機車監控裝置運行數據分析和質量控制系統的開發

王永軍

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

關鍵詞：機車監控;數據分析;質量控制

0? 引言

近年來多臺機組采用電氣隔離開關，但仍采用手動直接控制方式。據不完全統計，全國鐵路機車系統，由于整個運營過程中誤用人員造成的傷亡人數達數十起。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情況，降低系統成本，在控制方面與國內現有的研究有很大不同，我們設計開發了基于安全現場總線技術的網絡控制系統和硬件監控系統，集中管理了軌道（站臺）的分散控制，從而實現了真正意義上的開放、分散和數字化通信。

1? 機車監控裝置發展概述

1.1 發展背景

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

1.2 發展現狀

采用單片機或控制器對大客車火災事故及其他異常情況進行跟蹤處理，可能產生延遲較大、響應較慢的輸出。手動監測電子元件的電學和熱學參數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。雖然現代列車已經采用了最新的技術來運行和控制列車，MCEP與其他方法的結合肯定會提供健壯和精確的操作。

1.3 系統架構思路分析

在本文提到的系統中，該系統采用MCEP與其他模塊一起實現列車自動化，減少了人為操作失誤，降低了功耗，提高了系統的可靠性和快速運行。它由執行列車運行的硬件和軟件模塊組成。系統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、軌道尺寸監測單元、電機控制單元、ELE電氣和機械特性監測及車廂無線監測單元、多核嵌入式處理器中央單元等。MCEP起著至關重要的作用，也就是說，它是這個系統的核心。各功能單元可以采用有線和無線方式與MCEP進行鏈接。

2? 機車監控裝置運行數據分析和質量控制系統硬件模塊的開發

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和優先級。每個任務將利用相應的處理器，并快速實時地執行它們的應用程序。由于 MCEP，如果一個處理器出現故障，自動運行的任務可以毫不延遲地切換到其他處理器。因此，系統的整體效率和響應將得到提高。

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，由于軌道斷裂而導致的火車脫軌現象仍時有發生。缺陷監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。它具有以下優點：①能夠靈活地發現用目前鐵路行業可用的方法無法檢測到的裂紋;②檢查是非接觸和遠距離的;③鐵路表面的氧化物或油的存在增強了激光的產生;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的一個輸入進行進一步的處理。

2.3 鐵路軌道尺寸監測單元

軌道監測系統通過監測軌道的沉降、扭轉和軌道間距，保證軌道的安全運行。當附近的建筑活動，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。同時系統也安裝在穿越受到山體滑坡或洪水威脅地區的軌道上。由于軌道沉降傳感器和軌道扭轉傳感器的可用性，該系統將實時監測軌道，然后數據將無線傳輸到MCEP，以便進一步處理，向列車控制系統發出警報。

2.4 溫度及煙霧監測裝置

利用客車上的無線溫度煙霧傳感器節點，在車廂內發生火災、冒煙時，機車自動停車。這些節點包括傳感器，射頻收發器，微控制器和電力收割機，即太陽能電池。在本文系統的微控制器總是實時檢測閾值，如果有煙霧，就迅速將數據發送到MCEP單元的接收部分進行進一步處理。

2.5 其他硬件設備

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的情況下，在實時和電壓/電流水平監測中，機車和車廂的剎車將使用MCEP，并在相應位置放置各自的傳感器。使用無線電模塊，艙室將被監測使用距離或接近傳感器節點在2個艙室連接點。鐵路軸承聲學監測采用先進的聲學技術，通過實時分析和內置的趨勢軟件，監測軸承缺陷，以獲得最佳的軌道網絡性能。如果軸承有任何缺陷，機車將被停止。散熱將被監測使用溫度傳感器在電子元件。

2.6 系統通信系統設備

在通信系統模塊，其結構設計件開發使用組態王6.52，微軟office Access數據庫，建立數據連接使用ODBC數據源，主要點PLC使用pc適配器（適配器），MPI接口S7-315-2DP PLC，電力機車控制系統是通過pc PLC單元控制通過操作整個現場的設備，并對所有設備的狀態進行實時檢測。整個操作過程都是人機安全控制，機車頂部操作的統計數字將采用無線設備移動工人實時傳輸到地面控制計算機，從而保證了維修人員的質量、維修人員的安全和設備的安全。當PC主動操作時，如果成功連接到系統，指示燈顯示綠色，如果故障，指示燈顯示紅色。

