列车车载式超偏载检测系统的设计

，，2，陆长海

(1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2.北京交大创新科技中心，北京 100044)

Design of Vehicle Unbalanced Load Detection System

ZHAO Peng1，LIU Biao1，2，LU Changhai1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China)

列车车载式超偏载检测系统的设计

赵鹏1，刘彪1，2，陆长海1

(1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2.北京交大创新科技中心，北京 100044)

Design of Vehicle Unbalanced Load Detection System

ZHAO Peng1，LIU Biao1，2，LU Changhai1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China)

摘要：针对当前快速铁路货运安全行车的背景，设计了一种车载式超偏载检测系统，用于检测列车是否发生超偏载并及时报警。该系统的配重检测模块基于MC9S12DG128设计，检测每列车体前后2个转向架上的空气弹簧压力，通过串口将数据传送给车载网关，车载网关基于Cortex-A8平台设计，实现协议转换，通过以太网将数据传送给上位机，上位机根据空气弹簧的气压-负载特性，计算出车厢载重情况。试验证明，该系统能够实现列车的超偏载检测，对推进快速铁路货运发展具有实际意义和应用价值。

关键词：铁路货运；配重检测；车载网关；上位机监控

中图分类号：U272.6

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0003-04

收稿日期：2015-06-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61401017)

Abstract：In view of the safety of current rapid rail freight in the background，this paper designs a vehicle unbalanced load detection system，used to detect whether the train load is overloaded or unbalanced and alarm timely. Weight detection module of this system is based on MC9S12DG128，and it acquires the four air spring pressure under the carriage，sends the data to the gateway. The gateway is based on Cortex-A8 platform，it converts the protocol and transmits the data to the upper monitor，the upper monitor can calculate the carriage load according to the load characteristics of the air spring. Experiments show that the system can realize the train overload and unbalanced load detection，which has practical significance and application value to promote the rapid development of the railway freight.

作者简介：赵鹏(1990-)男，河北保定人，硕士研究生，研究方向为数据通信与控制网络；刘彪(1982-)男，河北保定人，博士后，讲师，研究方向为数据通信与控制网络；陆长海(1990-)男，江苏兴化人，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。

Key words：railway freight；load detection；vehicle gateway；PC monitor

0引言

铁路货运车辆的超载以及偏载一直以来都是危及铁路安全运输的主要问题，因此而发生的切轴、掉道等事故时有发生。超偏载是指货物的总重量和合重心分别超出了规定的范围。当前正在研制中的货运动车组，由于其高速运行，发生超偏载而出现事故的可能性更大。目前，检测列车超偏载多采用地面固定式轨道衡装置，由于其安装复杂，造价高，且不具有实时性等，不利于大规模推广应用。设计的车载式超偏载检测系统克服了以上地面检测装置的缺点和不足，对安装在每列车体前后2个转向架上的空气弹簧压力进行检测。空气弹簧工作时，内腔冲入压缩空气，形成一个压缩空气气柱。当载荷量增加时，弹簧的高度会下降，内腔容积变小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载面积加大，此时空气弹簧的承载能力增加。当载荷量减小时，弹簧的高度升高，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时空气弹簧的承载能力也会减小。因此，根据空气弹簧的气压-负载特性可以实现实时检测列车载重情况，实现超限报警功能。该系统的设计对于推进快速铁路货运具有实际意义和应用价值。

1系统总体结构

车载式超偏载检测系统主要由配重检测单元、车载网关、上位机监控组成。配重检测单元由MC9S12DG128、AD采集模块、串口模块构成，用于检测一节车厢对应的转向架上4个空气弹簧的气压值，通过串口将数据发送到网关，网关由Cortex-A8、串口模块、以太网模块构成，进行协议转换将数据通过以太网转发给上位机监控终端，上位机通过空气弹簧的气压-负载特性，计算出车厢载重值，然后根据超偏载模型判断列车是否发生超偏载并及时报警。系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

