客貨共用車輛運行品質軌邊動態監測系統(TPDS)中檢測控制系統的設計

陳天柱，秦菊，李甫永，李旭偉

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

客貨共用車輛運行品質軌邊動態監測系統(TPDS)中檢測控制系統的設計

陳天柱，秦菊，李甫永，李旭偉

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路客車配備電子標簽，實現了客車車輛自動追蹤識別的信息化，使跟蹤監測客車車輛運行品質成為可能。在既有貨車車輛運行品質軌邊動態監測系統基礎上，設計出客貨共用TPDS即可實現對客車車輛運行品質的監測，其關鍵在于對既有TPDS的檢測控制系統的優化設計。新的檢測控制系統很好地解決了客車對TPDS的電磁干擾問題，使不同車型丟列比均出現大幅下降，達到了TPDS的優化升級目的，為客貨車行車安全提供了技術保障。

客車車輛 運行品質 檢測控制

車輛運行品質軌邊動態監測系統(TPDS)是車輛運行安全監控“5T”系統之一。主要是為監測貨車而研發的安全監測系統，在抗電磁干擾和數據采集處理能力等方面無法滿足監測客車的要求，故在既有TPDS基礎上，設計出同時滿足客貨車的監測控制系統，以實現TPDS對客車的有效監測。

1 TPDS檢測控制系統結構

TPDS主要由二維板式壓力傳感器、剪力傳感器、多路高速數據采集儀、工業控制計算機和測試軟件組成。將傳感器檢測到的軌道力學信號按比例轉換成電壓信號傳送至數據采集儀，數據采集儀對信號進行放大、濾波以及模數轉換，并輸出數字信號到計算機，通過測試軟件完成對監測車輛運行品質的判別和數據處理［1-2］。TPDS檢測控制系統結構如圖1所示。

1.1 傳感器

TPDS采用二維板式壓力傳感器和剪力傳感器，兩種傳感器均為應變式惠斯登全橋自補償測試電路，壓力、剪力傳感器的輸入輸出阻抗因不同廠家略有不同，均為數百歐姆，原理如圖2所示。

圖1 TPDS檢測控制系統結構

1.2 數據采集儀

數據采集儀主要功能是對傳感器信號進行調理放大、濾波、偏移糾正和模數轉換，并將轉換后的信號傳輸到計算機。其中信號調理放大、濾波和偏移糾正由采集儀上電位器和集成電路芯片實現，模數轉換由采集儀上板載數字信號處理器件完成，并按EPP并口通訊協議與計算機進行數據傳輸［3］。數據采集儀原理如圖3所示。

圖2 傳感器的原理圖

圖3 數據采集儀原理框圖

在鐵路線上，電磁干擾主要來自電氣化鐵路的接觸網以及機車。既有TPDS對貨車監測時來自接觸網和機車的電磁干擾源比較確定，容易規避;當對客車進行監測時，尤其是動車組每節車輛都有動力，電磁干擾源比較復雜，為此要設計出電磁兼容能力更強的數據采集儀。

有無電磁干擾下，TPDS對客車監測波形對比如圖4所示?？梢?，電磁干擾對客車監測結果的影響非常顯著，必須予以解決。

基于以上對客車電磁兼容問題的分析，需要對數據采集儀的信號調理模塊、模擬信號轉換數字信號模塊進行優化設計。從隔離干擾源、阻斷傳播路徑和保護接受載體三個角度，分別采用了隔離技術、濾波技術、接地技術。

圖4 有無電磁干擾下TPDS對客車監測的波形對比

1)信號調理模塊

信號調理模塊主要工作是對來自傳感器的電壓信號進行放大、濾波和零點糾偏。由于傳感器采用的是直流電壓輸出方式，信號調理模塊必須采用直流電源供電。器件選擇的關鍵在于選擇合適的運算放大器。綜合考慮使用條件和維修便利，運算放大器要選擇非貼片式、增益高、信噪比大、工作電壓匹配的型號，確定采用高精度運算放大器AD620和AD712，由它們組成兩級運放單端輸出的結構，并采用有源濾波方式，原理如圖5所示。

圖5 兩級運放單端輸出原理

2)模擬信號轉換數字信號模塊

本模塊對調理后的信號進行模數轉換，并將轉換后的信號傳輸給工業控制計算機。在充分考慮測量精度、抗電磁干擾性能、調試便捷性和接口通用性的前提下，采用了64通道16位多功能數據采集模塊，如圖6所示。該模塊支持32位PCI總線，即插即用，分辨率高達16 bit，精度優于0.02%(滿量程)，64路模擬通道輸入，采樣頻率為500 kHz，帶DC/DC隔離電源，抗干擾能力強［4-6］。

由以上模塊組成的客貨共用TPDS數據采集儀經過實驗室疲勞試驗和現場試用，完全滿足對客貨車的監測要求，克服電磁干擾的影響，保證了監測數據的有效性［7］。

為方便維修和提高使用率，該數據采集儀采用了模塊化設計和插卡式，如圖7所示。依據國家軌道衡器形式評價大綱以及電磁兼容國標對數據采集儀進行電磁兼容測試，取得了河北省計量監督檢驗院的合格證書［8］。

