地鐵運行中列車門傳感器技術研究

王霏 屈桐 宋莎莎

摘? 要：在軌道交通中，地鐵列車門自動開關繼電器、無線組匣系統(tǒng)、Wago端子是整個地鐵運營中重要的組成部分。上述三種設備均沒有成熟有效的監(jiān)控手段。針對列車門自動開關繼電器、無線組匣、Wago端子日常巡檢效率低下，日常故障頻發(fā)的情況，為了使輔助措施能準確地判斷出故障點所在，文章提供一種采用外部接觸式傳感器，拒絕接入設備內部線路的監(jiān)控手段。在有效提供準確的設備性能狀態(tài)的同時，保證所有設備的完整性與可靠性。

關鍵詞：地鐵車輛自動開關門繼電器;無線組匣系統(tǒng);Wago端子;日常檢測;外部接觸式傳感器;實時監(jiān)控

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0153-05

Research on Train Door Sensor Technology in Subway Operation

WANG Fei， QU Tong， SONG Shasha

（Maintenance Seven Project Department， Communication Signal Branch of Beijing Metro Operation Co.， Ltd.， Beijing? 100080， China）

Abstract： In rail transit， the subway door automatic switch relay， wireless modular block system and Wago terminal are important parts of the whole subway operation. There is no mature and effective monitoring method for all the above three devices. In view of the situation of low efficiency of daily inspection of the subway door automatic switch relay， wireless modular block and Wago terminal and the frequent occurrence of daily faults， in order to make the auxiliary measures can accurately determine the fault points， this paper provides a monitoring method that adopts external contact sensor and refuses access to the internal circuit of the equipment. It ensures the integrity and reliability of all the equipment while effectively provides accurate performance status of the equipment.

Keywords： automatic opening and closing relay for subway vehicle; wireless modular block system; Wago terminal; daily inspection; external contact sensor; real-time monitoring

0? 引? 言

北京地鐵十號線在線車輛共計116組，根據(jù)每日運營要求分別停放于萬柳，五路，宋家莊停車場，停車場日平均承載量150余次。

由于車載信號設備存在開機上電啟動過程中，設備自檢時對無線系統(tǒng)和開關門等ATO功能無法自行檢查，出現(xiàn)故障無法做到及時發(fā)現(xiàn)。因此需要每日對車庫內所轄全部車輛進行兩次巡查，單次平均耗時10分鐘，日平均耗時25小時。工作人員必須在短時間內完成上車，開柜門查看自動開關門（AOCDL，AOCDR）繼電器、開前面板查看無線設備狀態(tài)等一系列工作流程，并立刻下車到對端車頭重復以上工作。工作人員在高強度的作業(yè)環(huán)境下易出現(xiàn)各類問題隱患。

本項目目的在于加強設備巡檢的準確率，提高人員工作效率，降低因設備異常對列車運營產生影響等情況。

1? 開關門繼電器設備、Wago端子設備、無線組匣系統(tǒng)運行概述

1.1? 開關門繼電器使用狀況

北京地鐵十號線所有車輛采用的開關門供電方式均為繼電器控制，即由永久磁鐵保持釋放狀態(tài)，加上工作電壓后，電磁感應使銜鐵與永久磁鐵產生吸引和排斥力矩，產生向下運動，最后達到吸合狀態(tài)。

而這種吸合方式的繼電器或者其他類型的繼電器在高強度的使用環(huán)境下極易產生各種故障，而現(xiàn)有的檢測手段均為人工上車進行一系列的流繼電器工作原理程才能確定當時繼電器的工作狀態(tài)是否正常。

1.2? 開關門繼電器設備、Wago端子設備、無線組匣系統(tǒng)缺點

開關門繼電器與Wago端子設備雖然可以承受高頻率的使用與觸發(fā)，但是對于本身此類節(jié)點型繼電器的工作狀態(tài)是否正常只能取決于面板指示燈是否亮起。缺乏有效的監(jiān)控手段，無法確定在地鐵車輛安裝起至損壞的生命周期或吸合次數(shù)。

