摘 要：隨著軌道交通不斷發(fā)展, 地鐵車輛投入逐年遞增, 運營中的地鐵列車的性能、安全等問題引起國內(nèi)外的地鐵車輛運營商的高度重視, 在地鐵車輛上安裝地鐵車輛運營記錄儀成為非常必要, 文章介紹一種新技術(shù)——非接觸式檢測方式, 并應(yīng)用于目前的國內(nèi)地鐵車輛。 關(guān)鍵詞：地鐵車輛; 霍爾傳感器; 非接觸式檢測; 記錄儀 1 概述 由于各地鐵車輛的設(shè)計企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和制造工藝的不同, 加上生產(chǎn)年代的差異, 對地鐵車輛和地鐵系統(tǒng)來講,相互之間的電磁干擾是不可避免的。干擾嚴(yán)重時將會引起地鐵車輛故障和事故, 造成一定的經(jīng)濟損失。同時對地鐵車輛本身的機電、信號設(shè)備來講, 由于受自然環(huán)境變化的影響, 設(shè)備中元器件的質(zhì)量和老化現(xiàn)象, 同樣會引起地鐵車輛的故障。此外還有人為的操作不當(dāng)所引起的地鐵車輛故障和事故。所有這些故障的發(fā)生, 我們都需要通過一個完整的、實時的地鐵車輛運營記錄儀, 對地鐵車輛運營狀態(tài)進行科學(xué)的分析和取證, 從而得出合理的、正確的結(jié)論。特別是重大事故發(fā)生后, 地鐵車輛運營記錄儀具有一定的法律上的參考價值 （ 需經(jīng)過有關(guān)權(quán)威機構(gòu)認(rèn)定） , 它能比較全面地記錄車輛運營的有關(guān)信息, 比如在20 h 內(nèi), 對列車所有曾經(jīng)觸發(fā)過的狀態(tài)及連續(xù)變化過程中參數(shù)的記錄。 現(xiàn)在國內(nèi)正在運營中的地鐵列車, 基本上都沒有安裝地鐵車輛運營記錄儀, 一旦地鐵車輛發(fā)生重要故障和事故, 司機可執(zhí)行緊急事件按鈕（ 緊急蘑菇按鈕） 。這時有關(guān)主要信息便“永久”記錄在地鐵車輛的計算機控制單元的內(nèi)存中。其存儲的信息是簡短的、部分的、前后幾分鐘內(nèi)的記錄, 而無法記錄完整的有關(guān)列車的數(shù)據(jù), 如司機當(dāng)時的工作情況: 手動操作位置、各類按鈕、指示燈、斷路器、開關(guān)和設(shè)備的 I/O 等, 這樣給故障和事故的分析帶來一定的困難。目前國內(nèi)外的地鐵車輛運營商對此非常重視, 認(rèn)為在地鐵車輛上安裝地鐵車輛運營記錄儀有助于提高科學(xué)化管理水平, 正確評估地鐵車輛設(shè)備的性能和事故發(fā)生的真實原因。 在國外, 地鐵車輛上安裝運營記錄儀是 20 世紀(jì) 90 年代才提出的新概念。據(jù)報道 1999 年國際電氣電子工程師協(xié)會在有關(guān)技術(shù)文件中專門對地鐵車輛運營記錄儀進行描述, 如德國專家 W .Jochim 建議運營記錄儀應(yīng)記錄以下4 類數(shù)據(jù): （ 1） 相應(yīng)信號系統(tǒng)的車載設(shè)備的現(xiàn)狀, 如: 設(shè)備是否接通、故障情況等。 （ 2） 相應(yīng)列車的現(xiàn)狀, 如: 使用哪個司機操縱臺、換班時間等。 （ 3） 列車運營的實時信息, 如: 時間、行駛路程、速度等。 （ 4） 操作和監(jiān)控過程的有關(guān)信息, 如: 車門開關(guān)、常用制動、緊急制動等。 針對這些建議, 有關(guān)國家的工程技術(shù)人員開始對這方面進行研究。例如德國 DEVAT 公司設(shè)計的 KW R6 運營記錄儀, 是基于新車輛的開發(fā), 采用網(wǎng)絡(luò)原理對車輛的各個信號進行采集, 在軟件和硬件的開發(fā)成本上比較大,不適用已有車輛的改造方案。 