單元可以實現對走行輪系統的實時監測診斷，并對輪胎胎壓、溫度等信息進行實時顯示和記錄，以及對輪胎異常情況進行實時報警，并提供離線數據的分析診斷。

基于TCMS的單軌車走行輪實時監測診斷系統(以下簡稱為“監測診斷系統”)的構成如圖1所示。該系統由無線傳感器、信號中繼器、走行輪胎壓監測主機、TCMS監控主機、駕駛室人機接口單元(HMI)和列車數據記錄單元(DRU)等組成。

2 監測診斷系統原理

單軌車每個走行輪安裝1個無線傳感器，每輛車安裝4個中繼器，每個中繼器負責與2個傳感器通信，中繼器通過有線的RS485方式與無線的走行輪胎壓監控主機相連。

走行輪傳感器采用無線通信(430 MHz)的方式與中繼器進行實時通信，將走行輪輪胎壓力、溫度等信息傳輸給中繼器，每個中繼器將從兩個傳感器獲取的數據匯總后通過RS485總線發送給無線的走行輪胎壓監控主機；走行輪胎壓監控主機將8個走行輪的參數信息打包通過RS485總線發送給TCMS主機；TCMS主機通過多功能車輛總線(MVB)掛在列車網絡上，掛在MVB總線上的人機接口單元(HMI)和數據記錄單元(DRU)作為走行輪胎壓實時監測及診斷單元負責對走行輪信息進行監測和診斷。

3 監測診斷系統功能

傳感器通過氣門嘴對走行輪輪胎的氣壓、溫度等參數進行實時監測，并定時將走行輪輪胎傳送至列車網絡系統診斷單元。維護人員可以通過胎壓數值，及時控制輪胎氣壓在正常范圍之內，從而減少輪胎的磨損，提高輪胎使用壽命。

輪胎信息通過安裝于氣門嘴上的專業傳感器實現，傳感器固定在延長管氣門嘴上并隨走行輪轉動，其轉動不會對信號的無線傳輸產生影響。同時傳感器將其電池電壓信息同步上傳，電池正常使用壽命為8 a，通過對電池電壓的實時監測，可以讓維護人員實時掌握電池電量情況，做到提前預判和預防性更換，避免影響系統的正常使用。

走行輪胎壓的實時監測及診斷功能主要由HMI和DRU實現。

3.1 HMI實時監測及診斷

HMI為司機和維護人員提供友好的人機接口界面(見圖2)，該界面主要包括走行輪輪胎氣壓值、走行輪輪胎溫度值、走行輪傳感器電池電壓值的顯示，以及走行輪輪胎漏氣的診斷等內容。HMI監測界面以500 ms的刷新周期進行實時刷新，司機或維護人員可以通過HMI界面實時監測走行輪狀態信息，包括走行輪胎壓、溫度、傳感器電池電壓信息等。同時HMI根據當前的胎壓數值對走行輪信息進行實時診斷，診斷信息包括胎壓過低報警、輪胎漏氣報警、溫度過高報警和傳感器電量低報警等。

(1) 胎壓正常范圍為750～1 300 kPa，通常按照1 000 kPa的氣壓對走行輪進行充氣。當HMI檢測到輪胎氣壓低于750 kPa時，立即進行胎壓過低報警，并在胎壓監測界面對應的輪胎位置將有胎壓數值進行“顯紅”提示。

(2) 在連續60 s內，如果胎壓數值相差-100 kPa，則診斷為輪胎處于漏氣狀態，此時將出現相應的輪胎漏氣故障提示。

(3) 輪胎的正常工作溫度值低于65 ℃，當檢測到輪胎溫度高于65 ℃時，立即對走行輪輪胎溫度過高進行報警，此時在輪胎溫度監測界面對應的輪胎位置將有溫度數值“顯紅”提示。

(4) 對傳感器電池電壓進行實時診斷，傳感器電池電壓正常范圍為2.5～3.3 V。當檢測到電池電壓值低于2.5 V時，立即進行電池電壓低報警，此時在電池電壓監測界面對應的輪胎傳感器位置將有電池電壓數值“顯紅”提示。

3.2 DRU離線診斷

DRU在通電狀態下能夠對走行輪輪胎氣壓、溫度和傳感器電池電量等信息進行實時記錄，采樣周期為500 ms。DRU提供USB和以太網接口，通過U盤或以太網下載記錄的運行數據，同時借助專用PTU(遠程終端設備)軟件對記錄數據進行分析。

DRU每次通電15 min(待輪胎氣壓穩定)后，會對全車走行輪胎壓數據進行一次記錄并生成記錄文件(見圖3)。該記錄文件可以通過PTU(遠程終端設備)軟件讀出并打印，方便用戶定期對走行輪輪胎氣壓進行統計分析。通過PTU軟件，也可以查看故障發生時刻前后任意時間段內的記錄數據，為維護人員提供檢修支持。

圖2 輪胎氣壓實時監測及診斷界面

圖3 輪胎氣壓記錄文件

4 監測診斷系統的優勢

該系統可提高單軌車走行輪胎壓檢測的及時性，司機及維護人員可通過該系統實時掌控走行輪輪胎的運行情況,并對異常情況作出準確判斷和及時處置，極大地減少因輪胎異常造成的安全事故。

該系統可使輪胎氣壓控制在正常范圍之內，這樣能減少輪胎的磨損，從而可以提高輪胎使用壽命，減少運營維護成本，以及提高維護效率。

該系統可以自動記錄胎壓的參數信息及故障狀態，為單軌車故障追溯和原因分析提供科學依據，有利于維保工作的改進和升級提升。

5 結語

傳統的無線胎壓檢測系統只能通過專用的PTU軟件讀取輪胎氣壓和溫度等信息，效率較低，實時性亦較差。通過與TCMS系統相結合，可預防輪胎氣壓異常可能引發的安全事故，為單軌車的運營提供了安全保障。單軌車走行輪實時監測診斷系統科學地指導了車輛由日檢、周檢等預防性檢修為主的檢修模式向均衡檢修模式的過渡，提高了檢修效率，并且在保證檢修質量和運營品質的前提下，進一步從人力和物力等方面降低了運維成本。