一种机车运用状态实时监测系统
阅读：975发布：2023-01-24
专利汇可以提供一种机车运用状态实时监测系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提出一种 机车 运用状态实时监测系统，包括车载子系统和地面子系统，车载子系统通过GSM/GPRS公网与地面子系统之间进行数据通讯。应用本实用新型的系统，可以实现机车运用状态的实时监测，及时地掌握和分析机车 质量 状态，更好地处理突发故障。，下面是一种机车运用状态实时监测系统专利的具体信息内容。
1.一种机车运用状态实时监测系统，包括车载子系统和地面子系统， 其特征在于，车载子系统通过GSM/GPRS公网与地面子系统之间进行数 据通讯。
2.如权利要求1所述的机车运用状态实时监测系统，其特征在于，所述 数据通讯的频率至少为6秒钟一次。
3.如权利要求1所述的机车运用状态实时监测系统，其特征在于，车载 子系统包括多个数据采集模块，一个数据存储和发送模块；多个数据采集模 块通过CAN总线和数据存储和发送模块进行数据通讯；数据存储和发送模 块和地面子系统进行数据通讯。
4.如权利要求3所述的机车运用状态实时监测系统，其特征在于，所述 数据存储和发送模块的存储部分为500MB以上的CF卡。
5.如权利要求3或4所述的机车运用状态实时监测系统，其特征在于， 所述数据存储和发送模块的传输部分为SMS/GPRS无线传输系统。
6.如权利要求3或4所述的机车运用状态实时监测系统，其特征在于， 所述数据采集模块为以内含AD转换器的单片机为核心构成带CAN总线 接口的嵌入式数据采集模块。
7.如权利要求1-4之一所述的机车运用状态实时监测系统，其特征在 于，地面子系统包括一个数据接收模块，一个数据库和多个数据分析专家系 统；数据接收模块和车载子系统进行数据通讯。
技术领域
本实用新型涉及一种机车运用状态实时监测系统，应用于机车运行动 态质量及运行信息的数据采集、传输、存储与分析的平台。
背景技术
目前在机车运行过程中，机车与地面机务专业部门之间的联络非常困难， 信息传输效率非常低，不适应铁路高速重载的要求，也不适应建设数字化铁 路的发展要求。
运行中的机车只能依靠乘务员来监控掌握处于运行状态的机车质量状 况，而且机车上出现的质量问题和故障情况不能实时地记录下来。运行监控 器仅针对机车的运行信息进行记录，机车质量在运行过程中只能通过乘务员 的“人工监控”。当出现故障后，只能依靠事后的现场和乘务员对机车情况的 报告进行分析，缺乏必要的可靠数据，难以准确地判断故障发生的原因。“机 车运用状态实时监测系统”就是通过与现有的机车运行监控器结合，记录运 用机车的质量信息，并将其存储下来，实时发送到地面。地面专业技术人员 可以及时地掌握和分析机车质量状态，对一些突发故障也能及时决策相关应 急处理建议，给予乘务员指导意见。国内铁路系统最新的机车运行实时监 控系统是利用GPS定位技术、通信技术和微机网络技术。它仅采集机车 大部件的质量信息，当机车运行出现异常情况或故障时，才将相关的信息 和数据打包发送给机务段的地面系统。采集的数据不全面，而且通讯方式 落后，实时性较差。
因此，有必要设计一种新的实时监测系统，使机务部门地面技术人员 能够实时掌握机车的运行状态信息，并通过专家系统或技术人员的分析， 为机车乘务员提供准确可行的解决措施。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种机车运用状态实时监测系统，该实用 新型目的可以通过下述技术方案来实现：
一种机车运用状态实时监测系统，包括车载子系统和地面子系统，其 中车载子系统通过GSM/GPRS公网与地面子系统之间进行数据通讯。
