高速列车运行状态实时监测系统设计 (2).docx

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1、高速列车运行状态实时监测系统设计摘要在高速列车运输向着重载化和高速化方向发展的同时。应用于机车车辆的状态监测系统也在飞速发展1。由于高速列车是一种十分复杂的大型机电设备，而且其运行环境也非常复杂。目前虽然国内已经开发了不少用于机车车辆的状态监测系统，但在运行实践中能正常发挥效应的较少，对高速列车运行状态的实时监测难以实现。笔者导师领导的课题组在总结了已运营系统的不足之后设计开发了高速列车运行状态监测系统。该系统从数据分析到硬件结构都与之前的系统有了根本性的区别，能够很好的对高速列车进行状态监测。本文是以此项目为依托而完成的，在该项目中笔者主要对于高速列车运行状态时的系统监测进行了设计和开发。关

2、键词：高速列车；监测系统；设计开发目录一、高速列车运行状态监测研究的意义3二、系统运行控制与实时数据管理方法研究3（一）系统实时运行管理与监测控制4（二）基于主机控制的多监测装置工作方式4三、基于RS422总线的实时监测数据传输5四、系统运行控制与实时数据管理方法研究6（一）系统实时运行管理与监测控制6（二）基于主机控制的多监测装置工作方式7(三）数据维护与管理7四、实时监测数据的管理方法研究8（一）数据管理方法分析8（二）高速列车运行状态监测的数据管理方法10五、总结与展望11引言高铁运行安全风险源识别、研判、防控，是确保高铁运行安全的重要技术支撑。从高铁综合检测、牵引供电检测监测、通信信号

3、监测预警、列车运行状态监控、线路基础设施监测及环境与灾害监测预警等方面2，全面介绍我国高铁运行安全检测、监测与监控关键技术，提出要不断完善高铁安全技术体系建设，增强科技保高铁运行安全的能力。一、高速列车运行状态监测研究的意义在我国乃至国外，铁路都是国家基础设施的重要组成部分，而高速列车作为铁路运送旅客和运输物资的极其重要的载体，其良好的运行状况对高速列车的安全运行起着至关重要的作用3。在高速列车的使用过程中，由于对高速列车的运行状态不能很好地监测以及维护不良等因素的影响，高速列车故障的产生时有发生，为了对故障进行诊断和维修，保证高速列车能够安全、可靠、有效、正常地运行，需要花费很高的维护和维修

4、费用，很大程度上加大了铁路的运营经费，由此在经济方面为国家带来了极大的浪费和损失。为了能够更好地对高速列车上的机械设备进行维护、维修，在高速列车运行中使其能够更加高效可靠地运转，保证高速列车的行车安全，我们就应该及时、准确地掌握高速列车故障的状态、产生的部位和原因以及各设备和部件的使用情况，由此对高速列车进行状态监测具有非常重要的意义。高速列车作为重要的交通工具，在我国国民经济和社会发展中发挥着重要的作用4。与其他的机械电子设备相比，其具有以下特点：（1）高速列车在运行过程中所处的环境灰尘较多，环境较差，温度不稳定。（2）将高速列车作为一个整体的系统进行研究具有相当大的难度，主要是因为其作为一

5、种非常大型的复杂机械电子设备，设备自身非常复杂，而且能够将火车高速列车安全装置、制动装置、主传动装置、辅助传动装置、控制系统、显示记录系统、检测系统等很多不同的装置和系统集于一体，当其在运行过程中，由于运动所带来的震动对高速列车的冲击较大。（3）高速列车的电气系统由各种控制电路和电气设备组成，其中包括主电路系统、控制电路系统以及辅助电路系统，而许多设备和装置在运行过程中都需要很大的电流和电压，由此产生较大的功率，如果不能很好地解决相关变流装置中的电磁兼容问题，则会产生较大的干扰。二、系统运行控制与实时数据管理方法研究高速列车运行的环境是十分复杂的，所以车载监测设备能否经受得住这种环境的考验，就

