《地铁列车节点电压信号采集记录系统设计》
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摘 要：我国地铁发展越来越迅速.为获取地铁列车节点电路的电压,记录故障发生前、中、后的电压变化,捕捉故障信号,精准定位故障原因和事故责任划分,设计了地铁列车节点信号电压采集记录系统.该系统具有自动采集节点电压信号、实时显示电压曲线图,以及计算该时段的电压最大值和后台存储电压数据的功能.介绍了该系统的硬件电路和软件程序设计.其硬件电路由电源电路、主控单元、电压信号采集单元、接口电路、时钟模块、SD（加密设备）存储单元和复位电路组成.在软件方面,单片机将采集的电压信号转换传输给PC（个人电脑）机,最终在PC机上实现加载电压曲线图和计算最大电压值的功能.
关键词：地铁列车节点 电压信号 采集记录系统设计
节点电路在列车运营过程中用于车辆命令的传输及反馈,其性能的好坏直接影响地铁运行的稳定性.为了提高地铁的运营质量,对地铁车辆节点电路进行监测是必不可少的环节.在对地铁检修维护过程中,传统上仅是对节点电路连接线缆紧固性、外观等情况进行检查,且节点电路根据不同的用途,采用压接工艺及端子也有所不同,车辆在抖动状态下连接可靠性不能持续跟踪判定.列车运行中,若出现节点信号丢失的偶发故障,会对列车运行可靠性带来很大的影响.对于不同节点电路的性能检测和数据记录,目前并没有任何的检修手段.地铁列车上所运用的节点电路会因为所处的位置不同而存在连接差异,给地铁运营造成一定的安全隐患,所以,设计一个能够实时跟踪检测不同状态下的节点电路信号监测系统是十分必要的.本文所介绍的多通道信号检测系统主要运用于对地铁列车节点电路性能状态的实时检测及数据记录,以用于后期数据解析来判定故障情况.
1整体设计思路
1.1系统组成
地铁列车节点电压信号采集记录系统由节点电压采集记录装置和数据分析软件两部分组成.节点电压采集记录装置体积小,可自由固定安装在列车上,其输入为列车控制系统节点电压信号,數据分析软件安装在PC（个人电脑）机上,用于查看和分析数据.
1.2系统功能
①电压记录功能.列车绝大部分系统的诊断周期大于100ms.为方便截取列车检测节点的电压值,保证读取数据的可靠性,在此设定节点电压采集装置的采集周期为66ms,对节点电压信号进行采集和存储.②在线监测功能.节点电压采集装置通过RS232串口通信接口将信号传输到PC机,可在PC机上实时查看、分析节点电压波形.③实时存储功能.节点电压信号自动存储到SD（加密设备）卡相应文件内,以文件开始记录时间命名,持续记录时长为3年.4）数据分析功能.数据分析软件能显示不同时刻所对应的电压曲线图,自动分析计算出该时段的电压最大值.
2地铁信号系统
城市地铁是一个封闭、完整的交通系统,地铁网调度指挥系统需要根据地铁列车发出的信号计算列车运行速度、运行间隔时间,并通过各种信号对地铁运行进行指挥、调度、控制.地铁列车长则要通过接收到的信号,控制列车平稳、高速运行.目前,地铁信号系统大多采用ATC系统（列车自动控制系统）.ATC系统又由列车自动防护系统（ATP系统）、列车自动驾驶系统（ATO系统）组成.ATP系统可实时检测地铁列车的位置,实现列车间隔控制保证列车之间的安全;ATO系统可启动列车并实现站际间自动运行,控制地铁列车到站后定点停车;ATS系统可自动识别列车,对列车运行进行自动跟踪和显示,自动调整列车运行.
3地铁列车节点电压信号采集记录系统设计优化措施
3.1智能分析预警内容
地铁列车车载信号数据采集及智能预警系统对采集到的历史故障信息数据进行聚类,建立数据及故障预警模型,根据建立的预警模型,一方面对采集到的关键数据状态量变化和数字量突变进行智能报警,另一方面实现故障的预警.
3.2信号机安装施工
信号机一般安装在隧道内、地铁站台上、站内左右两侧壁上.若信号机位于隧道内碎石道床,可采用混凝土基础;若信号机靠近隧道壁,可采用角钢型三角支架底座.安装信号机时,必须保证机柱的垂直度.在安装信号机前,信号专业应与其它各专业充分沟通,运用BIM技术,对各种设备及信号机的安装位置进行综合、精细的布置,保证信号机安装的角度便于司机目视.
3.3铺设线缆
在铺设线缆前,技术人员必须深入施工现场,仔细考察光电缆径路,确保光电缆设计径路、设计长度符合实际情况（若光电缆设计径路与实际径路不符,或光电缆图纸长度过长,必须要求设计人员进行修正）.光电缆进场前,必须按照相关规范进行严格测试,确保光电缆电气性能达标.当前,地铁隧道内的弱电支架通常分为5层,第1～2层供通信使用,第3～4层供信号使用,第5层供火灾报警、综合监控等使用.区间弱电支架一般为矩形或弧形.地铁接触网须安装坠铊,技术人员在为弱电支架定测时需联系接触网专业,确定坠铊的具体位置并制作特殊支架.制作弧形弱电支架前,须对施工现场的实际弧度进行精准测量.光电缆数量较多,排布在两层上会显得拥挤,因此,在信号设备比较集中的站台区,可适当增加弱电支架的层数.
3.4故障预警模型建立方法
故障预警评估模型是采用三层BP神经网络,提取与故障密切相关的特征参数,通过谱聚类算法得到不同故障的聚类结果,为原始样本数据加入类别标签即原始特征数据新加入一列,以新构造的特征向量作为BP神经网络的输入层训练向量.根据BP神经网络建立分类器构建故障预警评估模型,隐含层采用最常用的Sigmoidal函数作为激励函数,该函数的非线性特性使得网络具有任意精度的泛函逼近能力,通过MATLAB工具箱训练BP神经网络,把剩余的数据样本作为测试集,对训练完毕的BP神经网络进行测试以验证模型的准确性.当构建好故障预警评估模型之后,对于新的数据样本,根据本模型评估当前是否需要进行故障预警.
4结语
本文所述的地铁列车节点信号电压采集记录系统可实时采集任意节点的电压情况,并记录和分析电压数据,从而达到评估地铁节点电压信号状态的目的.根据测试情况,可对节点电压信号不稳定的原因进行排查,及时消除故障隐患,获取故障时刻节点电压信号情况,及时分析故障原因,研究解决措施,从而提高了地铁列车设备的可靠性和稳定性,保障了地铁的运营安全.该套地铁列车节点信号电压采集记录系统已在广州地铁投入使用,系统运行稳定,数据记录精准,安全可靠,操作方便,制作成本低.采用该系统后,检修人员加深了对节点电路和设备工作状态的了解,并能针对发现的异常问题提出解决措施,提升了设备质量.
参考文献：
[1]王英.地铁信号安装工程质量缺陷分析及防治措施研究[J].现代城市轨道交通,2019（02）：10-13.
（作者单位：成都地铁运营有限公司）
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系统设计和地铁引用文献:
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