地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀的設計和應用

1 概述
       由于各地鐵車(chē)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(chē)輛和地鐵系統來(lái)講,相互之間的電磁干擾是不可避免的。干擾嚴重時(shí)將會(huì )引起地鐵車(chē)輛故障和事故, 造成一定的經(jīng)濟損失。同時(shí)對地鐵車(chē)輛本身的機電、信號設備來(lái)講, 由于受自然環(huán)境變化的影響, 設備中元器件的質(zhì)量和老化現象, 同樣會(huì )引起地鐵車(chē)輛的故障。此外還有人為的操作不當所引起的地鐵車(chē)輛故障和事故。所有這些故障的發(fā)生, 我們都需要通過(guò)一個(gè)完整的、實(shí)時(shí)的地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀, 對地鐵車(chē)輛運營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的分析和取證, 從而得出合理的、正確的結論。特別是重大事故發(fā)生后, 地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀具有一定的法律上的參考價(jià)值 ( 需經(jīng)過(guò)有關(guān)權威機構認定) , 它能比較全面地記錄車(chē)輛運營(yíng)的有關(guān)信息, 比如在20 h 內, 對列車(chē)所有曾經(jīng)觸發(fā)過(guò)的狀態(tài)及連續變化過(guò)程中參數的記錄萬(wàn)用表·鉗形表·鉗形功率表·頻率計·電源·示波器·示波表·場(chǎng)強儀·信號發(fā)生器。

      現在國內正在運營(yíng)中的地鐵列車(chē), 基本上都沒(méi)有安裝地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀, 一旦地鐵車(chē)輛發(fā)生重要故障和事故, 司機可執行緊急事件按鈕(

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(chē)輛的計算機控制單元的內存中。其存儲的信息是簡(jiǎn)短的、部分的、前后幾分鐘內的記錄, 而無(wú)法記錄完整的有關(guān)列車(chē)的數據, 如司機當時(shí)的工作情況: 手動(dòng)操作位置、各類(lèi)按鈕、指示燈、斷路器、開(kāi)關(guān)和設備的 I/O 等, 這樣給故障和事故的分析帶來(lái)一定的困難。目前國內外的地鐵車(chē)輛運營(yíng)商對此非常重視, 認為在地鐵車(chē)輛上安裝地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀有助于提高科學(xué)化管理水平, 正確評估地鐵車(chē)輛設備的性能和事故發(fā)生的真實(shí)原因。

      在國外, 地鐵車(chē)輛上安裝運營(yíng)記錄儀是 20 世紀 90 年代才提出的新概念。據報道 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(zhuān)門(mén)對地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀進(jìn)行描述, 如德國專(zhuān)家 W .Jochim 建議運營(yíng)記錄儀應記錄以下4 類(lèi)數據:

      ( 1) 相應信號系統的車(chē)載設備的現狀, 如: 設備是否接通、故障情況等。

      ( 2) 相應列車(chē)的現狀, 如: 使用哪個(gè)司機操縱臺、換班時(shí)間等。

      ( 3) 列車(chē)運營(yíng)的實(shí)時(shí)信息, 如: 時(shí)間、行駛路程、速度等。

      ( 4) 操作和監控過(guò)程的有關(guān)信息, 如: 車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)、常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)等。

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

      在國內, 無(wú)論新設計的車(chē)輛還是正在使用的車(chē)輛都沒(méi)有應用先例, 本設計方案的提出是一種是經(jīng)過(guò)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(guò)試驗證明了它的可行性, 所開(kāi)發(fā)車(chē)輛運營(yíng)記錄儀具有實(shí)用性和經(jīng)濟性。

2 車(chē)輛運營(yíng)記錄儀的設計

      一般通用記錄儀所采集的參數為: 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(wú)法隔離) 。利用這些傳感器無(wú)論在測量精度, 中、高頻率和響應時(shí)間等性能方面已不能滿(mǎn)足當今更高的電子測量技術(shù)要求, 比如: 測量 0￣100 H z的交 /直流電壓、電流信號和開(kāi)關(guān)信號以及任何波形。如果我們要在現有的設備( 如地鐵車(chē)輛、工業(yè)逆變器等) 上更新或改造, 采用傳統的測量方法是絕對不可能的( 每個(gè)被測信號需要裝、拆, 改動(dòng)被測信號的導線(xiàn)) , 這樣的項目改造風(fēng)險性非常大。所以我們必須應用先進(jìn)的測量方法, 在滿(mǎn)足設計和需要的測量要求外, 還必須具備無(wú)風(fēng)險性, 并達到技術(shù)可靠性要求。我們利用數字化 ID編碼技術(shù)、先進(jìn)的功率半導體電子器件和計算機硬、軟件相結合, 來(lái)開(kāi)發(fā)本系統。

