列车巡检智能管理系统的设计

铁路运输是我国各种运输方式中的主力，实现铁路列车在途信息实时管理是列车必然的发展方向。铁路信息化发展趋势是掌握列车运行中内部的各种信息，如列车车厢运行状态、列车温度、载重程度、列车湿度等。铁路运输具有分布地域广、实时性信息要求精确度高等特点。列车巡检智能管理系统的引入将大大提高在途列车信息的实时性、准确性，从而提高列车管理部门的管理水平和工作效率。

1 系统功能及组成

列车运行时无法与车站控制台实现实时通信，车站控制台不能得到列车运行时的信息，给车站管理人员带来了极大的不便。巡检管理系统采用巡更技术，可以记录列车运行时的信息，并通过GPRS网络传输，将信息发送至车站控制台，从而实现实时通信，提高控制台的管理能力。巡检智能管理系统的结构如图1，检测设备对列车进行定时检测，并将检测结果传输至巡更系统中的信息纽扣中，巡更员使用巡更棒获取信息，再发送至车站控制台。

图1 系统结构

2 系统硬件设计

2．1 检测设备

检测设备由重量传感器、温度传感器、湿度传感器、测速传感器4部分组成。

    2．1．1 重量传感器：将压力形变测重传感器安装在车体与行走部之间，传感器将重力转化为电压，经放大及过滤处理后，传输至信息钮扣。
    2．1．2 温度传感器：温度传感器采用热电偶式设计。热电偶由2种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套，使用方便。将2种不同材料的导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的2个执着点I和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个电流，传输至信息钮扣。
    2．1．3 湿度传感器：湿度传感器主要由湿敏电容和转换电路2部分组成。湿敏电容由玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极4部分组成。2个下电极与湿敏材料、上电极构成2个电容串联连接。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化：当环境相对湿度增大时，湿敏电容随之增大；反之减小。传感器转换电路把湿敏电容变化量转换成电压变化，对应于相对湿度0～100％RH的变化，传感器的输出呈0～1 V的线性变化，并传输至信息钮扣。
    2．1．4 测速传感器：在机车车轴上安装激光发射及感应装置，在轮对相应的位置上安装反射镜，通过计算列车运行时车轮每秒转次W，从而根据V=W·2π·R 计算出列车运行速度，其中r为轮对半径。

2．2 巡更系统

该系统由信息钮扣(iButton)、巡更棒、通信座、列车长专用PC(系统管理软件)4部分组成，如图1。在每个巡更点设置一个信息钮扣，信息钮扣中存储了该点的检测设备的检测信息；巡更员手持不锈钢巡更棒，到达巡更点时只需用巡更棒接触嵌在车上的信息钮扣，就可以把到达该巡更点的时间、检测信息等数据自动记录在巡更棒上。巡更员完成巡更后，把巡更棒插入通信座，将所有巡更记录传送到列车长专用PC，系统管理软件立即显示出该巡更员巡更的路线、到达每个巡更点的时间和名称及漏查的巡更点，并按照要求生成巡更报告。

2．2．1 信息钮扣

信息钮扣是一个直径为16 mm左右的微型计算机晶片，具有双向通信功能，数据传输使用独特的单总线协议。信息钮扣一端通过数据线与检测设备连接，另一端接地。信息钮扣同巡更棒的信息传输仅需短暂接触即可完成，最高传输速率可达126 kb／s。在信息钮扣晶片上刻有8位数字，为其独一无二的编号，使用激光工艺，可永久保留，并加保护层，使其不可更改、伪造。信息钮扣的关键部件硅晶片被封装在不锈钢防护壳中，这使它具有超强的抗冲击、防腐蚀、防静电、防水、防磨擦、防干扰等性能，极大地提高数据的安全性，延长了信息钮扣的使用寿命。信息钮扣工作黄金温度为-o～+55℃。硅晶片内部使用先进的防静电电路，使其能承受6 000 V的静电而确保硬件本身及保存数据完好无损。

