地鐵車輛運(yùn)營記錄儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

1 概述
       由于各地鐵車輛的設(shè)計(jì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和制造工藝的不同, 加上生產(chǎn)年代的差異, 對(duì)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(yán)重時(shí)將會(huì)引起地鐵車輛故障和事故, 造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)對(duì)地鐵車輛本身的機(jī)電、信號(hào)設(shè)備來講, 由于受自然環(huán)境變化的影響, 設(shè)備中元器件的質(zhì)量和老化現(xiàn)象, 同樣會(huì)引起地鐵車輛的故障。此外還有人為的操作不當(dāng)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(gè)完整的、實(shí)時(shí)的地鐵車輛運(yùn)營記錄儀, 對(duì)地鐵車輛運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的分析和取證, 從而得出合理的、正確的結(jié)論。特別是重大事故發(fā)生后, 地鐵車輛運(yùn)營記錄儀具有一定的法律上的參考價(jià)值 ( 需經(jīng)過有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)定) , 它能比較全面地記錄車輛運(yùn)營的有關(guān)信息, 比如在20 h 內(nèi), 對(duì)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(jì)·電源·示波器·示波表·場(chǎng)強(qiáng)儀·信號(hào)發(fā)生器。

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

緊急蘑菇按鈕) 。這時(shí)有關(guān)主要信息便“永久”記錄在地鐵車輛的計(jì)算機(jī)控制單元的內(nèi)存中。其存儲(chǔ)的信息是簡(jiǎn)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(guān)列車的數(shù)據(jù), 如司機(jī)當(dāng)時(shí)的工作情況: 手動(dòng)操作位置、各類按鈕、指示燈、斷路器、開關(guān)和設(shè)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(yùn)營商對(duì)此非常重視, 認(rèn)為在地鐵車輛上安裝地鐵車輛運(yùn)營記錄儀有助于提高科學(xué)化管理水平, 正確評(píng)估地鐵車輛設(shè)備的性能和事故發(fā)生的真實(shí)原因。

      在國外, 地鐵車輛上安裝運(yùn)營記錄儀是 20 世紀(jì) 90 年代才提出的新概念。據(jù)報(bào)道 1999 年國際電氣電子工程師協(xié)會(huì)在有關(guān)技術(shù)文件中專門對(duì)地鐵車輛運(yùn)營記錄儀進(jìn)行描述, 如德國專家 W .Jochim 建議運(yùn)營記錄儀應(yīng)記錄以下4 類數(shù)據(jù):

      ( 1) 相應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)的車載設(shè)備的現(xiàn)狀, 如: 設(shè)備是否接通、故障情況等。

      ( 2) 相應(yīng)列車的現(xiàn)狀, 如: 使用哪個(gè)司機(jī)操縱臺(tái)、換班時(shí)間等。

      ( 3) 列車運(yùn)營的實(shí)時(shí)信息, 如: 時(shí)間、行駛路程、速度等。

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

      針對(duì)這些建議, 有關(guān)國家的工程技術(shù)人員開始對(duì)這方面進(jìn)行研究。例如德國 DEVAT 公司設(shè)計(jì)的 KW R6 運(yùn)營記錄儀, 是基于新車輛的開發(fā), 采用網(wǎng)絡(luò)原理對(duì)車輛的各個(gè)信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)的車輛還是正在使用的車輛都沒有應(yīng)用先例, 本設(shè)計(jì)方案的提出是一種是經(jīng)過研究的大膽設(shè)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(yàn)證明了它的可行性, 所開發(fā)車輛運(yùn)營記錄儀具有實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

2 車輛運(yùn)營記錄儀的設(shè)計(jì)

      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(cè)量法( 只能測(cè)量 50 H z的正弦交流電) 和分流器單元測(cè)量法( 被測(cè)量信號(hào)無法隔離) 。利用這些傳感器無論在測(cè)量精度, 中、高頻率和響應(yīng)時(shí)間等性能方面已不能滿足當(dāng)今更高的電子測(cè)量技術(shù)要求, 比如: 測(cè)量 0￣100 H z的交 /直流電壓、電流信號(hào)和開關(guān)信號(hào)以及任何波形。如果我們要在現(xiàn)有的設(shè)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(cè)量方法是絕對(duì)不可能的( 每個(gè)被測(cè)信號(hào)需要裝、拆, 改動(dòng)被測(cè)信號(hào)的導(dǎo)線) , 這樣的項(xiàng)目改造風(fēng)險(xiǎn)性非常大。所以我們必須應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)量方法, 在滿足設(shè)計(jì)和需要的測(cè)量要求外, 還必須具備無風(fēng)險(xiǎn)性, 并達(dá)到技術(shù)可靠性要求。我們利用數(shù)字化 ID編碼技術(shù)、先進(jìn)的功率半導(dǎo)體電子器件和計(jì)算機(jī)硬、軟件相結(jié)合, 來開發(fā)本系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計(jì)原理