2.1 設計原理

      根據電磁場(chǎng)學(xué)原理, 當導線(xiàn)中通過(guò)交、直流的電流時(shí), 其周?chē)�產(chǎn)生交變、永恒的電磁場(chǎng), 電磁場(chǎng)的大小與流過(guò)的電流成正比。利用電磁場(chǎng)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, 綜合了傳統傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)。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(guò)載能力強, 測量范圍大, 特別是對大電流的監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、醫用交流變頻器和車(chē)輛檢測、接近檢測等領(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, 作為數字通信接口, 具有遠距離( 可達數千米) 的通信特性, 可以進(jìn)行點(diǎn)對多點(diǎn)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(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(lái)完成傳輸信息,最大尋址能力為 1 024, 從而實(shí)現 1 024 個(gè)監控點(diǎn), 節約了上下機之間的軟件、硬件開(kāi)發(fā)成本。

2.

2 數字采集器設計

      H W -1 型數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)制計數器產(chǎn)生 BCD編碼對 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)對計算機進(jìn)行時(shí)鐘控制, 達到地址和時(shí)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(jìn)行模塊化設計, 開(kāi)發(fā)了模擬 ID 傳感器和數字 ID 傳感器, 模擬 ID 傳感器采用 A/D 轉換器, 數字ID 傳感器采用編譯器。如圖 1 所示, 分別對模擬信號和開(kāi)關(guān)信號進(jìn)行自動(dòng)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(chǎng)強度和 5 m A 以上的電流。

2.4 系統設計方案

      利用 ID 傳感器、H W -1 型數字采集器和手提 PC 組成的遠程數據采集系統如圖 2 所示。這是主要應用在現有地鐵列車(chē)的改造方案, 與網(wǎng)絡(luò )式設計有比較大的區別,網(wǎng)絡(luò )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(guò)調試, 基本滿(mǎn)足設計要求, 同時(shí)可以應用到其它領(lǐng)域。

      通過(guò)各類(lèi)傳感器( 電壓、電流、壓力、溫度等) 輸出的模擬信號或數字信號 , 進(jìn)入 H W -1 型數字采集器。 ID傳感器與 H W -1 型數字采集器中間通過(guò)三芯屏蔽線(xiàn) ( 正極、負極、D 數字線(xiàn)) , 其傳輸距離達到 1 km 以上, 傳輸著(zhù)每個(gè) ID 傳感器的地址碼和數據。其中 ACSII碼中的“A”到“Z”字符用于開(kāi)關(guān)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 傳輸到手提計算機( 用戶(hù)可以自備) 中。用戶(hù)使用本系統可以完成檢測100 個(gè)設備運行工作點(diǎn)的情況, 例如:地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄檢測各種設備 I/O 運行工作點(diǎn), 可記錄長(cháng)達一周的數據,系統操作非常方便。本項目特為上海地鐵車(chē)輛設計, 同時(shí)又能滿(mǎn)足其他用戶(hù)需求。

2.5 軟件設計

      軟件的開(kāi)發(fā)平臺為 W in98 系統, 采用 VB6 編程中的通信控件, 專(zhuān)門(mén)開(kāi)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)數據庫文件庫( M etro.db) , 可用于分析每個(gè)信號的特性, 如: 某一個(gè)IC-01 編碼器的 7 個(gè)開(kāi)關(guān)信號( 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內顯示的情況, 如圖 3 所示 , 應用軟件數據接收窗口顯示“ADFF3”5 個(gè)字符, 我們分析 ID01傳感器的前 4 個(gè)開(kāi)關(guān)信號和后 1 個(gè)模擬信號的各個(gè)電平高或低, 通過(guò)圖形軟件顯示出它們的曲線(xiàn)圖。

3 項目應用簡(jiǎn)介

  如圖 4 所示, 地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀可以檢測各個(gè)信號, 如位置、按鈕、指示燈、開(kāi)關(guān)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(zhì)( 數字 /模擬) , 便于H W -1 型數字采集器的尋址和數據的傳輸, 然后開(kāi)始工作, 將信息發(fā)送到 PC 機內, 由 PC 機的應用軟件完成數據的存儲, 并建立動(dòng)態(tài)數據庫。

4 結束語(yǔ)

      地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀的系統設計方案具有獨特性和創(chuàng )造性。目前國內對于運營(yíng)記錄儀的開(kāi)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(méi)有標準可參照。對于地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀, 其設計必須滿(mǎn)足車(chē)輛運營(yíng)的要求和工作的可靠性以及性?xún)r(jià)比, 逐步完善運營(yíng)記錄儀的各個(gè)參數, 最終使用戶(hù)得到滿(mǎn)意。所以地鐵車(chē)輛運營(yíng)記錄儀的市場(chǎng)前景無(wú)限。
 
參考文獻：
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科學(xué)普及出版社, 1996.