在國內(nèi), 無論新設(shè)計的車輛還是正在使用的車輛都沒有應(yīng)用先例, 本設(shè)計方案的提出是一種是經(jīng)過研究的大膽設(shè)想, 在與北京西瑪宏儀器儀表有限公司和上海展驥科技發(fā)展有限公司的共同研討下, 并且經(jīng)過試驗證明了它的可行性, 所開發(fā)車輛運營記錄儀具有實用性和經(jīng)濟性。 2 車輛運營記錄儀的設(shè)計 一般通用記錄儀所采集的參數(shù)為: 電壓、電流、壓力、溫度等等, 其中需采集的電壓、電流比較多, 它們采用互感器單元測量法（ 只能測量 50 H z的正弦交流電） 和分流器單元測量法（ 被測量信號無法隔離） 。利用這些傳感器無論在測量精度, 中、高頻率和響應(yīng)時間等性能方面已不能滿足當(dāng)今更高的電子測量技術(shù)要求, 比如: 測量 0￣100 H z的交 /直流電壓、電流信號和開關(guān)信號以及任何波形。如果我們要在現(xiàn)有的設(shè)備（ 如地鐵車輛、工業(yè)逆變器等） 上更新或改造, 采用傳統(tǒng)的測量方法是絕對不可能的（ 每個被測信號需要裝、拆, 改動被測信號的導(dǎo)線） , 這樣的項目改造風(fēng)險性非常大。所以我們必須應(yīng)用先進的測量方法, 在滿足設(shè)計和需要的測量要求外, 還必須具備無風(fēng)險性, 并達到技術(shù)可靠性要求。我們利用數(shù)字化 ID編碼技術(shù)、先進的功率半導(dǎo)體電子器件和計算機硬、軟件相結(jié)合, 來開發(fā)本系統(tǒng)。 2.1 設(shè)計原理 根據(jù)電磁場學(xué)原理, 當(dāng)導(dǎo)線中通過交、直流的電流時, 其周圍產(chǎn)生交變、永恒的電磁場, 電磁場的大小與流過的電流成正比。利用電磁場的變化, 我們可以檢測到電流和電壓的變化量。 2.1.1 霍爾傳感器的選用 GUN3033 霍爾傳感器芯片, 具有優(yōu)越的電性能, 是能與被測主電路回路隔離的新一代電子控制電路檢測元件, 綜合了傳統(tǒng)傳感器的所有優(yōu)點。它不但可以測量交、直流的信號, 而且可以測量瞬間的峰值信號, 過載能力強, 測量范圍大, 特別是對大電流的監(jiān)控和檢測具有安全可靠性。其廣泛應(yīng)用在工業(yè)中的逆變器、醫(yī)用交流變頻器和車輛檢測、接近檢測等領(lǐng)域。 2.1.2 編譯碼器的選用 UM 3758108 編譯一體化的收發(fā)芯片, 作為數(shù)字通信接口, 具有遠距離（ 可達數(shù)千米） 的通信特性, 可以進行點對多點的信息傳輸, 可靠性高, 抗干擾性強, 廣泛應(yīng)用在國防通信和工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。其最大的特點是: 收發(fā)模塊之間的通信可以不采用軟件協(xié)議來完成傳輸信息,最大尋址能力為 1 024, 從而實現(xiàn) 1 024 個監(jiān)控點, 節(jié)約了上下機之間的軟件、硬件開發(fā)成本。 2.2 數(shù)字采集器設(shè)計 H W -1 型數(shù)字采集器采用相同的 UM 3758108 編譯一體化的收發(fā)芯片, 利用 CD4520 二進制計數(shù)器產(chǎn)生 BCD編碼對 UM 3758108 進行周期性變化其地址, 尋址 1 024個不同的 ID 傳感器, 同時對計算機進行時鐘控制, 達到地址和時鐘的同步。 2.3 ID 傳感器的設(shè)計 我們將 GUN3033 霍爾傳感器芯片、UM 3758108 編譯收發(fā)芯片和 IC 進行模塊化設(shè)計, 開發(fā)了模擬 ID 傳感器和數(shù)字 ID 傳感器, 模擬 ID 傳感器采用 A/D 轉(zhuǎn)換器, 數(shù)字ID 傳感器采用編譯器。如圖 1 所示, 分別對模擬信號和開關(guān)信號進行自動檢測, 使它們的輸出量控制在: 電壓5 V, 電流 20 m A。