基于Web的地铁道岔裂纹在线监测系统研究

方恩权 胡锦添 蔡俊涛 刘蓝轩

(1. 广州地铁集团有限公司 广州 510330； 2. 广州市光机电技术研究院 广州 510663 )



基于Web的地铁道岔裂纹在线监测系统研究

方恩权1胡锦添2蔡俊涛2刘蓝轩2

(1. 广州地铁集团有限公司 广州 510330； 2. 广州市光机电技术研究院 广州 510663 )

为保障地铁安全运营，解决道岔在现有条件下监测所遇到的技术难题，提高维护效率和降低维护成本，设计基于Web的道岔裂纹远程在线监测系统，实现对地铁道岔裂纹的实时数据采集分析和远程监测等功能。采用UDP无连接通信技术进行以太网数据传输，分析使用WCF数据交换通信接口技术实现远程监测功能的可行性和优越性。通过功率谱密度图分析声发射信号，可以准确地识别出多路采集的信号中是否存在裂纹信号，从而判断所监测的道岔部件是否产生裂纹。系统已在地铁正线上运行良好，监测结果与后期人工探伤所得结论一致，监测结果可为维修策略制定提供依据，保障地铁行车安全。 关键词 城市轨道交通；道岔裂纹；UDP协议；WCF接口；远程监测；在线监测

我国轨道交通建设日益加快，其在公共交通系统中的地位也越来越重要。道岔是其中重要的行车关键装备，对其健康状况进行实时在线监测非常重要，可及早发现故障隐患，确保轨道交通列车安全运行[1-3]。道岔设备分布较为分散，人工现场管控及维护效率比较低下，Web远程监测系统具有实时、简便、高效的重要特点[4]，所以利用Web技术进行远程监测，不仅节约人力物力，而且可确保实时在线监测设备的运行状态，统一管理 道 岔 的 所 有 数 据 采 集 点。基 于Web的远程监测与数据采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)模式成为当前监测系统的发展趋势[5]。本文基于以上需求，设计了基于Web的地铁道岔裂纹在线监测系统，实现了对地铁道岔裂纹的实时数据采集分析和远程监测等功能。

1 系统架构

1.1 系统总体架构

基于Web的地铁道岔裂纹在线监测系统包括多个传感器和前端处理器，声发射信号经压电传感器进行采集，获得原始的模拟信号，接着由紧连传感器的前端处理装置对信号进行滤波和放大处理，经过梳理的信号由工控机上的专用板卡进行采集并转换为数字信息，存放在工控机上，工控机则连续不断地对采集到的数据进行分析，根据测试分析情况进行报警。远程的服务器可通过网络查询现场数据和监测情况。

采用C/S与B/S两种架构相结合，前端的采集模块通过以太网发送到监测总站(C/S服务端)，监测总站与Web服务器也通过以太网进行连接，浏览器客户端通过Internet连接到Web服务器，如图1所示。采集终端收到触发指令后开始采集数据，并在内部存储器进行缓存，C/S服务器通过UDP协议分时向每个采集终端发送读取指令，C/S服务器依次接收采集终端通过UDP发送的监测数据进行处理，之后把相关数据保存到数据库；移动终端与外网的浏览器通过Internet连接到Web服务器，以便查看监测分析结果或发送控制指令。

图1 道岔裂纹在线监测系统架构

1.2 系统功能模块

系统的功能主要是对各个采集终端实时上传的数据信息进行接收、分析和发布，同时管控每个采集终端的运行状态。监测软件系统主要由采集通信软件和Web监测软件两部分组成(见图2)。

图2 系统软件组成

1) 采集通信软件主要负责接收远程采集终端通过以太网上传的实时道岔数据，以及分析检测到的裂纹数据信息，并远程发送控制命令到采集终端，按照UDP通信协议把裂纹信号数据全部存储到数据库服务器。

