地鐵車輛運營記錄儀的設計和應用

地鐵車輛運營記錄儀的設計和應用

1 概述
       由于各地鐵車輛的設計企業(yè)標準和制造工藝的不同, 加上生產(chǎn)年代的差異, 對地鐵車輛和地鐵系統(tǒng)來講,相互之間的電磁干擾是不可避免的。干擾嚴重時將會引起地鐵車輛故障和事故, 造成一定的經(jīng)濟損失。同時對地鐵車輛本身的機電、信號設備來講, 由于受自然環(huán)境變化的影響, 設備中元器件的質量和老化現(xiàn)象, 同樣會引起地鐵車輛的故障。此外還有人為的操作不當所引起的地鐵車輛故障和事故。所有這些故障的發(fā)生, 我們都需要通過一個完整的、實時的地鐵車輛運營記錄儀, 對地鐵車輛運營狀態(tài)進行科學的分析和取證, 從而得出合理的、正確的結論。特別是重大事故發(fā)生后, 地鐵車輛運營記錄儀具有一定的法律上的參考價值 ( 需經(jīng)過有關權威機構認定) , 它能比較全面地記錄車輛運營的有關信息, 比如在20 h 內(nèi), 對列車所有曾經(jīng)觸發(fā)過的狀態(tài)及連續(xù)變化過程中參數(shù)的記錄萬用表·鉗形表·鉗形功率表·頻率計·電源·示波器·示波表·場強儀·信號發(fā)生器。

      現(xiàn)在國內(nèi)正在運營中的地鐵列車, 基本上都沒有安裝地鐵車輛運營記錄儀, 一旦地鐵車輛發(fā)生重要故障和事故, 司機可執(zhí)行緊急事件按鈕(

緊急蘑菇按鈕) 。這時有關主要信息便“永久”記錄在地鐵車輛的計算機控制單元的內(nèi)存中。其存儲的信息是簡短的、部分的、前后幾分鐘內(nèi)的記錄, 而無法記錄完整的有關列車的數(shù)據(jù), 如司機當時的工作情況: 手動操作位置、各類按鈕、指示燈、斷路器、開關和設備的 I/O 等, 這樣給故障和事故的分析帶來一定的困難。目前國內(nèi)外的地鐵車輛運營商對此非常重視, 認為在地鐵車輛上安裝地鐵車輛運營記錄儀有助于提高科學化管理水平, 正確評估地鐵車輛設備的性能和事故發(fā)生的真實原因。

      在國外, 地鐵車輛上安裝運營記錄儀是 20 世紀 90 年代才提出的新概念。據(jù)報道 1999 年國際電氣電子工程師協(xié)會在有關技術文件中專門對地鐵車輛運營記錄儀進行描述, 如德國專家 W .Jochim 建議運營記錄儀應記錄以下4 類數(shù)據(jù):

      ( 1) 相應信號系統(tǒng)的車載設備的現(xiàn)狀, 如: 設備是否接通、故障情況等。

      ( 2) 相應列車的現(xiàn)狀, 如: 使用哪個司機操縱臺、換班時間等。

      ( 3) 列車運營的實時信息, 如: 時間、行駛路程、速度等。

      ( 4) 操作和監(jiān)控過程的有關信息, 如: 車門開關、常用制動、緊急制動等。

      針對這些建議, 有關國家的工程技術人員開始對這方面進行研究。例如德國 DEVAT 公司設計的 KW R6 運營記錄儀, 是基于新車輛的開發(fā), 采用網(wǎng)絡原理對車輛的各個信號進行采集, 在軟件和硬件的開發(fā)成本上比較大,不適用已有車輛的改造方案。

      在國內(nèi), 無論新設計的車輛還是正在使用的車輛都沒有應用先例, 本設計方案的提出是一種是經(jīng)過研究的大膽設想, 在與北京西瑪宏儀器儀表有限公司和上海展驥科技發(fā)展有限公司的共同研討下, 并且經(jīng)過試驗證明了它的可行性, 所開發(fā)車輛運營記錄儀具有實用性和經(jīng)濟性。

2 車輛運營記錄儀的設計

      一般通用記錄儀所采集的參數(shù)為: 電壓、電流、壓力、溫度等等, 其中需采集的電壓、電流比較多, 它們采用互感器單元測量法( 只能測量 50 H z的正弦交流電) 和分流器單元測量法( 被測量信號無法隔離) 。利用這些傳感器無論在測量精度, 中、高頻率和響應時間等性能方面已不能滿足當今更高的電子測量技術要求, 比如: 測量 0￣100 H z的交 /直流電壓、電流信號和開關信號以及任何波形。如果我們要在現(xiàn)有的設備( 如地鐵車輛、工業(yè)逆變器等) 上更新或改造, 采用傳統(tǒng)的測量方法是絕對不可能的( 每個被測信號需要裝、拆, 改動被測信號的導線) , 這樣的項目改造風險性非常大。所以我們必須應用先進的測量方法, 在滿足設計和需要的測量要求外, 還必須具備無風險性, 并達到技術可靠性要求。我們利用數(shù)字化 ID編碼技術、先進的功率半導體電子器件和計算機硬、軟件相結合, 來開發(fā)本系統(tǒng)。

2.1 設計原理

      根據(jù)電磁場學原理, 當導線中通過交、直流的電流時, 其周圍產(chǎn)生交變、永恒的電磁場, 電磁場的大小與流過的電流成正比。利用電磁場的變化, 我們可以檢測到電流和電壓的變化量。