优选地，所述数据通讯的频率至少为6秒钟一次。该所述数据通讯的 频率与机车运用情况和通讯质量相关。
优选地，车载子系统包括多个数据采集模块，一个数据存储和发送模 块；多个数据采集模块通过CAN总线和数据存储和发送模块进行数据通讯； 数据存储和发送模块和地面子系统进行数据通讯。各个模块之间互不影 响，提高了整个系统的可靠性；模块的更换也变得简单方便，大大提高了 系统的可维护性。
优选地，所述数据存储和发送模块的存储部分为500MB以上的CF 卡。使用大容量的CF卡来构造车载子系统的数据存储模块，可以存储至 少24小时内的采集数据。如果机车运行过程中出现通讯故障，可以将所 有数据通过CF卡转储到地面系统。
优选地，所述数据存储和发送模块的传输部分为SMS/GPRS无线传 输系统。该传输系统在中国移动通讯公用网覆盖的地域均可使用，无需架 设专用网，大大减少了组网成本，提高了通讯的可靠性和简化了设计难度。
优选地，所述数据采集模块为以内含AD转换器的单片机为核心构成 带CAN总线接口的嵌入式数据采集模块。该嵌入式数据采集模块，可以 采集多路模拟电压电流信号或多路开关量信号。数据采集模块的参数设置 可以由其它模块通过CAN总线进行，也可以使用预设的参数。数据模块 的采集无需其它模块的干预，由于使用了嵌入式系统，整个数据采集模块 的体积小，抗干扰能力强。
优选地，地面子系统包括一个数据接收模块，一个数据库和多个数据分 析专家系统；数据接收模块和车载子系统进行数据通讯。根据专家系统的设 定对数据进行分析，最后将分析处理结果进行分层次显示，可以实时地反 映机车运用状态和初步实现部分机车故障的实时诊断和定位。
总之，应用本实用新型的系统，可以实现机车运用状态的实时监测， 及时地掌握和分析机车质量状态，更好的处理突发故障。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1为本实用新型的机车运用状态实时监测系统示意图；
图2为本实用新型的系统功能框架图；
图3为分布式数据采集处理模式；
图4为数据采集模块的结构框图；
运行中的机车只能依靠乘务员来监控掌握处于运行状态的机车质量状 况，而且机车上出现的质量问题和故障情况不能实时地记录下来。运行监控 器仅针对机车的运行信息进行记录，机车质量在运行过程中只能通过乘务员 的“人工监控”。当出现故障后，只能依靠事后的现场和乘务员对机车情况的 报告进行分析，缺乏必要的可靠数据，难以准确地判断故障发生的原因。“机 车运用状态实时监测系统”就是通过与现有的机车运行监控器结合，记录运 用机车的质量信息，并将其存储下来，实时发送到地面。地面专业技术人员 可以及时地掌握和分析机车质量状态，对一些突发故障也能及时决策相关应 急处理建议，给予乘务员指导意见。国内铁路系统最新的机车运行实时监 控系统是利用GPS定位技术、通信技术和微机网络技术。它仅采集机车 大部件的质量信息，当机车运行出现异常情况或故障时，才将相关的信息 和数据打包发送给机务段的地面系统。采集的数据不全面，而且通讯方式 落后，实时性较差。
因此，有必要设计一种新的实时监测系统，使机务部门地面技术人员 能够实时掌握机车的运行状态信息，并通过专家系统或技术人员的分析， 为机车乘务员提供准确可行的解决措施。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种机车运用状态实时监测系统，该实用 新型目的可以通过下述技术方案来实现：
一种机车运用状态实时监测系统，包括车载子系统和地面子系统，其 中车载子系统通过GSM/GPRS公网与地面子系统之间进行数据通讯。
优选地，所述数据通讯的频率至少为6秒钟一次。该所述数据通讯的 频率与机车运用情况和通讯质量相关。