2．2．2 巡更棒

巡更棒是对巡更员及巡更过程进行记录和管理的工具。采用嵌入式技术，可存储2 000条巡更记录，内置实时时钟和个人身份信息。该巡更棒像普通手持电筒，在握把处设计了2个按钮，颜色分别为红、绿2种标准色。正常情况，按下绿色按钮，巡更棒处于休眠状态；按下红色按钮，读取巡更信息。巡更棒采用大容量充电电池供电，要求体积尽可能小，便于携带，所以要选择功耗小、体积小、集成度高的器件。巡更棒使用DS1302时钟芯片作为系统时钟。该芯片通过程序设定和提供年、月、日、时、分、秒、星期等时间参数，有2个电源，一主一备，备用电源可接锂电池，对电池进行充电。当主电源断开时，可自动切换备用电源而保证时间数据不丢失。巡更棒工作电压范围5～215 V，具有简单的总线串行接口，本系统采用9 V电池供电，通过LM293l稳压至5 V工作电压。当输入端LM降至513 V时，输出端仍有5 V，其性能远优于LM7805。巡更棒的信息最终要传给列车长专用PC进行管理。由于列车长专用PC采用RS232协议，在此设计了通讯座，将RS232电平转换成TrL电平，使用89C205l的串行通讯功能与列车长专用PC交换数据。

2．2．3 通信座

通信座实现巡更棒和列车长专用PC的互连，进行各种设置操作和数据通讯，具体包括：将巡更棒中的数据上传至列车长专用PC，清空巡更棒中的数据，设置巡更棒的内部时问和设置巡更棒读取同一信息钮扣的最小时间间隔等。通信座还可以实现巡更棒的电量测量，提示用户及时充电或更换电池。通信座在通电、通讯和测电状态下均有LED灯进行状态指示。和通信座配套的还有一个36 V交流到5 V直流的电源转换器和可以直接插入列车专用电源的36 v、50 Hz的电源，为通信座充电，以及一根串口通讯线，用手通信座与列车长专用PC的串口通讯。

2．2．4 列车长专用PC

列车长专用PC为笔记本电脑，装有列车巡检系统软件，并带有2个RS232串口：第1个RS232串口连接通信座，实现巡更棒与PC之问的数据传输；第2个RS232串口与无线上网模块(该模块具有断点续传功能)相连，通过移动公司GPRS网络，将信息传输至移动公司中的服务器。

2．3 控制台系统

控制台系统由GPRS服务器和车站控制台2部分组成。

2．3．1 GPRS服务器：该服务器安放在移动公司中，接收由GPRS网络传输过来的信息，在服务器中保存并通过铁路专用网传输至车站控制台，功能是实现GPRS网络与铁路专用网之间的通信。
　　2．3．2 车站控制台：车站控制台电脑中安装巡检系统后，接收GPRS服务器传输的数据。控制台操作员仅需输入列车车次，便可查询该列车长最后一次发出的信息，同时也可查阅列车长此前发出的信息。

3 系统软件设计

本系统操作软件分为列车长版本和控制台版本2种。

3．1 列车长版本

该版本主要特点是接受巡更棒传输的信息，通过GPRS模块将该信息传输出去。系统读取巡更棒中信息后，将各项信息显示在主界面中，如图2。界面中还设置“应急报告”版块，列车长将途中的突发事件及不安全隐患记录在该板块，最后连同其他信息一同发送至控制台。该版本除“应急报告”版块为手写输入外，其余信息均来自巡更棒，不可改动．

图2 列车巡检智能管理系统系统界面(列车长版本)

3．2 控制台版本

该版本与列车长版本界面基本相似，但由于其功能仅是查询各项信息，所以缺少图2中“发送”、“取消”及“重新录入”3个功能键，并将“发送”功能键改为“查询”功能键。该版本中的“车次”、“列车长”可手写输入，方便查询。

4 结束语

科学技术的发展，已使铁路再次成为朝阳工业。以高技术武装起来的新一代铁路技术，可以实现高速度、高效率、高可靠性和低成本。将巡更系统与GPRS无线网络传输融为一体的在途巡检系统，为铁路管理系统提供了信息技术支持。

作者简介：户国(1983-) 林松原人，兰州交通大学自动化与电气工程学院 硕士研究生，主要从事交通信息工程及控制研究

参考文献：
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　　[3] 金玉兰。电子巡更系统设计[D]。延吉：延边大学，2006。
　　[4] 王明衍，杨寅华，智能化巡回检查管理系统。上海工程技术大学学报，2004(4)：336—338。