6、需要对高速列车运行状态监测系统的每一个部分进行实时监测，确保系统能安全可靠地运行和工作5。监测系统工作状态就是主机的任务之一，通过设计自检电路来监测主机本身的通信模块、电源模块以及存储模块的工作状态。而对接线装置和显示器部分则通过发送自检命令和接受返回值来判断其工作状况。（一）系统实时运行管理与监测控制总线是指一组进行互连和传输信息指令、数据和地址的信号线。总线的基本特性是不允许挂在总线上的多个部件同时向总线发出信息但是允许挂在总线上的多个部件同时从总线上接收信息6。RS422总线接口作为多点、差分数据传输的电气规范，现已成为业界应用较为广泛的标准通信接口之一。RS422标准只对接口的电气特性

7、做出了规定，而不涉及接插件、电缆或协议，因此，用户可在此基础上建立自己的高层通信协议。高速列车运行状态监测系统采用一主多从的方式工作，基于RS-422总线制定了相应的通信协议，在物理层上定义了传送速率从300bit/s到57600bit/s范围可设置、数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位，累加和校验。通信中的数据除特别说明外均为16进制码。链路层上定义了数据发送接收的帧格式，包括帧头帧尾的同步字、收发地址、命令字、数据字长以及数据内容。系统中各个部分都是严格按照协议的规定设计程序，通过判断收发地址和命令字可保证每个设备之间不会出现相互干扰。当所有设备都是以高阻态形式连接在

8、总线上的时候就表明总线处于空闲状态。当主机向监测装置发送命令的时候，总线由主机驱动，发送通信协议规定的内容，其他连接在总线上处于高阻态的设备通过地址识别是否接受数据，即如果收到与自己地址相符合的信息时就能够接收到数据。主机发送完控制命令后将总线让出，等待监测装置返回应答和数据。如果需要向显示器发送数据的时候同样先驱动总线，发送显示器的地址和数据，发送完成后置高阻态，等待接收应答。（二）基于主机控制的多监测装置工作方式系统主机和接线装置是采用一主多从的方式工作的，通过主机发送相应的命令使监测装置开始工作。但是接线装置收到命令并完成相应的工作的时候会回传数据给主机，多个接线装置都向总线上发送数据的

9、话势必会使总线瘫痪。如果采用一对一的传输方式即主机箱指定的接线装置发送命令并等待接收数据，这样在等待的过程中就会浪费大量的时间。这两个问题是相互矛盾的，要解决这个问题也是从这个矛盾体中寻找折中点。系统有若干个检测装置的时候，首先向监测装置1、2发送监测命令，等待接收监测装置1的返回数据，当接收完1号监测装置数据的时候首先向3号接线装置发送监测命令，然后接收2号装置的数据，以此类推。这样就可以保证总线上只有一个接线装置回传的数据的同时又使其它接线装置不空闲。三、基于RS422总线的实时监测数据传输RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。实际上还有一根信号

10、地线，共5根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点7。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）8。RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反

11、比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422需要一匹配电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需匹配电阻，即一般在300米以下不需匹配电阻。匹配电阻接在传输电缆的最远端。高速列车运行状态监测系统中监测装置和显示器都是从机。当总线空闲即其他器件都以高阻态形式连接在总线上，且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信

12、，将总线让出（输出变为高阻态）。四、系统运行控制与实时数据管理方法研究高速列车运行的环境是十分复杂的，所以车载监测设备能否经受得住这种环境的考验，就需要对高速列车运行状态监测系统的每一个部分进行实时监测，确保系统能安全可靠地运行和工作9。监测系统工作状态就是主机的任务之一，通过设计自检电路来监测主机本身的通信模块、电源模块以及存储模块的工作状态。而对接线装置和显示器部分则通过发送自检命令和接受返回值来判断其工作状况。（一）系统实时运行管理与监测控制总线是指一组进行互连和传输信息指令、数据和地址的信号线。总线的基本特性是不允许挂在总线上的多个部件同时向总线发出信息但是允许挂在总线上的多个部件同时

13、从总线上接收信息10。RS422总线接口作为多点、差分数据传输的电气规范，现已成为业界应用较为广泛的标准通信接口之一。RS422标准只对接口的电气特性做出了规定，而不涉及接插件、电缆或协议，因此，用户可在此基础上建立自己的高层通信协议。高速列车运行状态监测系统采用一主多从的方式工作，基于RS-422总线制定了相应的通信协议，在物理层上定义了传送速率从300bit/s到57600bit/s范围可设置、数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位，累加和校验。通信中的数据除特别说明外均为16进制码。链路层上定义了数据发送接收的帧格式，包括帧头帧尾的同步字、收发地址、命令字、数据字长以