無線組匣系統(tǒng)屬于高精密設備，對于日常地鐵運行中的無線信號傳輸起到至關重要的作用，但是由于組匣系統(tǒng)的精密性以及對于地鐵車輛的安全考慮日常的系統(tǒng)檢測只能通過同樣為人工巡檢的方式查看面板指示燈以及車輛功能測試進行檢測。所以在地鐵車輛運行當中無法實施的查看無線組匣系統(tǒng)是否正常運行。只能通過地鐵列車司機進行反饋，這樣被動的接收故障信息對于地鐵安全運行造成一定的隱患。而且由于沒有科學的統(tǒng)計無法判斷各個節(jié)點組匣系統(tǒng)的生命周期。

2? 開關門繼電器設備、Wago端子設備、無線組匣系統(tǒng)監(jiān)控改造

2.1? 開關門繼電器設備、Wago端子設備、無線組匣系統(tǒng)改造方案

本方案針對十號線車輛自動開關門繼電器及Wago端子、無線系統(tǒng)加裝外置傳感器并通過4G網絡上傳至云服務器進行狀態(tài)收集。如圖1所示。傳感器僅以設備外部燈顯進行設備狀態(tài)采集，無須接入原有機柜設備線路中，對車載設備無任何影響。4G模塊與處理板卡與傳感器本身采用快拆接頭線纜連接，4G天線安置在車輛人員指定機柜中，用專業(yè)屏蔽饋線連接至主機中與4G模塊進行連接，最大程度保證4G信號對無線信號無干擾。利用既有車載電臺剩余接口進行取電，對檢測終端與傳感器供電。

2.2? 光敏傳感器工作原理

光敏傳感器是采用光電元件作為檢測方式的傳感器。它所感應波長再可見光波波長附近，它的組成方式分為光明電阻，比較器，處理器組成。通過對比參考電壓與光敏電阻電壓進行判斷是否接收到光源。如圖2所示。

2.3? 顏色傳感器工作原理

顏色傳感器對各種顏色進行標記檢測，即使是被監(jiān)測的顏色有著細微的差別也可以完全檢測，處理速度快。自動適應波長，能夠檢灰度值的細小差別。

顏色傳感器也叫色彩識別傳感器，它是在獨立的光電二極管上覆蓋經過修正的紅、綠、藍濾光片，然后對輸出信號進行相應的處理，就可以將顏色信號識別出來。顏色傳感器對相似顏色和色調的檢測可靠性較高。它是通過測量構成物體顏色的三基色的反射比率實現(xiàn)顏色檢測的。由于這種顏色檢測法精密度極高，所以傳感器能準確區(qū)別極其相似的顏色，甚至相同顏色的不同色調。一般傳感器都有紅、綠、藍三種光源。三種光通過同一透鏡發(fā)射后被目標物體反射。光被反射或吸收的量值取決于物體顏色。如圖3和圖4所示。

2.4? 終端主板規(guī)格

主板輸入電壓：80 VDC～130 VDC，額定功率為20 W。采用的通信接口為CAN與RS485。如圖5所示。

2.4.1? 撥碼開關

采集主板共設置兩個8位撥碼開關，其中一個用于設置線路編碼及顏色傳感器使能和失能，另外一個用于設置列車編碼及設備編碼，具體定義如表1所示。

其中SW1的詳細定義如表2所示。

2.4.2? 按鈕開關

采集主板設置兩個按鈕開關S1和S2，用于手工設置顏色傳感器的白平衡參數(shù)。如表3所示。

2.4.2.1? LED指示燈

電路板上共設置14個LED指示燈，定義如表4所示。

2.4.2.2? 滑動變阻器

電路板上共設置10個滑動變阻器，定義如表5所示。

2.5? 4G模塊工作方式

4G模塊是指硬件加載到指定頻段，軟件支持標準的LTE協(xié)議，軟硬件集成模組化的一種產品。具有通信速度快，網絡頻譜款，通信靈活等特點。硬件將射頻，基帶集成在一塊PCB小板上，完成信號接收，發(fā)射，基帶信號處理功能?？蓪崿F(xiàn)基本的短信收發(fā)，撥號聯(lián)網等功能。4G模塊通過聯(lián)網，將所有的終端業(yè)務數(shù)據(jù)實時傳送到業(yè)務中心，通過管理監(jiān)控平臺，實時監(jiān)測被監(jiān)測終端運行狀態(tài)，并可實時排查設備故障。在運營成本，運營規(guī)模，服務失效等運營服務類有了巨大提升。