圖6 多功能數據采集模塊

圖7 數據采集儀及插槽卡

1.3 隔離電源

為了提高整個系統的抗電磁干擾能力，防止供電電源對客貨共用TPDS檢測控制系統產生高壓放電或其他原因破壞殃及整個系統，設計了隔離電源裝置。隔離電源采用1∶1的工頻變壓器與供電電源進行隔離，由于隔離電源沒有地線，即使外部傳感器輸入高壓信號，也會降低整個設備被燒毀的可能性并提高系統的電磁兼容能力。隔離電源原理及裝置如圖8所示。

圖8 隔離電源原理及裝置

1.4 遠控電源

由于TPDS現場處于無人值守狀態，當需要系統復位或系統死機時，需要人工去現場啟動電源。為了解決這個問題，在客貨共用TPDS中設計了基于GSM網絡的遠程控制電源。遠程控制電源主要由Silicon Labs公司的高度集成混合信號單片機CF8051F236、西門子公司的通信芯片MC37I以及6組繼電器組成，使用匯編語言對CF8051F236進行軟件開發，最終實現MC37I依據接收短信內容控制CF8051F236對繼電器操作。遠程控制電源裝置如圖9所示［9-10］。

圖9 遠程控制電源裝置

遠程控制電源可以通過MC37I中的SIM卡接收手機短信，依據短信內容來分別控制四路直流和兩路交流電源的關閉和啟動，并回復操作結果短信給手機。

1.5 數據采集檢測軟件

數據采集檢測軟件由動態測量、數據回放、設備測試3個功能模塊組成，基于Microsoft Visual C++6.0集成開發環境進行設計。其軟件體系結構如圖10所示。

圖10 TPDS數據采集檢測軟件體系結構

該數據采集檢測軟件可實現數據動態采集、數據平滑濾波、實時統計分析、信號波形回放、設備狀態自檢等諸多功能。該軟件充分發揮了windows視窗所提供的可交互式操作環境，集繪圖、按鈕操控、數據顯示于一體。數據采集檢測軟件中數據采集界面如圖11所示。

圖11 數據采集界面

2 客貨共用TPDS監測效果

客貨共用TPDS檢測控制系統研發成功后，在北京鐵路局廊坊探測點進行了試用。檢測控制系統升級前(2013年7月)和升級后(2014年7月)對不同車型的監測情況對比如表1。

表1 檢測控制系統升級前后對不同車型的監測情況

將車號系統監測列數與TPDS監測列數的差值與車號系統監測列數的比值定義為丟列比，丟列比越大表明TPDS未監測到的列車越多，系統穩定性越差。通過對以上數據的統計分析，可以得出TPDS檢測控制系統升級前后丟列比情況，如圖12所示。

由圖可見，在TPDS檢測控制系統升級后不同車型的丟列比均出現大幅下降，尤其是動車的丟列比由63.27%下降到1.96%，對動車監測效果大大提高，貨運列車的丟列比接近于0，實現了對貨運列車的全部監測，表明客貨共用TPDS很好地實現了電磁兼容。

圖12 TPDS檢測控制系統升級前后丟列情況對比

由于統計列車數與實際列車數存在著因客觀條件和樣本數量等造成的系統性誤差，因此TPDS檢測控制系統升級后，實際的丟列比應略小于統計值。

3 結論

在既有的TPDS基礎上，成功地設計出同時滿足客貨車監測需要的新系統。該系統采用了高性能多通道數據采集和最新電磁兼容技術，解決了客車電磁干擾源對系統的擾動問題;同時針對無人值守狀態下的系統復位問題，設計了遠程控制電源。

［1］柴雪松，朱興紅．車輛運行狀態監測系統(TPDS)在軌道負荷監測中的應用［J］．鐵道建筑，2008(11):93-95．

［2］李家林，羅林．軌道負荷、車輛狀態安全監測新系統［R］．北京:鐵道部科學研究院，1998．

［3］唐穎，阮文海．高速數據采集系統控制電路的設計［J］．現代電子技術，2004(19):21-23．

［4］王衛江，陶然．高速ADC的性能測試［J］．電子技術應用，2004(2):34-37．

［5］陳非凡．儀器設計技術基礎［M］．北京:清華大學出版社，2007．

［6］宗孔德，胡廣書．數字信號處理［M］．北京:北京航空航天大學出版社，1988．

［7］中華人民共和國鐵道部．鐵運函［2007］776號TPDS、TADS、TFDS設備檢修維護管理規程［S］．北京:中國鐵道出版社，2007．

［8］李旭偉，呂大壯，暴學志．地面安全監測系統TPDS傳感器標定的虛擬儀器技術［J］．鐵道機車車輛，2009(2):19-22．

［9］戴梅萼，史嘉權．微型計算機技術及應用［M］．北京:清華大學出版社，1996．

［10］何立民．單片機應用系統設計［M］．北京:北京航空航天大學出版社，1990．

(責任審編葛全紅)

U216．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．32

1003-1995(2015)03-0115-04

2015-01-10;

2015-02-10

陳天柱(1981—)男，遼寧昌圖人，助理研究員，碩士。