14、及数据内容。系统中各个部分都是严格按照协议的规定设计程序，通过判断收发地址和命令字可保证每个设备之间不会出现相互干扰。当所有设备都是以高阻态形式连接在总线上的时候就表明总线处于空闲状态。当主机向监测装置发送命令的时候，总线由主机驱动，发送通信协议规定的内容，其他连接在总线上处于高阻态的设备通过地址识别是否接受数据，即如果收到与自己地址相符合的信息时就能够接收到数据11。主机发送完控制命令后将总线让出，等待监测装置返回应答和数据。如果需要向显示器发送数据的时候同样先驱动总线，发送显示器的地址和数据，发送完成后置高阻态，等待接收应答。（二）基于主机控制的多监测装置工作方式系统主机和接线装置是采用一

15、主多从的方式工作的，通过主机发送相应的命令使监测装置开始工作。但是接线装置收到命令并完成相应的工作的时候会回传数据给主机，多个接线装置都向总线上发送数据的话势必会使总线瘫痪。如果采用一对一的传输方式即主机箱指定的接线装置发送命令并等待接收数据，这样在等待的过程中就会浪费大量的时间。这两个问题是相互矛盾的，要解决这个问题也是从这个矛盾体中寻找折中点。系统有若干个检测装置的时候，首先向监测装置1、2发送监测命令，等待接收监测装置1的返回数据，当接收完1号监测装置数据的时候首先向3号接线装置发送监测命令，然后接收2号装置的数据，以此类推。这样就可以保证总线上只有一个接线装置回传的数据的同时又使其它接

16、线装置不空闲。(三）数据维护与管理原始数据的保存和管理对高速列车运行状态监测系统乃至整个故障诊断行业来说都是十分重要的。原始数据可以帮我们还原和分析高速列车的整个运行过程。本文中的原始数据包括在线监测系统采集到的经 A/D 采样后的得到的温度信号、振动信号、诊断结果等。整个高速列车运行过程中接线装置采集到的数据量是巨大的，而所需数据的完整性和系统存储设备的存储容量是相互矛盾的12。我们希望原始数据越完整就对高速列车运行状态的分析越完善，但系统局限了设备的存储容量，并不能对所有数据都做到完整保存，这就需要提出相应的数据管理机制和替换原则，以保证最大限度的存储有用数据。本文提出了两种数据管理机制，

17、是将系统接线装置经过采集和处理过的数据按测点建立文件，每个测点建立一个文件，文件中规定了精密档案的数量；是将系统接线装置经过采集和处理过的数据按精密档案条数建立文件，每个测点保存固定数目的文件。两种方法各有利弊，方法一优点在于系统建立的文件数量比较少，保障了系统流畅的运行。不足之处在于主控芯片内存严格限制了精密档案的数量，即数据的相对完整性不能保证。方法二就可以解决方法一中的不足，但是采用多文件的形式会影响系统的流畅运行或可能致使系统瘫痪。具体的比较与应用将在第三章中详细讲述。高速列车运行状态监测系统所采集的原始数据对高速列车的故障诊断有着十分重要的意义，为了便于地面人员分析高速列车运行的状态

18、，必须对数据进行转储和备份。高速列车运行状态监测系统的存储部分有内置的 TF 卡和可插拔的 SD 卡。内置存储卡用于保存高速列车运行过程中接线装置所返回的故障诊断结果即精密档案和各个测点的温度及 DB 值等即简易档案。这些数据是十分重要和宝贵的，为防止系统发生意外而使数据丢失，就需要将这些数据同步转储到可插拔的存储卡中作为备份，这样也方便用地面软件作进一步的分析。当外部存储卡由于某种元因而无法读取数据时，就需要上微机软件直接从主机上读取这些数据文件。高速列车运行状态监测系统主机部分设计了 USB 主从接口，设计主接口是为了用 U 盘直接从系统主机上拷取文件，从接口是方便系统维护仪和上位机对主机

19、进行操作和从主机上读取数据文件13。 四、实时监测数据的管理方法研究（一）数据管理方法分析数据管理是利用计算机硬件和软件技术对数据进行有效的收集、存储、处理和应用的过程14。其目的在于充分有效地发挥数据的作用。实现数据有效管理的关键是数据组织。随着计算机技术的发展，数据管理经历了人工管理、文件系统、数据库系统三个发展阶段。人工管理阶段的主要特征是：(1)数据不保存。由于当时计算机主要用于科学计算，一般不需要将数据长期保存，只是在计算某一课题时将数据输入，用完就撤走。不仅对用户数据如此处置，对系统软件有时也是这样。(2)应用程序管理数据。数据需要由应用程序自己设计、说明和管理，没有相应的软件系统

