基于TCDS的普速旅客列车安全监测系统研究与实现*

张瑞芳，申宇燕，关晓晔，延九磊

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

通过5T系统一期、一期扩展和二期的不断建设，TCDS系统已经成为基本覆盖全铁路的对客车运行安全监控的信息网络。根据5T系统的建设纲要，TCDS二期建设完成后，客车安全监测的信息通道已经建成就绪。为了充分利用此信息平台，下一阶段应着重在扩充监测项目上开展工作，丰富TCDS的监测内容。在满足铁路安全生产实际需要的同时，又充分发挥现有平台的作用。

在车辆运用部门日常维护管理需关注的众多车辆安全部件中，车辆的制动系统与转向架是与车辆安全运行相关的最重要部分。在大多数普速旅客列车上，车辆的制动系统与转向架尚未安装运行监测设备。大量案例证明，客车制动与转向架监测诊断报警在列车运行过程中可起到及时发现车辆设备的异常情况，及时防止故障的发生和扩大的作用，对于保障提速客车运行安全是必不可少的。但是由于普速旅客列车技术条件的限制，铁路客车中占有很大的比例的25G、25B、25K型普速旅客列车尚无条件安装25T型提速客车专用的客车运行安全监测诊断系统。研制开发适合普通旅客列车安装的安全监测系统，充分利用既有的TCDS网络信息平台，实现对普速旅客列车的制动系统和转向架运行全过程监测报警，对铁路客车的运行安全具有重大的意义。

根据现场需求，借鉴25T提速客车监测系统安全监测的成功经验，基于TCDS网络平台开发研制适合普速旅客列车安装的安全监测系统，该系统应具有下列功能:

(1)实时采集车辆制动系统的列车管、制动缸等压力数据，监测诊断单车和全列车制动系统状态。

(2)实时采集车辆转向架构架、车体振动加速度，监测车辆转向架的工作状态。

(3)将全列各车厢的监测节点连接为对等网络，乘务员在任意车能查看全列车的监测数据。

(4)具备从防滑器主机获取速度功能。各车厢的监测节点均能获取防滑器速度，用于转向架和制动系统严重故障的诊断。

(5)具备蜂鸣报警以及报警消声功能。当诊断列车发生严重故障时，全列车蜂鸣报警提示，提醒乘务员处理故障，乘务员在任意车能通过按键进行报警消声。

(6)具备与TCDS主机交互数据功能。TCDS主机所在车厢的监测节点将通过列车网络获得的全列车监测数据发送至TCDS主机，再通过TCDS的GPRS无线网络传输至地面网页终端进行实时监测显示，通过车站WLAN下载至地面服务器的专家系统进行分析、诊断，指导列车的日常维护与检修。

(7)单车具备数据存储与下载功能，存储容量不小于30天。运用部门可据此数据回溯车辆转向架与制动系统的工作状态。

1 系统架构设计

根据上述需求，基于既有的TCDS网络通道，利用普速旅客列车中预留的贯通全列车的网络通信线，设计适用于普速旅客列车的安全监测系统，该系统的结构如下所示。

1.1 总体结构

普速旅客列车安全监测系统总体拓扑结构如图1所示。

图1 总体拓扑结构图

(1)每节车厢安装一个安全监测节点，通过列车网络实现全列车通信;

(2)列车网络类型为LonWorks，传输介质为车辆中的双绞屏蔽线缆(备用线);

(3)监控车(广播车)安装的监测节点与TCDS主机连接完成无线传输功能。

1.2 单车结构

单车安全监测节点由监测主机、压力传感器、加速度传感器线缆和连接器组成。其中压力传感器用于采集制动系统气体压力信号，加速度传感器用于采集转向架振动信号。监控车(广播车)监测节点连接TCDS主机，各车厢安全监测节点均可与防滑器通信获取速度，均可连接便携式显示设备显示全列车的监测状态。如图2所示。

图2 单车监测节点结构示意图

2 系统实现与关键技术

2.1 基于TCDS的可扩展安全监测平台架构

TCDS经过6大干线建设、二期工程建设后已实现了全铁路覆盖，我国各式类型客车的安全监测车地数据传输及地面三级网络已经具备网络信息的全覆盖。

在TMIS的全国铁路通信网络的基础上，利用网络数据传输平台，将铁道部查询中心、铁路局监控中心、车辆段监控中心联系起来;在实时数据采集的基础上，利用现代无线通信技术，将车辆段与配属客车联系起来，实现客车与地面的有机结合。车地无线联网实现列车和地面间的数据传输，地面信息网络实现各级中心间的数据传输。在三级联网的基础上，所有数据统一格式、统一标准，实现客车安全信息完全共享。有效利用TCDS网络通道可实现普速旅客列车的安全监测(图3)。

图3 TCDS系统平台架构图

2.2 对等式LonWorks列车网络

利用目前普速旅客列车通讯线中预留的双绞屏蔽线，使用LonWorks技术可实现全列车所有车厢监测节点的网络连接。

每节车厢的网络节点安装一个网关，用于实现全列车网络连接，监测节点面板上设置终端电阻投入开关，首尾车手动投入终端电阻，中间车不投入(图4)。

图4 列车网络拓扑结构图

为便于各车厢网络共享数据，列车网络拓扑结构采用对等网的列车网络，任意车厢的网络节点上都能接收全列车的通信数据。

2.3 采用并行通信方式的LonWorks网关

(1)硬件设计

对等式列车网络要求每节车厢的制动监测节点网关能接收全列车数据，网关的数据收发能力是设计的重点。根据监测节点的模块化设计要求，网关硬件结构采用微处理器+LonWorks控制器模块的方式，两者之间的通信方式可选择并行、串行、双口RAM等。其中使用并行通信的方式相对于串行方式有明显速度优势，相对于双口RAM的方式由于不需要增加附加存储芯片，成本上有优势，且减少了故障点，所以选择采用并行通信的方式。