由于地鐵車輛所使用的信號頻段2 400～2 483 Hz，4G模塊使用移動基站的信號頻段為2 320～2 370 Hz，兩個頻段并不干擾。同時4G模塊搭載中國移動的物聯(lián)網卡，采用移動公司專有的互鎖機制，鎖定4G模塊MAC地址，及鎖定傳輸鏈路可以確保數(shù)據(jù)安全性。

3? 開關門繼電器、Wago端子、無線組匣系統(tǒng)監(jiān)控模塊安裝方式

3.1? 開關門繼電器監(jiān)控模塊安裝方式

根據(jù)自動開關門繼電器的外形與狀態(tài)指示燈的顯示方式，選擇用3D打印出適合自動開關門繼電器的外殼，加裝光敏傳感器用于檢測和統(tǒng)計繼電器是否正常與生命周期?？紤]到自動開關門繼電器在車廂機柜內沒有明顯光源所以此方案可以準確地監(jiān)控到繼電器的工作狀態(tài)及生命周期。具體安裝方式如圖6，圖7，圖8和圖9所示。

3.2? Wago端子監(jiān)控改造方案

Wago端子設備較為小巧，并且屬于繼電器的中的一種，在正面有指示燈顯示當前的工作狀態(tài)。但Wago端子太過于小巧所以普通的光敏傳感器無法安裝至端子正面根據(jù)指示燈判斷工作狀態(tài)。所以我們根據(jù)Wago端子的外形，采用迷你型光敏電阻設計了符合Wago端子的光敏監(jiān)控模塊。如圖10，圖11和圖12所示。

3.3? 無線組匣系統(tǒng)監(jiān)控方案

北京地鐵十號線無線組匣系統(tǒng)，安裝在列車專屬機柜中，因機柜空間有限并且出于設備安全性考慮并未安裝顯示器及鼠標鍵盤。日常需要觀察是否工作正常只能靠人工檢查指示燈并結合列車進行功能性測試。

本方案針對無線組匣系統(tǒng)板卡指示燈正常與非正常的RGB顏色強度進行統(tǒng)計并得出一個具體閾值。通過專用軟件與顏色傳感器在管理終端上準確還原當前各個指示燈狀態(tài)。以確定當前無線組匣工作狀態(tài)是否正常。這樣即使在地鐵列車運行當中準確獲取系統(tǒng)狀態(tài)，于地鐵司機發(fā)現(xiàn)之前提前通知司機臨時處理方案。如圖13和圖14所示。

4? 檢測設備運行方式

考慮到與控制柜中設備產生直接的電氣連接會對系統(tǒng)的正常運行帶來風險，采用加裝外部傳感器的方式間接采集目標設備狀態(tài)指示燈的方案，有效防止采集裝置出現(xiàn)故障時對系統(tǒng)設備造成影響。

采集裝置主要由顏色傳感器模塊、光敏傳感器模塊、采集主板及DTU構成。其中采集主板將110 VDC輸入電壓變換為24 VDC供于采集電路和通信設備，處理器采用ST公司STM32F1系列，主頻高達72 MHz，完全滿足系統(tǒng)的需求。采集主板根據(jù)采樣結果計算繼電器LED燈以及車載無線板卡指示燈的亮滅情況，并將結果通過DTU模塊傳送到服務器。如圖15所示。

5? 結? 論

根據(jù)北京地鐵維修七項目部對于車載檢測的流程降本增效的需求，本文采用了一種結合物聯(lián)網與外部接觸是采集傳感器的方式。為地鐵車輛檢修提供了一種方便快捷且可以實時查看設備工作狀態(tài)的方案。針對車載各個關鍵設備進行所有狀態(tài)檢測與生命周期統(tǒng)計。有效地降低人員成本，提高查車準確性與查車效率。增加人員巡視力度，提高故障處置效率，減少列車未出庫的情況發(fā)生。

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作者簡介：王霏（1979.04—），男，漢族，北京人，工程師，本科，研究方向：軌道交通;屈桐（1988.12—），男，漢族，北京人，助理工程師，本科，研究方向：軌道交通;宋莎莎（1992.05—），女，漢族，北京人，助理工程師，大連交通學院，研究方向：軌道交通。