2系统硬件设计

2.1　配重检测模块

2.1.1传感器选型

设计选择电流型气压传感器，其传输信号能力比电压型气压传感器强，型号为JYB-KO-HAG，量程范围为0～1 MPa，输出电流为4～20 mA，通过在气压传感器回路中串接200Ω电阻，测量电阻两端的电压信号来获得气压信号。通过标定实验，发现气压值与电压值成线性关系，由经验公式得知这是一元线性回归模型，在Matlab下调用最小二乘法polyfit()函数对其进行评估拟合，得到拟合曲线y=248.9x-246.8。再对已建立的一元线性回归数学模型用regress()函数进行检验，将超出期望值的点剔除后用剩余的点重新计算，最终得到的曲线方程为y=249.5x-247.1。气压传感器的标定实验数据如表1所示。

表1　气压传感器标定数据

2.1.2主控制器电路

主控制器选用飞思卡尔公司的工业级双核16位芯片MC9S12DG128，该芯片拥有16位双核处理单元，2个异步串行通信接口，内置10位逐次逼近型模/数转换器，可以根据需要配置相应的寄存器，设置不同的采样率。主控器采集到4路电压信号后，通过串口与车载网关进行实时通信。

2.1.3AD采集和串口通信电路

气压传感器回路串联电阻后输出电压值为0.8～4 V，满足MC9S12DG128单片机的AD输入要求。可通过电压跟随器与AD引脚直接相连，AD采集模块使用外部参考电压4.096 V供电。电压值可表示为：被测电压=(AD结果采样)×基准/AD位数，其中10位AD位数为1 024。电压跟随器的运放型号选择OPA系列，起到缓冲、隔离、提高带负载能力的作用。串口通信采用max232芯片实现电平转换。

2.2　车载网关模块

由于串口传输距离有限，需要车载网关将串口接收到的数据通过以太网发送给上位机，实现数据转发的功能。主控制器选用Samsung公司的ARM处理器S5PV210。该处理器基于Cortex-A8架构，支持ARM V7指令集，具有64/32位内部总线结构，主频最高可达1 GHz。提供了包括串口、LCD、IIC、SPI等丰富的外部接口资源。

为加快进度，主控板采用广州天嵌公司生产的核心板TQ210进行开发。集成S5PV210处理器、1GB DDR2、1GB Nandflash、并带有JTAG接口，采用TI专为TQ210设计的电源管理芯片TPS659101，在此基础上进行开发可大大缩短开发周期，降低开发风险。该主控板主要实现S5PV210最小系统设计。

外围电路包括主要包括电源电路、串口电路、和以太网通信电路。车载网关采用车上110 V直流电压供电，使用DC-DC变换器将110 V变换为5 V，稳压芯片AP1117-3.3将5 V变换为3.3 V，给主控板供电。串口电路通过max232实现电平转换。以太网具有数据传输速度快、传输距离远、稳定等特点，被广泛使用。网络接口芯片选用高度集成的、低成本的以太网MAC处理器DM9000，支持MII/RMII接口和8/16/32位的处理器接口方式，10M/100M收发器。

2.3　上位机监控

上位机监控终端选用研华公司适用于铁路应用的工业级平板电脑，型号为TPC-8100TR。此设备为10.4寸液晶显示屏，为电阻式触摸屏，满足EN50155标准和IP65防护标准，全部对外接口采用了M12接头，温度范围为-30°～70°。带有2路USB接口、4路串行接口、1路电源接口和2路以太网接口，采用110 V直流供电。系统组成框图如图2所示。

图2　系统组成框图

3系统软件设计

3.1　配重检测模块

程序流程图如图3所示。配重检测模块软件设计主要包括系统初始化、信号采集与处理、串口通信。其中，系统初始化、信号采集与处理放在主程序中执行，串口通信相关程序放在定时中断程序中执行。系统初始化主要包括设置总线频率、I/O初始化、A/D采样速率、串口通信速率、定时中断周期，按照设定的通信协议完成数据发送。