使用并行通信的网关采用神经元Neuron芯片FT3150和单片机C8051F040联合作为通信控制器，单片机和Neuron芯片之间通过并口方式通信，和便携式显示器之间通过RS232通信，与车厢主机其他节点间通过CAN总线通信。网关硬件结构框图如图5所示。

图5 网关硬件结构图

(2)软件设计

软件设计是整个网关设计的重点，包括单片机程序与神经元芯片程序两个方面。

神经元模块软件设计应用程序采用Neuron C语言编写，主要起LonWorks网接口作用，向下与单片机进行并口通讯，向上与LonWorks网利用LonWorks收发器进行通讯。

单片机部分的程序用Keil C51来编写。神经元的并行模式由芯片内部固件程序实现，程序代码较为简单。而单片机部分的程序则相对复杂，要在应用程序中模拟3150的写令牌传送协议。根据神经元在并口模式的定义，单片机通信程序主要完成4个工作:与3150同步;向3150写数据;从3150读数据;传送空令牌给3150。此外，单片机除了通过并口和3150通信外，还要通过串口和下位机通信，进行串口数据接收和数据处理。串口部分的数据接收主要通过串口中断程序完成。数据接收完后，在主程序中进行数据处理。单片机主程序的流程如图6所示。

图6 网关软件结构图

2.4 紧凑型、一体化的安全监测主机

针对普速旅客列车电气柜安装空间有限的特点，为方便乘务员的操作与使用，安全监测主机采用紧凑型、一体化设计。主机的尺寸不超过250 mm(长)×133 mm(高)×200 mm(深)，可嵌入式安装于乘务员室的电气柜门上。安全监测主机操作面板集成了由状态指示灯、蜂鸣器、数码管、按键、电源开关、车类别开关、DBG口、USB接口等组件，如图7所示。数码管用于显示本车的序号，有报警时显示报警车的序号和报警类别码。并可用于设定本车的序号及制造号。车类别开关用来选择车类别为首尾车或者中间车，DBG口用来测试与连接便携式检测设备，USB接口可用来下载报警数据。数码管与蜂鸣器在制动系统发生严重故障时发出声光报警，同时数码管显示报警序号和报警码。

图7 通信网关软件结构图

2.5 信息丰富的便携式人机交互界面

通过安全监测主机上的DBG接口，任意车可外接便携式显示器。在单车数据信息显示区显示该车的列车管压力、制动缸压力、制动状态等，在单车压力与速度曲线显示区显示该车的列车管压力、制动缸压力与速度曲线。可选功能按钮查看全列数据信息、全列图表信息、全列报警信息和系统设置(图8～图10)。

图8 主界面显示效果

图9 全列图表对比显示效果

图10 显示界面结构设计

2.6 网页实时监控

TCDS主机通过GPRS网络通道将监测数据实时发送至各铁路局安全平台后，数据进入TCDS三级网络，总公司、铁路局、车辆段各级中心通过WEB网页可以远程查询故障信息，并可以获得各种形式的报表。实时制动数据监测效果如图11所示:

2.7 地面专家系统

车载系统记录了列车运行过程中的制动数据，这些数据中包含了每辆车的列车管压力、制动缸压力、速度和车载系统的报警信息，车辆到站后，通过车站WLAN将数据下载到地面数据库，经专家系统通过处理后，能够对制动和转向架的报警事件进行查询，对制动的压力曲线和转向架的振动特征数据进行单车和多车的对比分析，对监测数据和状态进行全程回放。利用地面数据库中保存的检测数据和事件，结合车辆安全诊断的专家知识，在地面对旅客车辆进行综合诊断，可以进一步对故障进行定性和定位，指导维修和质量控制(图12)。

图11 制动监测数据实时显示

图12 制动监测压力曲线回放

3 系统验证

3.1 网络性能测试

为测试系统的网络通信能力是否达到要求，在试验室连接18台安全监测主机组成列车网络进行网络通信性能测试，如图13所示。

开机运行，在4号车连接的便携式显示器上统计运行结果，当该车收到396个数据时测试结果如图14所示。

图13 试验室联网测试试验台

图14 网络性能测试

从图14可知网络最大丢包率为(396－392)/396=1%，网络性能满足18辆编组的列车网络通信要求。

3.2 系统功能测试

在安全监测试验室中运用模拟测试试验台对压力采集与制动故障诊断、振动加速度采集与转向架状态监测、便携式设备显示、车号设置、防滑器速度采集、与TCDS主机通信、全列车声光报警与消声等功能进行测试，测试结果如表1所示，达到了设计要求。

4 结束语

本文介绍了普速旅客列车安全监测系统的研制目的、系统设计、实现方法、系统集成调试和测试结果等。该系统针对目前普速旅客列车基于TCDS系统扩充安全监测功能，在原25T型客车安装的KAX1型客车行车安全监测诊断系统的基础上，保留原系统原理与功能等方面的优点，同时根据25G型车辆的实际情况进行结构与成本的优化。测试表明系统设计合理，运行稳定，可以为普速旅客列车在线路运行提供安全监测，并为地面检修提供支持。

［1］陈朝发，刘 峰，等.客车行车安全监测诊断系统研究［J］.铁道机车车辆，2003，(23):53-56.

［2］刘 峰，张瑞芳，等.转向架横向稳定性的实时在线监测［J］.铁道机车车辆，2010，(2):5-7.