优选地，车载子系统包括多个数据采集模块，一个数据存储和发送模 块；多个数据采集模块通过CAN总线和数据存储和发送模块进行数据通讯； 数据存储和发送模块和地面子系统进行数据通讯。各个模块之间互不影 响，提高了整个系统的可靠性；模块的更换也变得简单方便，大大提高了 系统的可维护性。
优选地，所述数据存储和发送模块的存储部分为500MB以上的CF 卡。使用大容量的CF卡来构造车载子系统的数据存储模块，可以存储至 少24小时内的采集数据。如果机车运行过程中出现通讯故障，可以将所 有数据通过CF卡转储到地面系统。
优选地，所述数据存储和发送模块的传输部分为SMS/GPRS无线传 输系统。该传输系统在中国移动通讯公用网覆盖的地域均可使用，无需架 设专用网，大大减少了组网成本，提高了通讯的可靠性和简化了设计难度。
优选地，所述数据采集模块为以内含AD转换器的单片机为核心构成 带CAN总线接口的嵌入式数据采集模块。该嵌入式数据采集模块，可以 采集多路模拟电压电流信号或多路开关量信号。数据采集模块的参数设置 可以由其它模块通过CAN总线进行，也可以使用预设的参数。数据模块 的采集无需其它模块的干预，由于使用了嵌入式系统，整个数据采集模块 的体积小，抗干扰能力强。
优选地，地面子系统包括一个数据接收模块，一个数据库和多个数据分 析专家系统；数据接收模块和车载子系统进行数据通讯。根据专家系统的设 定对数据进行分析，最后将分析处理结果进行分层次显示，可以实时地反 映机车运用状态和初步实现部分机车故障的实时诊断和定位。
总之，应用本实用新型的系统，可以实现机车运用状态的实时监测， 及时地掌握和分析机车质量状态，更好的处理突发故障。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1为本实用新型的机车运用状态实时监测系统示意图；
图2为本实用新型的系统功能框架图；
图3为分布式数据采集处理模式；
图4为数据采集模块的结构框图；
具体实施方式
从图1和图2可以看出，本系统主要分为车载子系统和地面子系统两 大部分。车载子系统由数据采集模块、数据存储及发送模块，各个模块之 间用CAN总线连接。数据发送采用GPRS终端来完成数据通讯，波特率 最高可达115.2Kbps。数据采集模块的采样精度为12位，采样速率高于 50Hz。地面子系统由数据接收模块，数据库和数据分析模块构成。数据接 收模块和车上部分的数据发送模块一样都采用GPRS终端，由计算机读取 GPRS终端接收到的数据并存储到数据库中。数据分析模块根据数据库中 的数据完成监控参数曲线绘制、故障实时分析诊断、部件病历管理及寿命 预测、机车病历管理等功能。地面子系统的软件平台为Windows 2000+SQL Server2000，软件开发工具为Delphi6.0。
参考图3，每一个数据采集模块只负责一路信号或较少的几路信号， 数据模块之间通过总线进行通讯。由于一个数据采集模块只负责一路或较 少的几路信号，所以数据采集的速度可以很高，可以容易地达到实时要求。 同时这种方式体现了模块化的设计思想，可以将几个相同类型的信号共用 一个数据采集模块，对于不同类型的信号只需要更改前置电路，大大降低 了设计难度，也便于系统扩展。
参考图4，数据采集模块的三个组成部分：前置部分、数据采集处理 部分以及数据通信部分。数据采集模块内部结构同样也是采用模块化方式 进行设计，前置部分是对欲采集的信号进行隔离、整形、放大或分压等处 理，使前置部分出来的信号符合数据采集处理部分的要求。前置部分和数 据采集处理部分及数据采集处理部分与数据通信部分之间都通过规格化 的数据接口进行连接。这样使数据采集处理部分设计就与被采集信号无 关，只要符合数据接口的电气规范就可以；数据采集处理部分的数据传输 和具体的总线无关，只需将待发送的数据封装为标准格式的数据包送到数 据通信部分，再由通信模块将数据封装为具体总线上对应的数据包再发送 到总线上。这样即降低了设计的难度，又提高了设备的通用性，使整个系 统的灵活性大为提高，同时维护也更加方便，快捷。