      根據(jù)電磁場(chǎng)學(xué)原理, 當(dāng)導(dǎo)線中通過交、直流的電流時(shí), 其周圍產(chǎn)生交變、永恒的電磁場(chǎng), 電磁場(chǎng)的大小與流過的電流成正比。利用電磁場(chǎng)的變化, 我們可以檢測(cè)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(cè)主電路回路隔離的新一代電子控制電路檢測(cè)元件, 綜合了傳統(tǒng)傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)。它不但可以測(cè)量交、直流的信號(hào), 而且可以測(cè)量瞬間的峰值信號(hào), 過載能力強(qiáng), 測(cè)量范圍大, 特別是對(duì)大電流的監(jiān)控和檢測(cè)具有安全可靠性。其廣泛應(yīng)用在工業(yè)中的逆變器、醫(yī)用交流變頻器和車輛檢測(cè)、接近檢測(cè)等領(lǐng)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(yuǎn)距離( 可達(dá)數(shù)千米) 的通信特性, 可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息傳輸, 可靠性高, 抗干擾性強(qiáng), 廣泛應(yīng)用在國防通信和工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。其最大的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn) 1 024 個(gè)監(jiān)控點(diǎn), 節(jié)約了上下機(jī)之間的軟件、硬件開發(fā)成本。

2.

2 數(shù)字采集器設(shè)計(jì)

      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(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生 BCD編碼對(duì) UM 3758108 進(jìn)行周期性變化其地址, 尋址 1 024個(gè)不同的 ID 傳感器, 同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)鐘控制, 達(dá)到地址和時(shí)鐘的同步。

2.3 ID 傳感器的設(shè)計(jì)

      我們將 GUN3033 霍爾傳感器芯片、UM 3758108 編譯收發(fā)芯片和 IC 進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì), 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(zhuǎn)換器, 數(shù)字ID 傳感器采用編譯器。如圖 1 所示, 分別對(duì)模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè), 使它們的輸出量控制在: 電壓5 V, 電流 20 m A。對(duì)于被檢測(cè)的信號(hào)源要求是: ±6 Gs的電場(chǎng)強(qiáng)度和 5 m A 以上的電流。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖 2 所示。這是主要應(yīng)用在現(xiàn)有地鐵列車的改造方案, 與網(wǎng)絡(luò)式設(shè)計(jì)有比較大的區(qū)別,網(wǎng)絡(luò)式設(shè)計(jì)成本高。而本設(shè)計(jì)成本相對(duì)比較低, 安全性、可靠性比較高, 經(jīng)過調(diào)試, 基本滿足設(shè)計(jì)要求, 同時(shí)可以應(yīng)用到其它領(lǐng)域。

      通過各類傳感器( 電壓、電流、壓力、溫度等) 輸出的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào) , 進(jìn)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(fù)極、D 數(shù)字線) , 其傳輸距離達(dá)到 1 km 以上, 傳輸著每個(gè) 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(guān)信號(hào)的傳輸,“0”到“9”字符用于模擬信號(hào)的傳輸。然后由串行接口 RS232 傳輸?shù)绞痔嵊?jì)算機(jī)( 用戶可以自備) 中。用戶使用本系統(tǒng)可以完成檢測(cè)100 個(gè)設(shè)備運(yùn)行工作點(diǎn)的情況, 例如:地鐵車輛運(yùn)營記錄檢測(cè)各種設(shè)備 I/O 運(yùn)行工作點(diǎn), 可記錄長(zhǎng)達(dá)一周的數(shù)據(jù),系統(tǒng)操作非常方便。本項(xiàng)目特為上海地鐵車輛設(shè)計(jì), 同時(shí)又能滿足其他用戶需求。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

      軟件的開發(fā)平臺(tái)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(jìn)制碼的顯示, 并保存為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫文件庫( M etro.db) , 可用于分析每個(gè)信號(hào)的特性, 如: 某一個(gè)IC-01 編碼器的 7 個(gè)開關(guān)信號(hào)( ID01 到 ID07) 在某一時(shí)刻輸入值為“1000001”,(“1”表示高電平, “0”表示低電平) ,結(jié)果在應(yīng)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(yīng)用軟件數(shù)據(jù)接收窗口顯示“ADFF3”5 個(gè)字符, 我們分析 ID01傳感器的前 4 個(gè)開關(guān)信號(hào)和后 1 個(gè)模擬信號(hào)的各個(gè)電平高或低, 通過圖形軟件顯示出它們的曲線圖。

3 項(xiàng)目應(yīng)用簡(jiǎn)介

  如圖 4 所示, 地鐵車輛運(yùn)營記錄儀可以檢測(cè)各個(gè)信號(hào), 如位置、按鈕、指示燈、開關(guān)和設(shè)備的 I/O 等。首先確定不同地址的 ID 傳感器的檢測(cè)性質(zhì)( 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(jī)內(nèi), 由 PC 機(jī)的應(yīng)用軟件完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ), 并建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)束語

      地鐵車輛運(yùn)營記錄儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有獨(dú)特性和創(chuàng)造性。目前國內(nèi)對(duì)于運(yùn)營記錄儀的開發(fā)還處于初級(jí)階段, 對(duì)于設(shè)計(jì)要求各有自己的特色和方法, 沒有標(biāo)準(zhǔn)可參照。對(duì)于地鐵車輛運(yùn)營記錄儀, 其設(shè)計(jì)必須滿足車輛運(yùn)營的要求和工作的可靠性以及性價(jià)比, 逐步完善運(yùn)營記錄儀的各個(gè)參數(shù), 最終使用戶得到滿意。所以地鐵車輛運(yùn)營記錄儀的市場(chǎng)前景無限。
 
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科學(xué)普及出版社, 1996.