自轮运转特种设备监测系统设计

2012-11-22瓮嘉民周成虎

河南工程学院学报(自然科学版) 2012年3期

瓮嘉民，周成虎

(河南工程学院电气信息工程系，河南郑州 451191)

自轮运转特种设备主要包括轨道车、接触网作业车及大型养路机械，是用于铁路建设、设备修理、抢险和检查等工作的主要运输设备[1].铁道部《轨道车管理规则》铁运[2007]22号文中明确提出，“轨道车管理工作应贯彻‘安全第一、预防为主、养修并重、服务生产’的方针；实施逐级负责，坚持保养与检修相结合，修理、改造与更新相结合；倡导集中管理，积极推行轨道车计算机信息网络管理”.但从目前自轮运转特种设备的日常运用和管理来看，尚存在一些问题： ①司机较少，业务素质不高，单独在外作业，无法监控其出乘前是否按规定检修，或者由于管理人员少造成安全检查不足；②检修质量不高，大部分单位没有专门的维修人员，检修作业依靠维修厂家进行，造成维修不及时、不规范；③运记转储分析和发码检查周期较长，不能满足当前安全管理的需要；④自轮运转特种设备的作业分散，车辆防溜防护等安全关键环节不易控制；⑤分散配置造成运行揭示调度命令无法及时传送到轨道车.总体来说，目前轨道车的安全管理缺陷较多，不能满足当前需要.

自轮运转特种设备监测系统能够实现自轮运转特种设备运行状态监督控制的系统，可以作为目前自轮运转特种设备安全管理的补充手段，保证自轮运转特种设备的行车安全.

1 系统的结构

整个系统由车载采集/显示装置(简称GJX)、铁路局数据中心和各站段指挥终端3个部分组成，如图1所示.GJX安装在轨道车司机室内，并配备便携式巡检器，司机可利用巡检器对轨道车各重点巡检部位进行电子记录，并将巡检信息下载至GJX进行保存，通过GPRS无线网络传输至铁路局地面数据中心服务器.GJX同时可以作为站段轨道车管理人员与轨道车司机的交互设备，在运行过程中实时地向站段发送轨道车的运行状态和运行轨迹信息，同时实时地接收来自站段的运行显示命令信息、相关政策和管理办法等信息.铁路局数据中心由数据接收服务器、数据库服务器和维护终端等设备组成,它负责接收GJX通过GPRS无线网络传输的各类信息，结合基础数据分析后通过互联网或铁路办公网传输给各站段指挥终端，同时记录GJX和地面指挥终端之间所有的交互信息，并负责各站段指挥终端的数据权限管理工作.各站段设置指挥终端，通过互联网或铁路办公网实时监督管内轨道车的运行状况和轨迹，并对轨道车的日常检修工作进行远程监督管理，如向轨道车发送调度命令、限速的运行揭示调度命令和各种规章制度等.

图1 系统组成框图

2 车载装置

2.1 设备构成

车载装置的组成结构如图2所示.

车载装置主要由车载主机和巡检系统组成.车载主机主要是由GPS天线、GPRS天线、显示、输入/输出和电源管理等部分组成；巡检系统主要由巡检监测点的电子标签、巡检记录器和巡检记录读取装置等组成.

2.2 工作原理

2.2.1 车载主机

车载主机主要是由GPS天线、GPRS天线、显示、输入/输出、巡检数据接口和电源管理等部分组成，如图3所示.

图2 车载装置组成框图

图3 车载主机框图

车载主机主要利用GPS信号采集自轮运转特种设备的速度、位置等信息，利用巡检系统采集自轮运转特种设备的重要机械部位信息，把这些信息通过GPRS无线网络实时发送到铁路局地面数据中心，以便站段的指挥终端实时调用查看.车载装置的输入/输出接口主要接收站段指挥终端的揭示调度命令、规章制度等信息，通过触摸屏输入行车日志和工作日志.同时，车载主机具有USB接口，可以通过U盘进行数据交换，打印机接口可以把接收的数据进行打印.车载主机显示界面通过良好的人机界面车载和地面进行数据交换.车载通过显示界面可以阅读留言显示调度命令和规章制度，同时可以输入和修改工作和行车日志、调阅车载信息的历史记录等.GPS天线安装在自轮运转特种设备的车体外，主要用来接收GPS卫星信号，同时通过电缆把接收到的GPS信号送给车载主机内部的GPS接收模块进行解码和译码，转变成车载设备需要的速度和位置信息.