前置部分是根据信号的类型以及信号的大小，采用合适的电路对被采 集信号进行隔离、放大、保持、分压等处理，输出一个符合数据采集处理 部分要求的信号给后续模块，同时需要将量程信息传递给后续模块。前置 电路时要保证输出信号与对被采样信号保持一致，同时对被采样信号的影 响要在允许的范围内。
当被采集信号是开关量时，通过光偶隔离后再通过单片机IO口进行 读取。
当被采样信号是数字量时，直接进行读取，但是如果被读取信号的驱 动能力太弱还需要加上放大电路以便单片机进行读取。
当被采样信号时模拟量时，根据模拟量的类型进行不同处理。为了防 止电网电压或电磁干扰损坏测量回路，在输入通道中采用隔离放大器。根 据输入的电压信号的的大小，进行放大或分压以便输出信号的大小符合数 据采集处理部分中AD转换器的要求。采用测试放大电路来对差值信号进 行放大，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配；输入失调电压和输入 失调电流及输入偏置电流小，漂移小，稳定性好。
数据采集处理部分是对前置部分输出的信号进行AD转换，根据转换 结果和量程信息得出正确的信号值。然后根据信号的不同，对信号进行定 标、正常与否的判断、亚采样等处理，然后将数据送到数据通信部分的发 送缓冲存储器中。
数据采集处理部分由AD转换芯片、单片机以及必要的外围器件构成。 选择AD1674作为数据采集模块的AD转换芯片，满足了对于转换速度和 转换精度的要求。采用西门子C166系列单片机来构建车载子系统的各个 模块，该单片机的时钟频率高，指令功能强和具有高速可靠的通信接口满 足了车上部分采样速度快的要求并具有对数据进行预处理的能力，车载子 系统各个模块之间的通信要求能满足实时性的要求。
采用CAN总线来连接车载子系统的各个模块。该总线技术成熟，运 用范围广，开发难度低，另外单片机自身带有CAN总线控制器也可以很 好地利用，能够满足本应用中数据量较大，对通信速率和可靠性高的要求。
采用GPRS数据传输业务作为系统的无线数据通信方式。有如下优 点：标准化程度高，接口开放，联网能力强；支持点到点双向的GPRS数 据业务；保密、安全性能好，具有鉴别、加密功能；价格便宜，无须基本 投资。
采用容量为256MB的CF卡，最多可以存储24小时的数据量，完全 可以满足实际需要。CF卡具有体积小、兼容性强、价格相对低廉等诸多 优点。
数据接收模块采用和数据发送模块相同的GPRS通信终端，通过串口 和计算机相连接。由于GPRS模块与计算机的接口为串口，为了提高计算 机的处理能力，可以通过扩展计算机的串口来实现对多台机车监控系统控 制。本系统是一台机车使用一套系统，一套系统包含一个GPRS模块，一 台计算机最多可以控制64台机车实时监测系统。
采用SQL Server2000作为服务器，对机车运用状态实时监测的数据存 储到数据库中，进行进一步处理。符合本系统的数据量较小的要求，在小 型运用中性价比较高。
地面子系统的软件平台为WINDOWS2000操作系统，编程语言为 DELPHI6.0，采用windows标准界面作为人机对话界面，操作简单，使用 方便。地面子系统根据接收到的采集数据进行分析、判断、生成报表、曲 线。所有数据都存储在数据库中，可以随时回放、查阅。由于本系统数据 采集量大、采集速度高，用多线程的方法实现各个分析模块，各个模块直 接挂入进程，增强了系统的可靠性，同时大大缩短了开发周期，充分发挥 了操作系统的资源优势。