在系統通信系統中，動態顯示控制可以集成在線監測設備狀態，控制臺可以達到動態顯示百年“開閉”狀態。動態顯示控制臺可以集成監控設備屋頂門的狀態，控制臺可以動態顯示綜合監控設備屋頂門鑰匙聯動開關的位置，控制臺可以動態顯示屋頂工作人員的狀態歷史查詢，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。控制界面實現了通信，并實現了整個顯示和控制界面與監控中心交換機的通信。

3? 機車監控裝置運行數據分析和質量控制系統軟件模塊的開發

多核體系結構有一個單獨的處理器包，包含兩個或多個處理器執行核心或計算引擎，并通過適當的軟件完全并行地執行多個軟件線程來交付。超線程技術允許額外的線程對每個核心進行操作。多核處理器的編程語言也可以用面向對象程序設計語言來實現。MCEP鼓勵基于最高優先級的多處理。由于對每個任務的優先級考慮，任務應該被唯一地排列優先級。為基于MCEP的嵌入式系統的設計提供了良好的平臺。

軟件體系結構設計減少了軟件工程設計和實現的復雜性，可以提高系統的可靠性。編寫全電力機車安全監控網絡操作系統軟件體系結構設計包括：主從網絡配置模塊、非接觸式ID卡操作管理模塊，以及從站PLC系統數據交換模塊、站PLC電機控制模塊的實現，以及幾個主要模塊的設計。

主機監控軟件采用組態王6.52開發，運行在Windows XP平臺上。在組態軟件的選擇上，采用北京控制自動化軟件技術公司組態王軟件進行了分析比較。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，實時監控。所以在引入工業控制組態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。在實現方法中重點放在四個方面：圖形、界面設置、渲染各種圖形符號;實現圖形和控制界面之間對應的物理狀態設置;動態生成數據庫、歷史記錄、語句等;實現實時監控功能。

在系統配置方面，安全監控網絡系統為了實現各個模塊與PC機之間的數據交換，相關的通信有：主站PLC與PC機組態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組態軟件通信僅在組態王設備中選用PLC/Siemens/S7-300系列Profibus-DP，然后在組態王的數據字典中將PLC定義為變量和相應的I/O變量。PLC與主站通信，主站選用S7-300 PLC，SIMATIC S7-300系列PLC協議MPI支持協議與西門子S7-300系列PLC通信監控軟件。需要您的計算機安裝或使用MPI PC-Card適配器。

系統中的通信控制改變了傳統的手動操作模式，消除了潛在的安全問題。采用PLC控制技術，全面實現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備的安全。同時，攝像裝置和工作條件的實時傳輸準確，更好地保證了整個運行的質量和安全性。在電力機車和動車組監控系統中，采用視頻采集技術將為運行高峰期機車操作人員傳輸實時狀態監測和計算機觀測分析，從而保證維修人員在標準的操作秩序下操作，實現人機控制的安全，保護人身安全、設備安全和工作質量具有重要意義，但也具有較高的推廣價值，社會效益和經濟效益不容低估。

4? 結語

綜上所述，MCEP的出現可以控制列車的所有參數、鋼軌缺陷檢測等參數。在此基礎上設計通信系統，整個系統進行了相對完善的功能測試，取得了良好的效果。整個電力機車監控系統包括一些功能模塊，以及監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，歷史數據查詢，打印等功能齊全，使用方便。電力機車的發展通過對運行安全的群監控系統改變了長期以來對電力的維護，通過對整個現場運行的管理和切斷機車運行的整個監控模式，保證了人身安全，提高了工作效率，在鐵路安全生產中發揮著巨大的作用。該監控系統通過進一步的研究為整個電力機車的運行提供了一個新的思路，該系統也具有實用價值和良好的推廣前景。

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