(1)GPS全球卫星定位

自轮运转特种设备监测系统具有全球GPS定位功能.GPS模块使用加拿大NovAtel公司的OEMV-1高速GPS模块，主处理器使用PHILIPS公司生产的单片32位ARM微控制器LPC2220.OEMV-1 GPS模块通过GPS天线接收卫星信号，对信号进行差分译码，把解析的数据发送给主处理器，主处理器通过通讯把数据传给自轮运转特种设备主机的主处理器.

(2)GPRS/GMS_R无线传输

自轮运转特种设备监督系统及信息平台车载装置与地面数据中心是通过GPRS无线网络进行数据通讯的.GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务[2].GPRS功能的工作原理是GPRS模块使用Motorola G24，主处理器使用PHILIPS公司生产的单片32位ARM微控制器LPC2124[3],主处理器通过AT指令控制GPRS模块拨号到地面数据中心的静态IP上，再通过精简的TCP/IP与地面数据中心进行数据交换并定时检测设备是否在线.同时,主处理器通过底板总线与装置的中央处理器进行数据交换，把接收到的地面数据中心的数据发给中央处理器，同时接收中央处理器的数据并把数据发送到地面数据中心的服务器.

图4 显示屏的主界面

(3)触摸屏显示

触摸屏显示是为车载人员提供良好的人机交互见面的平台，操作人员可以在显示界面上浏览调度命令和作业制度，同时可以通过该界面编写和修改行车与工作日志、回放分析车载的历史数据等，显示屏的主界面如图4所示.

(4)电源管理

电源使用轨道车的直流24 V电源，平常工作时电源电压稳定，但当轨道车启动瞬间，轨道车电源电压会降至很低，有时甚至低至7 V以下，在这种情况下系统会因电压不稳而重新启动或死机.为解决轨道车启动瞬间电源电压太低而导致的系统重启或死机问题，在主机内部增加了一个电池以管理电路.当轨道车正常工作时，轨道车电源为系统提供电源并给增加的电池充电，当电池充满时，电池管理电路保护电池的电量；当轨道车启动瞬间电源电压降至系统设置的保护点时，则由电池为系统供电，当电源电压恢复到正常时，继续由轨道车电源为系统提供电压.

2.2.2 巡检系统

巡检系统是利用先进的检波原理开发的管理系统，可有效管理工作人员的巡检活动，规范出乘前按规定检修，巡检系统由巡检电子标签、巡检器和巡检管理软件组成[4].

巡检系统工作原理是，巡检电子标签分别安装在轨道车需要日常巡检的位置，如发动机总成、水箱口、发动机机油检查孔车钩处等，操作人员手持巡检器到指定的巡检位置进行巡检，以巡检器读取的巡检电子标签作为该位置完成巡检的依据.巡检完后，把巡检器中的数据通过巡检管理软件读出，再通过车载主机的巡检数据接口传输给主机的主处理器，通过车载设备的GPRS无线网络传输到站段的指挥终端.

3 铁路局地面数据中心

铁路局数据中心通过静态IP与车载装置进行数据交换，把接收到的车载数据进行处理分析、存储并发送到每个站段指挥终端.同时，对接收的站段指挥终端的数据进行处理分析、存储并根据数据的目标地址发送到车载装置，铁路局数据中心实时检测车载装置的数据并及时对数据进行更新，其主要功能如下：①记录保存自特设备运行轨迹和巡检数据并形成数据库；②记录保存站段指挥终端的运行揭示调度命令；③向站段指挥终端提供特设备的运行轨迹和巡检数据；④向自特设备发送站段指挥终端的运行揭示调度命令并接收记录自特设备对运行揭示调度命令的操作情况，如是否接收或打印等.