2) Web监测软件主要提供Web在线服务，包括友好的人机交互界面、实时监测数据的查询和图表展示、系统管理、报表数据管理、与采集通信软件的连接通信等。

2 采集通信软件分析

2.1 采集通信软件结构

采集通信软件的主要功能是建立与各个裂纹信号采集终端的网络连接、接收终端实时上传的数据信息并进行分析处理，同时接收Web监测软件发送的控制命令并下发到采集终端。采集通信软件与Web监测软件之间的信息交互采用微软的WCF技术。软件数据流结构如图3所示。

图3 数据流结构示意

2.2 监测终端网络连接

由于所采集的道岔监测信息数据量大、实时性强，所以采集通信软件与远程终端通过UDP协议进行数据传输。UDP协议是一个面向无连接的通信协议(TCP协议是面向连接的通信协议)，传输数据之前发送端与接收端不建立连接，传输速度取决于应用程序生成数据的速度、计算机的运算能力和传输带宽的限制[6]。虽然UDP协议具有资源消耗小、处理速度快等优点，但却属于一种不可靠连接，偶尔会丢失一两个数据包。由于监测系统的采样频率比较高，而实际分析中需要对原始数据进行抽样，所以监测系统对于数据传输可靠性要求不高，而且多台客户端设备同时与服务端进行大数据量通信，适合使用UDP协议。采集终端实时采集道岔数据并在本地进行缓存，在系统空闲时，采集通信软件服务器端向每个采集客户端发送上传指令，然后每个终端逐一上传数据到服务器端，并由服务器端的采集通信软件进行数据分析，判断采集的数据中是否存在裂纹信息。

2.3 Web软件与通信服务软件的连接

在本项目中，Web监测软件使用WCF技术实现与采集软件的通信。WCF是由微软发展的一组数据交换通信的应用程序开发接口，也就是Windows通信接口。它是.NET框架的一部分，由.NET Framework 3.0开始引入到框架之中。WCF的终结点由3部分组成，分别为地址(Address)、绑定(Binding)和契约(Contract)，简化为Endpoint=ABC。WCF就是以契约来定义双方沟通的协议，而契约以接口的形式表现，实际的服务代码对象由这些接口派生出来实现[7-9]。绑定就是双方统一通信的协议，并且在编码和格式上也要一致。首先，创建WCF服务库并通过契约实现接口函数；然后，以采集通信软件为WCF的服务端，通过Web监测软件远程调用WCF服务库所实现的基于采集通信软件的方法；最后进行Web监测软件与采集通信软件的交互，实现道岔状态远程在线监测。

1) WCF服务端部分代码：

private void WcfServer(object sender, EventArgs e)

{

……

//NetTcpBinding方式启动WCF服务

m_ServiceHost=new ServiceHost(typeof(Service1));

//Service1是WCF服务的类名称

NetTcpBinding binding = new NetTcpBinding();

Uri baseAddress = new Uri(string.Format("net.tcp://localhost:10086

/WCFHostServer/Service1"));

m_ServiceHost.AddServiceEndpoint(typeof(IService1), binding, baseAddress);

//BasicHttpBinding方式启动WCF服务

ServiceMetadataBehavior metadataBehavior;

……

m_ServiceHost.Open();

……

}

2) WCF客户端部分代码：

private void WcfClient(object sender, EventArgs e)

{

//NetTcpBinding绑定方式的通信双工

IService1 m_Innerclient;

ChannelFactorym_ChannelFactory;

NetTcpBinding binding=new NetTcpBinding();

……

//调用GetAllData获取采集到的道岔数据

bool result=m_Innerclient.GetAllData();

……

}

3 Web软件分析

Web监测软件采用C#编程语言、ASP.NET网页脚本技术，在Visual Studio 2012开发平台进行编译，数据库采用SQL Server2008，整个网页基于MVC架构进行开发[10]，界面采用HTML+CSS+JavaScript进行设计[11-12]，具有交互性友好、操作直观简单等特点，主页界面如图4所示。