20、负责数据的管理工作。(3)数据不具有共享性。对于面向应用程序的数据而言，一组数据所对应的程序是唯一的，所以会产生大量的冗余程序。(4)数据不是相互独立的。当数据结构有所变化的话，编程的时候就需要对已编好的程序进行一定的修改，这样在很大程度上加大了工作量，使编程更加复杂。对数据采用文件系统进行管理有以下几方面的原因：(1)数据可保存的时间较长。因为在很多方面要对数据进行分析和处理，因此在外存上对数据进行长久地保持不仅能够对其进行重复的查找、使用，而且能够较方便地对其进行插入和修改等。(2)对数据采用文件系统进行管理也存在缺点，主要表现在不能够很好地对数据进行共享，并且所产生的冗余度较大。在文件系

21、统中，每个文件和其相应的程序基本上是一一对应的，即文件仍然是面向应用的。对于应用程序并不相同，但其中有的数据是一样的时候，对于这种情况也需创立其自身的文件，而不是对一致的数据进行共享，这样不仅增大了数据的冗余度，而且在一定程度上造成了数据存储空间的浪费。不仅如此，基于对同样的数据的反复存储、分别管理，这样对数据进行分析和处理就会有一定的难度。(3)将数据结构创建在数据库系统中，能够有效地说明数据之间的相互关系，不仅有利于对数据进行查找、修改、增加以及删除，而且能够使数据更加准确，使其更加安全、独立和完整，一定程度上降低了冗余度，从而使数据更具有共享性以及对其进行管理的效率更高。具体业务所需求的

22、比较直观读数据比如流程、表单、数据项、算法等这些数据对象是传统数据管理所侧重的。而对流程，表单、数据项、算法等应用对象的数据能够通过标准化的手段进行描述是面向应用的数据管理和传统的数据管理方式所不同和改进的地方，还包括能反映运行状态的日志以及存储各种不同类型数据变化结果的档案等等并不是直接面向业务的数据，通过这些改进可以更加完整和个性化的实现对不同的应用业务需求的数据变化过程的管理。FAT作为文件的分配表格，主要作用是将文件所处的位置记载下来，它的存在非常有利于硬盘的使用，如果一个文件的FAT丢失了，则直接会影响到硬盘上的相关数据，会出现由于不能够很好地定位而产生不可以使用的现象15。我们可以

23、根据其所记录的二进制位数的不同，将其分为以下三种：分别是FAT12、FAT16、FAT32。FAT 在划分磁盘的空间的时候主要是以固定个数的扇区作为单位进行的。FAT 将磁盘空间按一定数目的扇区为单位进行划分，这样的单位称为簇。原则上每扇区512字节的数据通常情况下不变的。簇的大小一般是2n(n为整数)个扇区的大小。（二）高速列车运行状态监测的数据管理方法任何文件系统中的数据分为数据和元数据。我们把普通文件中的实际数据称为数据，而把能描述文件属性的系统数据称作元数据，比如文件数据块的分布信息、文件的所有者以及是否对该文件具有访问权限等等。如果用户要对某个文件进行操作，必须首先得到它的集中了该文

24、件在存储卡上的位置信息以及存储卡在文件系统中的位置信息的元数据，才能在系统中找到该文件并打开查看文件的内容和相关属性。元数据管理一般分为两种方式。分别是集中式管理和分布式管理。如果系统中有一个数据节点专门负责元数据的管理，我们把这种管理方式称为集中式管理，即该节点存储设备上存储的是所有的元数据。如果客户对部分文件需要进行相应的处理，就要对管理该数据文件的元数据管理器申请元数据。如果将元数据存放在系统的任意节点，并且可以随机迁移的管理方法称之为分布式管理。这种管理方法把对元数据管理的职责也分布到了各个不同的节点上。大部分数集群文件系统都运用的是集中式的元数据管理方式。这主要是因为集中式管理实现容