4 站段指挥终端

站段指挥终端通过铁路局数据中心接收车载装置的数据并通过良好的人机界面实时分析自轮运转特种设备的各种信息，同时把要发送的揭示调度命令和作业指导制度等信息通过铁路局数据中心发送到车载装置，主要功能如下：①查询自特设备的运行轨迹，监督自特设备的巡检信息；②历史回放自特设备的运行轨迹；③录入运行揭示调度命令并发送到轨道车GJX车载设备；④录入规章及应急预案数据库，对自特设备远程更新.

站段指挥终端软件[5]主要有7个功能：电子地图、车辆登记记录、发送信息、工作日志、运行日志、巡检记录和资料学习记录.

4.1 电子地图

自轮运转特种设备监测系统采用电子地图与GPS定位技术相结合构成轨道车的电子导航系统，设计目的主要是为了实时、便利地查看轨道车行车过程及状况，以便于管理轨道车的行车过程.

4.2 车辆登记

自轮运转特种设备监测系统软件设计车辆登记窗口的目的如下：①查看本部门所有的轨道车；②进行新增车辆的登记；③管理本部门所有轨道车的车辆登记及更改任务；④可以选择任意车辆或者全部车辆的信息，导出Excel格式文档并支持打印输出.

4.3 信息发送

自轮运转特种设备监测系统软件设计发送信息窗口的目的如下：①可以对本部门下的所有轨道车下达限速命令或者发送文件，实时地对轨道车行车过程中进行管理调度；②可以查看已发送的各轨道车的命令及文件记录；③可以选择任意车辆或者全部车辆的信息所发出的命令及学习文件，导出word格式文档并支持打印输出.

4.4 工作日志

自轮运转特种设备监测系统软件设计工作日志窗口的目的如下：①可以查看到本部门所有轨道车上传的工作日志，通过这些信息及时了解到轨道车的行车状况以及工作人员的工作情况；②可以查看已上传的文件内容；③可以选择任意车辆或者全部车辆的上传信息所发送回来的工作日志并支持打印输出.

4.5 运行日志

自轮运转特种设备监测系统软件设计运行日志窗口的目的如下：①可以查看到本部门所有轨道车上传的运行日志，通过这些信息及时了解到轨道车的行车状况以及工作人员的工作情况；②可以查看已上传的文件内容；③可以选择任意车辆或者全部车辆的上传信息所发送回来的运行日志并支持打印输出.

4.6 巡检记录

自轮运转特种设备监测系统软件设计巡检记录窗口的目的如下：①可以查看到本部门所有轨道车上传的巡检信息日志，可以通过这些信息及时了解轨道车的修护及检修状况；②可以选择任意车辆或者全部车辆的上传信息所发送回来的巡检信息并支持打印输出.

4.7 资料学习窗口

自轮运转特种设备监测系统软件设计资料学习窗口的目的如下：①可以查看到本部门所有轨道车上传及下传的学习信息日志，通过这些信息可以及时了解轨道车工作人员对新章程及文件的学习状况；②可以选择任意车辆或者全部车辆的上传信息所发送回来的学习信息并支持打印输出.

5 跟车实验

2010年12月，郑州供电段车号为0521026轨道车有作业任务，借此机会对GJX车载主机进行了跟踪实验.刚上车时，司机反映启动机车时GJX车载主机会重新启动(当时机车已经在启动状态)，为了核实情况，重新启动了一次机车，车载主机运行正常，没有出现之前所说的重启现象，后因为等天窗点，司机将机车关闭，20 min后，启动机车时车载主机出现重启现象.因作业时间限制，一直无法对电源进行测试，但车载主机在其后的运行中没有出现任务异常现象.在整个运行期间，软件正常，GPRS和GPS工作正常.

轨道车作业完毕返回供电段后，对电源进行了测试，当轨道车发动机刚停止运行就重启后，电池电压为14 V，此时车载主机运行正常没有重启，但当轨道车发动机停止20 min以后再重新启动，此时的电池电压只有7 V，车载主机重新启动.

存在的主要问题和解决措施：①车载主机的电压在轨道车启动时会低至7 V，导致车载主机重新启动,需要增加一块UPS电源；②开机20 s主屏才显示，关机20 s后主屏才关闭；③没有安装打印机，如果安装一般的打印机，车上没有220 V电源;④车载主机功率有些大，可以换成ARM9处理器；⑤客户端地图太旧，标注时不太准确，需要更新地图.