图3　程序流程

3.2　车载网关模块

车载网关以嵌入式Linux操作系统为软件平台，在Linux环境下使用Qt开发应用程序。嵌入式Linux操作系统开发包括开发环境的搭建(Ubuntu、交叉编译工具arm-linux-gcc)、U-Boot的移植、Linux内核的移植(修改顶层Makefile中的ARCH和CROSS_COMPILE、修改MTD分区、移植YAFFS文件系统)、构建根文件系统(移植根文件系统制作工具busybox)、内核调试。

使用Qt类库编写串口通信和以太网通信应用程序，实现协议转换。Qt是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展以及一些宏，易于扩展，允许组件编程。Qt的良好封装机制使得模块化程度非常高，可重用性较好，对于用户开发来说是非常方便的。Qt提供了信号/槽的安全类型来替代回调，这使得各个元件之间的协同工作变得十分简单。设计中使用第3方类Posix_QextSerialPort实现串口通信。初始化程序主要包括打开串口、设置波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、流控制，使用轮询方式接收数据。

应用程序使用TCP/IP协议栈提供的数据通讯功能。TCP是面向可靠连接即传输前必须先通过“三重握手”在主机间建立TCP接入，它所传输数据流采用了顺序号和应答机制，可以发现数据的丢失、段的失序和对传输错误的排除，所以TCP协议提供的是数据流的可靠传输。

由于8节车厢网关与上位机进行以太网通信，上位机必须确定接收的数据是来自于哪节车厢，以及分别对应车厢哪个空气弹簧气压值，因此需要对发送和接收的数据帧进行格式化处理。当系统将串口数据发送以太网前，首先进行串口数据封装，在数据包中填入源地址，然后进行TCP/IP逐层封装发送至上位机，上位机将接收到的数据包先进行TCP解析，再进行串口数据帧的解析，确定数据的来源。

在从串口接收数据发送至以太网的情况下，由于相对以太网来说，串口是一个慢速连接过程，如果对于每一个小分组都单独通过一个TCP包发送的话，当带宽很窄或是通信量很大时，出现拥塞的可能性会增加，这将降低网络的效率。在通常的TCP/IP实现中，一般采用Nagle算法把较小的包组装为更大的帧来解决这个问题。但是在嵌入式TCP/IP协议栈中没有实现这个功能。因此，在系统中通过定义一个512字节的循环队列来作为数据收发的缓冲区，如图4所示。Head和Tail分别指向队列的头部和尾部，当Head=Tail时表示队列空，(Head+1)Mod512=Tail表示队列已满，空闲缓冲区的大小也可以通过Head和Tail指针计算。

图4　循环队列作为数据缓冲区

3.3　上位机监控软件

表2空气弹簧负载-气压特性标定数据

负载/kN0306090120150180210240气压/kPa150171195213235260285310334负载/kN270300330360390420450气压/kPa360385404434465495525

(1)

(2)

令式(2)等于0，移项可得：

(3)

本实例中，对标定数据进行分析，选用二次多项式进行拟合，根据测得的16个样本点以及上面所述公式，可以得到法方程组：

(4)

法方程组是对称正定，因此存在惟一解。多元函数R有惟一驻点且是最小值点。经过求解，得到系数a0=150.8，a1=0.677 4，a2=0.000 330 5，因此二次拟合曲线为f(x)=0.000 330 5x2+0.677 4x+150.8。

得到空气弹簧的气压-负载特性后，上位机可据此计算出列车的载重值，然后根据铁路部门规定的列车偏载模型式(5)、式(6)，判断列车是否发生超偏载。当发生超偏载情况时及时报警。

左右偏载为：

(5)

轮重也可以为对应的转向架承重。

前后偏载为：

|前转向架负重-后转向架负重|≥10 t

(6)

4结束语

针对快速铁路货运安全行车的背景，设计了一种车载式超偏载检测系统，即多点信息检测使用混合网络通信。主要包括传感器、检测设备、车厢网关、整车网关以及列车信息显示设备。相比地面固定式检测装置具有成本低，安装简单的优点。由于是基于空气弹簧的静态负载特性进行研究，实际运行中其特性还受到差压阀、高度阀等其他因素的影响，所以会有一定的误差，还有待进一步改进。

参考文献：

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