参考表1，系统能够从SS4B机车中采集到表中所列的与机车运行状 态相关的信息，目前每台机车采集的信号点共计140个。
应用本实用新型的系统，可以实现机车运用状态的实时监测，及时地 掌握和分析机车质量状态，更好的处理突发故障，具有广泛的经济效益和 社会效益。
表1 机车状态实时监测系统采集的机车信号一览表 序号 信号采 集处所 采集信号 信号 类型 信号点 数量 1 LKJ-93 当前时间、公里标、运行速度、机车 号、车次、车种、区段号、车站号、司机 号、副司机号、列车编组、列车管压力 数字量 12 2 机车端子柜 电网电压、司机手柄位置、主回路电 机电压、电机电流、励磁电流、辅助回路 电压、非节车制动缸压力 模拟量 13 主故障显 示屏各信 号 前节车、预备、主断、原 边过流、主接地、劈相机1、劈 相机2、辅助回路、电制动、零 位、欠压、励磁过流、牵引电 机、空转、功补、控制回路接 地、后节车等 开关量 32 辅故障显 示屏各信 号 前节车、主接地1、主接 地2、牵引电机1、牵引电机2、 牵引电机3、牵引电机4、辅接 地、牵引风机1、牵引风机2、 制动风机1、制动风机2、压缩 机、油泵、变压器风机、辅过 流、后节车等 开关量 32 3 轴温总线 机车环境温度、轴温 数字量 50 4 主变压器 主变压器油温 数字量 1 信号点数量共计(单节车) 140
参考图3，每一个数据采集模块只负责一路信号或较少的几路信号， 数据模块之间通过总线进行通讯。由于一个数据采集模块只负责一路或较 少的几路信号，所以数据采集的速度可以很高，可以容易地达到实时要求。 同时这种方式体现了模块化的设计思想，可以将几个相同类型的信号共用 一个数据采集模块，对于不同类型的信号只需要更改前置电路，大大降低 了设计难度，也便于系统扩展。
参考图4，数据采集模块的三个组成部分：前置部分、数据采集处理 部分以及数据通信部分。数据采集模块内部结构同样也是采用模块化方式 进行设计，前置部分是对欲采集的信号进行隔离、整形、放大或分压等处 理，使前置部分出来的信号符合数据采集处理部分的要求。前置部分和数 据采集处理部分及数据采集处理部分与数据通信部分之间都通过规格化 的数据接口进行连接。这样使数据采集处理部分设计就与被采集信号无 关，只要符合数据接口的电气规范就可以；数据采集处理部分的数据传输 和具体的总线无关，只需将待发送的数据封装为标准格式的数据包送到数 据通信部分，再由通信模块将数据封装为具体总线上对应的数据包再发送 到总线上。这样即降低了设计的难度，又提高了设备的通用性，使整个系 统的灵活性大为提高，同时维护也更加方便，快捷。
前置部分是根据信号的类型以及信号的大小，采用合适的电路对被采 集信号进行隔离、放大、保持、分压等处理，输出一个符合数据采集处理 部分要求的信号给后续模块，同时需要将量程信息传递给后续模块。前置 电路时要保证输出信号与对被采样信号保持一致，同时对被采样信号的影 响要在允许的范围内。
当被采集信号是开关量时，通过光偶隔离后再通过单片机IO口进行 读取。
当被采样信号是数字量时，直接进行读取，但是如果被读取信号的驱 动能力太弱还需要加上放大电路以便单片机进行读取。
当被采样信号时模拟量时，根据模拟量的类型进行不同处理。为了防 止电网电压或电磁干扰损坏测量回路，在输入通道中采用隔离放大器。根 据输入的电压信号的的大小，进行放大或分压以便输出信号的大小符合数 据采集处理部分中AD转换器的要求。采用测试放大电路来对差值信号进 行放大，它的输入阻抗高，易于与各种信号源匹配；输入失调电压和输入 失调电流及输入偏置电流小，漂移小，稳定性好。
数据采集处理部分是对前置部分输出的信号进行AD转换，根据转换 结果和量程信息得出正确的信号值。然后根据信号的不同，对信号进行定 标、正常与否的判断、亚采样等处理，然后将数据送到数据通信部分的发 送缓冲存储器中。