25、易，整个系统的一致性维护简单易行，而且可以保证在一定的操作频繁度内可以提供较满意的性能。但是当我们经常反复性的读取数据时，集中的元数据管理的缺点将成为整个系统的性能瓶颈，即若单一元数据存储节点服务器失效，整个系统将无法正常工作。分布式元数据管理方法就可以很好的解决集中式管理的单一失效点问题， 而且性能不会随着操作的相对频繁而出现瓶颈。但是分布式元数据管理方法实现复杂，一致性维护复杂，对性能有一定影响。分布式元数据管理的实现有多种方式。高速列车运行状态监测系统主机管理数据文件时采用的是元数据的完全分布式管理，系统的任何节点都可以是元数据或者数据，而且任意节点都能做到对元数据进行管理。在元数据的完

26、全分布式管理中，通过一定的算法对元数据可以进行冗余分片，这样就可以保证随时的增删节点不会对这个系统数据的完整性造成影响。这样元数据的高可用和元数据服务器的高扩展都得以保障。系统上位机部分则采用数据库管理的方式对文件进行管理。数据库管理技术是指为了确保数据库系统安全可靠的保存用户的数据和方便用户查找相关数据资料，而对其进行相关操作的技术，包括建立数据文件、对原始数据的存储、修改和查找等。库管理的内容主要包括以下几点：数据库结构的优化、重组、重构、数据库的安全管控、报错纠错问题以及处理分析过程、数据库数据的日常备份。五、总结与展望论文分析和研究了高速列车状态监测系统的实时数据管理方法以及监测主机的

27、设计和实现，系统通过监测主机发送命令来控制监测装置工作状态、显示器显示内容等，通过 USB 转储数据到地面软件做进一步分析处理。 高速列车运行状态监测系统是以 RS-422 总线为基础，采用一主多从的方式工作运行的。监测主机采用 ARM型单片机 STM32F207VG 为控制核心，监测装置采用了 TI 公司高性能的数字信号处理芯片 TMS320C6726 为核心的硬件系统。本文首先讲解了高速列车运行状态监测系统的整体结构与各模块的功能：接线装置模块主要负责采集故障信息；主机模块负责信息的管理以及数据的转存；司机显示器则实时显示系统监测诊断结果，并给与相应提示。接下来对主机的功能做了详细的说明。

28、主机的功能主要体现在两方面：一是对高速列车运行状态监测系统进行整体控制盒监测。二是对实时数据进行管理和维护，论文中笔者完成了基于总线式系统的多装置数据传输方式研究和大量数据保存管理方法的研究。依据主机所要完成的功能设计了主机的硬件部分，并调试完成了其软件开发。参考文献1马立乾. 列车运行状态监测系统数据管理与主机研发D. 湖南科技大学, 2013.2何华. 高铁运行安全检测与监控关键技术分析J. 工程技术:文摘版, 2016(11):00203-00203.3张铭. 高速铁路旅客列车开行方案编制方法研究D. 西南交通大学, 2012.4陈永. 基于高可信无线通信的列车流形式化建模与仿真D. 兰

29、州交通大学, 2014.5吴晓凡. 面向高速列车车载监测的传感网络体系结构研究D. 浙江大学, 2015.6于晓娜, 王建敏, 王怀江. 基于多功能车辆总线(MVB)的消息数据传输协议J. 铁路通信信号工程技术, 2017, 14(1).7沈细荣. Rs422接口回路测试治具: CN, CN 103675568 AP. 2014.8崔婧. 多通道模数数据混合采集装置的设计及实现D. 中北大学, 2014.9吴晓凡. 面向高速列车车载监测的传感网络体系结构研究D. 浙江大学, 2015.10于晓娜, 王建敏, 王怀江. 基于多功能车辆总线(MVB)的消息数据传输协议J. 铁路通信信号工程技术, 2017, 14(1).11于华章, 陆舟. USB设备识别主机Windows操作系统版本类型的方法:, CN 101957807 BP. 2012.12赵慧昌. 振动信号分析仪数据采集策略研究及实施D. 西安工业大学, 2014.13马立乾. 列车运行状态监测系统数据管理与主机研发D. 湖南科技大学, 2013.14郭黎敏. 交通网络受限的移动对象位置信息管理关键技术研究D. 中国科学院研究生院, 2012.15李奇阳. FAT文件系统元数据合理性检测的研究D. 北京理工大学, 2016.