监测软件主页界面显示了道岔中7个采集终端的位置，采用显示灯的形式表示是否存在裂纹，一旦某个位置有裂纹信号产生，相应位置的显示灯即点亮，并且左下角的故障警示灯频闪作为提醒，界面中同时显示裂纹产生的时间、位置、严重程度等信息，选择不同通道的选项卡便可查看当前采集信号的时域图与频域图(见图5和图6)，对比分析图5与图6中的频域图可以看出，无裂纹信号的能量都集中在低于100 kHz的频率范围内，而有裂纹信号的部分能量分布在100～200 kHz的频率段范围内，因此，通过频域图可分析识别道岔是否发生裂纹。此外，Web监测软件还具有查看全部的历史数据、设置采样频率、打印报表、站点信息管理等功能。

图4 Web监测主页

图5 Web显示无裂纹信号频域图

图6 Web显示有裂纹信号频域图

4 应用分析

图7 采集终端盒子现场安装

本系统已在广州地铁正线一段轨道上安装并运行良好，其中，采集终端与传感器均安装在道岔旁，如图7所示。对一组道岔的全部结构进行监测共需7个采集终端，且要求采集终端安装在每个监测结构旁边，如图8所示。通过现场布线将所有采集的信号集中传输到位于轨旁的C/S服务器(见图9)，信号经过处理后，通过以太网保存到远程数据库以及接收Web服务器下发的指令。系统已持续12个月对该组道岔进行了全天24小时在线监测，监测结果中只有列车经过时产生的低频振动信号以及部分高频噪声信号，道岔没有产生裂纹信号，与现场人工探伤的结果一致。用户通过Web浏览器可远程查询到每次列车经过时采集信号的所有数据与检测结果。监测的自动化、智能化为广州地铁安全运营中的道岔安全提供了强有力的支撑，保障了地铁的安全运行。

图8 一组道岔监测现场安装图

图9 轨旁C/S服务器集线箱

5 总结

轨道交通是我国优先发展的城市公共交通系统，而道岔正是其中特别重要的行车装备，为了实现道岔裂纹的在线诊断，设计了基于Web技术的地铁道岔裂纹在线监测系统，以实现其对道岔在运行过程中的实时数据采集和远程监测等功能。由于采集的数据量大，故使用了UDP协议进行以太网数据传输，Web程序与采集程序使用WCF技术进行数据交互。系统后台裂纹信号分析软件通过功率谱密度图在频域中可识别淹没在强噪声信号中的微弱裂纹信号，并自动判断所监 测 的 道 岔 部 件 是否产生裂纹，一旦发 现 裂 纹 即 通 过

显示界面发出提示，为轨道维修策略的制定提供依据。

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(编辑：王艳菊)

Web-based Online System for Crack Monitoring of Metro Turnouts

Fang Enquan1Hu Jintian2Cai Juntao2Liu Lanxuan2

(1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510330; 2. Guangzhou Research Institute of O-M-E Technology 510663)

To solve the technical problems in the current system and to guarantee the safe operation of the metro, a web-based online system for crack monitoring of metro turnouts is designed, which is expected to improve the maintenance efficiency and reduce the maintenance cost. The online system can support real-time data acquisition and analysis of metro turnout crack and remote monitoring of the crack. The feasibility and advantage of achieving remote monitoring is analyzed, which adopts UDP connectionless communication technology and WCF data exchange communication interface technology. Crack signal can be recognized accurately from the measured signals by analyzing the acoustic emission (AE) signal with power spectrum density chart, and then it can be judged whether the crack was generated in the monitoring turnout parts. The system has been running well on the main line of the subway. The test result is in accordance with the conclusion of the manual inspection. The monitoring result can provide the basis for the maintenance strategy formulation.Key words: urban rail transit; turnout crack; UDP protocol; WCF interface; remote monitoring; online monitoring

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.021

2016-09-08

2016-09-20

方恩权，男，工学博士，高级工程师，副研究员，从事轨道交通土建工程技术研究与项目管理工作， fangenquan@gzmtr.com

广东省对外科技合作专项基金资助(2013B050900022)

U231.7

A

1672-6073(2016)06-0106-04