数据采集处理部分由AD转换芯片、单片机以及必要的外围器件构成。 选择AD1674作为数据采集模块的AD转换芯片，满足了对于转换速度和 转换精度的要求。采用西门子C166系列单片机来构建车载子系统的各个 模块，该单片机的时钟频率高，指令功能强和具有高速可靠的通信接口满 足了车上部分采样速度快的要求并具有对数据进行预处理的能力，车载子 系统各个模块之间的通信要求能满足实时性的要求。
采用CAN总线来连接车载子系统的各个模块。该总线技术成熟，运 用范围广，开发难度低，另外单片机自身带有CAN总线控制器也可以很 好地利用，能够满足本应用中数据量较大，对通信速率和可靠性高的要求。
采用GPRS数据传输业务作为系统的无线数据通信方式。有如下优 点：标准化程度高，接口开放，联网能力强；支持点到点双向的GPRS数 据业务；保密、安全性能好，具有鉴别、加密功能；价格便宜，无须基本 投资。
采用容量为256MB的CF卡，最多可以存储24小时的数据量，完全 可以满足实际需要。CF卡具有体积小、兼容性强、价格相对低廉等诸多 优点。
数据接收模块采用和数据发送模块相同的GPRS通信终端，通过串口 和计算机相连接。由于GPRS模块与计算机的接口为串口，为了提高计算 机的处理能力，可以通过扩展计算机的串口来实现对多台机车监控系统控 制。本系统是一台机车使用一套系统，一套系统包含一个GPRS模块，一 台计算机最多可以控制64台机车实时监测系统。
采用SQL Server2000作为服务器，对机车运用状态实时监测的数据存 储到数据库中，进行进一步处理。符合本系统的数据量较小的要求，在小 型运用中性价比较高。
地面子系统的软件平台为WINDOWS2000操作系统，编程语言为 DELPHI6.0，采用windows标准界面作为人机对话界面，操作简单，使用 方便。地面子系统根据接收到的采集数据进行分析、判断、生成报表、曲 线。所有数据都存储在数据库中，可以随时回放、查阅。由于本系统数据 采集量大、采集速度高，用多线程的方法实现各个分析模块，各个模块直 接挂入进程，增强了系统的可靠性，同时大大缩短了开发周期，充分发挥 了操作系统的资源优势。
参考表1，系统能够从SS4B机车中采集到表中所列的与机车运行状 态相关的信息，目前每台机车采集的信号点共计140个。
应用本实用新型的系统，可以实现机车运用状态的实时监测，及时地 掌握和分析机车质量状态，更好的处理突发故障，具有广泛的经济效益和 社会效益。
表1 机车状态实时监测系统采集的机车信号一览表 序号 信号采 集处所 采集信号 信号 类型 信号点 数量 1 LKJ-93 当前时间、公里标、运行速度、机车 号、车次、车种、区段号、车站号、司机 号、副司机号、列车编组、列车管压力 数字量 12 2 机车端子柜 电网电压、司机手柄位置、主回路电 机电压、电机电流、励磁电流、辅助回路 电压、非节车制动缸压力 模拟量 13 主故障显 示屏各信 号 前节车、预备、主断、原 边过流、主接地、劈相机1、劈 相机2、辅助回路、电制动、零 位、欠压、励磁过流、牵引电 机、空转、功补、控制回路接 地、后节车等 开关量 32 辅故障显 示屏各信 号 前节车、主接地1、主接 地2、牵引电机1、牵引电机2、 牵引电机3、牵引电机4、辅接 地、牵引风机1、牵引风机2、 制动风机1、制动风机2、压缩 机、油泵、变压器风机、辅过 流、后节车等 开关量 32 3 轴温总线 机车环境温度、轴温 数字量 50 4 主变压器 主变压器油温 数字量 1 信号点数量共计(单节车) 140
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