2.1.1 霍爾傳感器的選用

      GUN3033 霍爾傳感器芯片, 具有優(yōu)越的電性能, 是能與被測主電路回路隔離的新一代電子控制電路檢測元件, 綜合了傳統(tǒng)傳感器的所有優(yōu)點。它不但可以測量交、直流的信號, 而且可以測量瞬間的峰值信號, 過載能力強, 測量范圍大, 特別是對大電流的監(jiān)控和檢測具有安全可靠性。其廣泛應用在工業(yè)中的逆變器、醫(yī)用交流變頻器和車輛檢測、接近檢測等領域。

2.1.2 編譯碼器的選用

      UM 3758108 編譯一體化的收發(fā)芯片, 作為數(shù)字通信接口, 具有遠距離( 可達數(shù)千米) 的通信特性, 可以進行點對多點的信息傳輸, 可靠性高, 抗干擾性強, 廣泛應用在國防通信和工業(yè)自動化控制領域。其最大的特點是: 收發(fā)模塊之間的通信可以不采用軟件協(xié)議來完成傳輸信息,最大尋址能力為 1 024, 從而實現(xiàn) 1 024 個監(jiān)控點, 節(jié)約了上下機之間的軟件、硬件開發(fā)成本。

2.

2 數(shù)字采集器設計

      H W -1 型數(shù)字采集器采用相同的 UM 3758108 編譯一體化的收發(fā)芯片, 利用 CD4520 二進制計數(shù)器產(chǎn)生 BCD編碼對 UM 3758108 進行周期性變化其地址, 尋址 1 024個不同的 ID 傳感器, 同時對計算機進行時鐘控制, 達到地址和時鐘的同步。

2.3 ID 傳感器的設計

      我們將 GUN3033 霍爾傳感器芯片、UM 3758108 編譯收發(fā)芯片和 IC 進行模塊化設計, 開發(fā)了模擬 ID 傳感器和數(shù)字 ID 傳感器, 模擬 ID 傳感器采用 A/D 轉換器, 數(shù)字ID 傳感器采用編譯器。如圖 1 所示, 分別對模擬信號和開關信號進行自動檢測, 使它們的輸出量控制在: 電壓5 V, 電流 20 m A。對于被檢測的信號源要求是: ±6 Gs的電場強度和 5 m A 以上的電流。

2.4 系統(tǒng)設計方案

      利用 ID 傳感器、H W -1 型數(shù)字采集器和手提 PC 組成的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖 2 所示。這是主要應用在現(xiàn)有地鐵列車的改造方案, 與網(wǎng)絡式設計有比較大的區(qū)別,網(wǎng)絡式設計成本高。而本設計成本相對比較低, 安全性、可靠性比較高, 經(jīng)過調(diào)試, 基本滿足設計要求, 同時可以應用到其它領域。

      通過各類傳感器( 電壓、電流、壓力、溫度等) 輸出的模擬信號或數(shù)字信號 , 進入 H W -1 型數(shù)字采集器。 ID傳感器與 H W -1 型數(shù)字采集器中間通過三芯屏蔽線 ( 正極、負極、D 數(shù)字線) , 其傳輸距離達到 1 km 以上, 傳輸著每個 ID 傳感器的地址碼和數(shù)據(jù)。其中 ACSII碼中的“A”到“Z”字符用于開關信號的傳輸,“0”到“9”字符用于模擬信號的傳輸。然后由串行接口 RS232 傳輸?shù)绞痔嵊嬎銠C( 用戶可以自備) 中。用戶使用本系統(tǒng)可以完成檢測100 個設備運行工作點的情況, 例如:地鐵車輛運營記錄檢測各種設備 I/O 運行工作點, 可記錄長達一周的數(shù)據(jù),系統(tǒng)操作非常方便。本項目特為上海地鐵車輛設計, 同時又能滿足其他用戶需求。

2.5 軟件設計

      軟件的開發(fā)平臺為 W in98 系統(tǒng), 采用 VB6 編程中的通信控件, 專門開發(fā)了 ActiveX 控件。它能完成 ASCII碼變成二進制碼的顯示, 并保存為動態(tài)數(shù)據(jù)庫文件庫( M etro.db) , 可用于分析每個信號的特性, 如: 某一個IC-01 編碼器的 7 個開關信號( ID01 到 ID07) 在某一時刻輸入值為“1000001”,(“1”表示高電平, “0”表示低電平) ,結果在應用軟件的窗口中顯示出“A”的字符。假如我們要分析 ID01 傳感器在 5 s內(nèi)顯示的情況, 如圖 3 所示 , 應用軟件數(shù)據(jù)接收窗口顯示“ADFF3”5 個字符, 我們分析 ID01傳感器的前 4 個開關信號和后 1 個模擬信號的各個電平高或低, 通過圖形軟件顯示出它們的曲線圖。

3 項目應用簡介

  如圖 4 所示, 地鐵車輛運營記錄儀可以檢測各個信號, 如位置、按鈕、指示燈、開關和設備的 I/O 等。首先確定不同地址的 ID 傳感器的檢測性質( 數(shù)字 /模擬) , 便于H W -1 型數(shù)字采集器的尋址和數(shù)據(jù)的傳輸, 然后開始工作, 將信息發(fā)送到 PC 機內(nèi), 由 PC 機的應用軟件完成數(shù)據(jù)的存儲, 并建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫。

4 結束語

      地鐵車輛運營記錄儀的系統(tǒng)設計方案具有獨特性和創(chuàng)造性。目前國內(nèi)對于運營記錄儀的開發(fā)還處于初級階段, 對于設計要求各有自己的特色和方法, 沒有標準可參照。對于地鐵車輛運營記錄儀, 其設計必須滿足車輛運營的要求和工作的可靠性以及性價比, 逐步完善運營記錄儀的各個參數(shù), 最終使用戶得到滿意。所以地鐵車輛運營記錄儀的市場前景無限。
 
參考文獻：
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科學普及出版社, 1996.