對于被檢測的信號源要求是: ±6 Gs的電場強度和 5 m A 以上的電流。 2.4 系統(tǒng)設(shè)計方案 利用 ID 傳感器、H W -1 型數(shù)字采集器和手提 PC 組成的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖 2 所示。這是主要應(yīng)用在現(xiàn)有地鐵列車的改造方案, 與網(wǎng)絡(luò)式設(shè)計有比較大的區(qū)別,網(wǎng)絡(luò)式設(shè)計成本高。而本設(shè)計成本相對比較低, 安全性、可靠性比較高, 經(jīng)過調(diào)試, 基本滿足設(shè)計要求, 同時可以應(yīng)用到其它領(lǐng)域。 通過各類傳感器（ 電壓、電流、壓力、溫度等） 輸出的模擬信號或數(shù)字信號 , 進入 H W -1 型數(shù)字采集器。 ID傳感器與 H W -1 型數(shù)字采集器中間通過三芯屏蔽線 （ 正極、負(fù)極、D 數(shù)字線） , 其傳輸距離達到 1 km 以上, 傳輸著每個 ID 傳感器的地址碼和數(shù)據(jù)。其中 ACSII碼中的“A”到“Z”字符用于開關(guān)信號的傳輸,“0”到“9”字符用于模擬信號的傳輸。然后由串行接口 RS232 傳輸?shù)绞痔嵊嬎銠C（ 用戶可以自備） 中。用戶使用本系統(tǒng)可以完成檢測100 個設(shè)備運行工作點的情況, 例如:地鐵車輛運營記錄檢測各種設(shè)備 I/O 運行工作點, 可記錄長達一周的數(shù)據(jù),系統(tǒng)操作非常方便。本項目特為上海地鐵車輛設(shè)計, 同時又能滿足其他用戶需求。 2.5 軟件設(shè)計 軟件的開發(fā)平臺為 W in98 系統(tǒng), 采用 VB6 編程中的通信控件, 專門開發(fā)了 ActiveX 控件。它能完成 ASCII碼變成二進制碼的顯示, 并保存為動態(tài)數(shù)據(jù)庫文件庫（ M etro.db） , 可用于分析每個信號的特性, 如: 某一個IC-01 編碼器的 7 個開關(guān)信號（ ID01 到 ID07） 在某一時刻輸入值為“1000001”,（“1”表示高電平, “0”表示低電平） ,結(jié)果在應(yīng)用軟件的窗口中顯示出“A”的字符。假如我們要分析 ID01 傳感器在 5 s內(nèi)顯示的情況, 如圖 3 所示 , 應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)接收窗口顯示“ADFF3”5 個字符, 我們分析 ID01傳感器的前 4 個開關(guān)信號和后 1 個模擬信號的各個電平高或低, 通過圖形軟件顯示出它們的曲線圖。 3 項目應(yīng)用簡介 如圖 4 所示, 地鐵車輛運營記錄儀可以檢測各個信號, 如位置、按鈕、指示燈、開關(guān)和設(shè)備的 I/O 等。首先確定不同地址的 ID 傳感器的檢測性質(zhì)（ 數(shù)字 /模擬） , 便于H W -1 型數(shù)字采集器的尋址和數(shù)據(jù)的傳輸, 然后開始工作, 將信息發(fā)送到 PC 機內(nèi), 由 PC 機的應(yīng)用軟件完成數(shù)據(jù)的存儲, 并建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫。 4 結(jié)束語 地鐵車輛運營記錄儀的系統(tǒng)設(shè)計方案具有獨特性和創(chuàng)造性。目前國內(nèi)對于運營記錄儀的開發(fā)還處于初級階段, 對于設(shè)計要求各有自己的特色和方法, 沒有標(biāo)準(zhǔn)可參照。對于地鐵車輛運營記錄儀, 其設(shè)計必須滿足車輛運營的要求和工作的可靠性以及性價比, 逐步完善運營記錄儀的各個參數(shù), 最終使用戶得到滿意。所以地鐵車輛運營記錄儀的市場前景無限。