重庆单轨三号线监控系统数据记录单元研究与设计

罗延具 何勇 邹臣国 郭长夫

摘要：本文主要对在重庆单轨三号线监控系统的项目中应用的数据记录单元的功能和设计方法进行了详细的介绍和描述。

关键词：数据记录单元，CANopen，监控系统

1.项目背景

重庆单轨3号线列车网络监控系统是一个响应国家发改委提出的关于加大轨道车辆国产化率的目标的项目，监控系统的国产化研制有效的提升了列车的国产化率。监控系统主要用于监视车载牵引系统、制动系统和列车内各主要设备的状态，实现车辆网络的管理、监视和诊断功能。

重庆单轨三号线车辆级监控系统采用CANopen总线进行组网，其具有高可靠性和强互操作性，在欧洲各国车辆监控系统设计中应用广泛。CANopen协议具有统一的国际标准，要求系统中所有设备均符合CANopen协议，数据记录单元具有CANopen通信功能。

2.功能概述

數据记录单元是车辆监控系统重要的组成部分，通过CANopen总线与监控系统中其他单元进行数据交互，并有效记录车辆各子系统实时运行数据，为车辆故障和运行状态的分析提供了可靠的依据。使用的数据监控和解析软件是DatanalyzerC，利用DatanalyzerC在线实时监测车辆运行数据的变化，可以让工作人员准确掌控车辆实时状态;数据记录单元也为用户提供了离线下载数据的功能，可以用DatanalyzerC将数据记录单元存储的数据离线下载后分析。

3.数据记录单元设计

3.1 通信功能设计

标准化CANopen通信协议接口可以让不同的设备在总线上通过收发通信对象来进行通信，这一项服务为数据记录单元提供了与监控系统主控单元及其他单元进行通信的通道。有4种通信对象在CANopen协议中有明确的定义：

（1）NMT对象，其作用是传递总线上主节点对各从节点的管理信息;

（2）SDO对象，是用来传递总线上的配置信息的;

（3）PDO对象，用来传递总线上的过程数据，比如主节点与从节点间的过程数据;

（4）特殊功能对象，包括紧急对象（Emergency）、同步对象（Sync）、时间戳对象（Time Stamp）等[1]。

重庆单轨3号线数据记录单元在监控系统中作为从站与主控单元进行通信，其通信功能的设计遵循CANopen协议预定义主从连接集，按照缺省宁标识符（CAN-ID）分配表中预定义的强制性的元素进行定义。

除了配置标准的CANopen节点所具备的4个发送PDO对象，4个接收PDO对象，1个SDO对象，1个SDO对象，1个节点错误控制对象和1个紧急对象，数据记录单元还配置了各个车辆子系统的接收PDO对象来接收各个子系统的数据，实现实时记录的功能。结合CANopen通信协议中数据帧的传输特点，以结构体的形式来定义CAN报文、CANopen协议配置SDO对象、发送和接收PDO数据对象等。

3.2 数据记录功能设计

重庆单轨三号线数据记录单元可以对车辆现有各子系统过程数据进行记录，主要有：数字量模块、受电弓系统运行数据记录，牵引系统、辅助系统运行数据记录，制动系统运行数据记录，门控系统、空调系统运行数据记录，信号系统、PIS系统运行数据记录。

故障数据以BOOL量的形式传输到数据记录单元，当故障数据的值发生变化时，将其记录下来并记录它的值。主要包括数字量模块、受电弓系统故障记录，牵引系统、辅助系统故障记录，制动系统故障记录，门控系统、空调系统故障记录，信号系统、PIS系统故障记录。故障记录能够对车辆发生的故障进行准确记录。

此外，车辆还具有胎压系统，每列车的8个车节均安装有胎压系统，每节车胎压系统下具有12个水平轮、8个走行轮、4个辅助轮。胎压系统具有需要记录的数据量大，数据类型复杂，故障记录复杂，调试困难，且调试周期长等特点。对胎压系统故障进行记录时，采用数据分包的策略，通过在CANopen数据帧中加入分包标志位，将一节车胎压数据分为8包进行传送，有效的解决了数据记录单元接收PDO数量有限的问题，减轻了CANopen总线负载。

重庆单轨3号线数据记录单元在记录过程数据和故障数据的同时，还增加故障记录中对故障时间、故障车节、故障发生所在站点的记录，以方便业主在故障发生时对故障进行准确定位，满足业主故障分析的需求。

3.3 数据分析功能设计

（1）变量在线实时监视

DayanalyzerC具有在线监视变量功能，将需要监视的变量添加到监视列表里面，用户就可以实时监控所关注的变量，观察其实时的变化情况。此外，DatanalyzerC还为用户提供了丰富的数据监控模式，图形化监控模式可以把每一个变量以单曲线的形式形象的表现出来，有利于用户直观地把控变量的变化趋势;数值化监控模式将数据的实时变化呈现出来，方便用户查看其数值的大小。

对于用户关注的变量，DatanalyzerC还提供了保存功能，可以将监视到的数据保存下来，用户在需要的时候可以对其进行离线查看。重庆单轨3号线车辆在到达站点停车时制动命令和实际制动力大小值的曲线表现如图1

（2）离线数据下载与分析

重庆单轨3号线数据记录单元可以记录监控系统及车辆其它各子系统实时运行数据和故障数据，用户可以用配置与数据记录单元相同以太网IP网段的PC机对数据记录文件和故障记录文件进行下载，通过DatanalyzerC提供的离线数据加载和分析功能来对数据进行处理[2]。DatanalyzerC软件离线加载数据如图2所示：

3.4 自诊断功能设计

重庆单轨3号线监控系统数据记录单元具有自诊断功能。车辆上电正常运行的过程中，数据记录单元通过周期性的向监控系统主控单元发送刷新信号。如果刷新信号没有更新，则表示数据记录单元与主控单元通信异常，那么将产生一个事件并发送给诊断系统，通知这个特定的单元已经在CANopen上失去通信。事件通过HMI和诊断工具显示给司机和维修人员。

4.结论：

数据记录单元作为重庆单轨3号线监控系统的一个子模块，主要负责记录车辆各子系统实时运行数据和故障数据，并为用户提供数据在线实时监测和离线下载分析的功能。重庆单轨3号线监控系统数据记录单元在重庆现场实际运用过程中，系统稳定性高，增强了段方检修工作人员故障检测和诊断的能力，提高了故障定位的准确性。

参考文献

[1]李砺工，吴涛，王延超.基于CANopen协议的城轨车辆网络控制系统设计与实现.铁道机车与动车.2014.（3）.

[2]杨冬.北京地铁6号线西延线列车控制及监控系统测试分析.铁道机车与动车.2018.（3）