（载运工具运用工程专业论文）列车安全监测系统关键技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| li 页 p o w e i f u li nd a t a b a s eh a n d l i n g a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h es o f t w a r es y s t e m ， v e r 主f i c a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h ef u n c t i o n ，q u a l i t ya n dc u s t o m e r s d e m a n d j n go ft h es o f t w a r es y s t e m ( 4 )t h el a s tj o b i st os e tu p r u n n i n gg e a rd i a g n o s i n g m o d e l t h e p e r f o r m a n c eo fr u n n i n gg e a ri sr e l a t e dw i t hc a r s ，r o a dl i n ea n dr u n n i n gs p e e d r e a lf a u l tc a n tb es i m u l a t e d s o ，i t sf a u l td i a g n o s i sm o d e li sb u i l du pb ya u t o m e m o r i z i n go “h ed a t a m a l f u n c t i o nc a nb ed i s t i n g u i s h e db yt h i sw ay f i n a l l y s y s t e m sa p p l i c a t i o na n di t sa p p l i c a t i o n0 u t c o m ea r es u m m a r i z e d f u n h e rw o r kt h a tw i l lb ed o n et oo p t i m i z et h i ss y s t e mi sp o i n t e do u t k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；s a f e t ym o n i t o r i n g ；d a t a b a s es y s t e m ；l o n w o r k s ； r u n n i n gg e a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 铁路行车安全是指在铁路运输过程中，维护铁路正常的运行秩序，保证 旅客及铁路员工生命财产安全，保证运输设备和货物完整性的全部生产活 动。铁路安全不仅关系到每个货主、旅客的生命财产，还关系到铁路的声誉、 经济效益和竞争能力。当铁路运输行车速度较低时，无论是人还是设备都有 比较充裕的能力应付事故或突发的偶然事件，依靠设备的技术条件和维修保 养标准与限度，以及人的操作规程和行为指南，就可以基本保证铁路系统的 安全运转1 1 1 。自提速以来，全路运营的提速客车遇到了各种各样的问题。大 量的客车白天进段而晚上很快的投入运营，开行的过程中速度快、停靠车站 少、连续快速运行的时间长，导致经常出现各种故障。如较常遇到的故障就 有“车辆运行中的轮对故障”、“制动系统故障”、“转向架构架以及中央悬挂 装置的故障”、“车辆蛇行运动”等，这些故障均会影响到车辆的状态。而车 辆状态的恶化将直接危及列车运行安全。在这种情况下，对关乎车辆运行 安全的实时监测具有非常现实的意义。 所以，对车辆运行状态进行实时监测对提高行车安全、提高机车运用质 量和实现机车车辆的状态修都十分必要。大力发展列车运行安全监控系 统，实现对机车车辆动态监控；大力发展地面监测系统，实现对机车车辆运 行品质和运行指标的检测；发展监测、控制和管理决策于一体的安全监控网 络体系等，是我国铁路“十五”发展的熏要目标之一。列车运行状况监测技 术的关键是：如何收集反映列车运行状态的关键技术参数，保证机车车辆的 运行状态等技术参数实时反映给车辆乘务员和相应的设备管理部门【2 1 。 如果能实现固定设备的在线自动监测及故障报警，并在列车与地面之间 建立起无线数据传输通道，将列车状态信息( 车次，车号信息，列车状态监 测数据，列车设备故障信息等) 及时传送给地面，实现远程监控。必然有助 于对列车行车安全的可靠、有效的管理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外列车监测系统应用和发展现状 列车监测系统是指利用车载设备和地面设备对列车运行状态参数进行 实时跟踪检璧；冀丽槲举南览篓熏丽孺港出馥。唰例潲脚怪嚣竹瑟磊j 削 斟劐尉型剽基霎雾；善三錾毳薹霎蚕芦争芤烈藉衔旁毛希南剽爿k 害挺馐暴 露甜羧箍瓣。描环箍离摧偈搿足蹑谨焉盏耀鞠蜷滋理涵絮驯掣美掣! 爱 曼旷r 萎弼 故障判 断与报警、终端界面操作系统，因此在整个系统中具有十分重要的意义。 2 2 4 1 上位机功能 上位机功能结构如图2 2 所示 。 图2 2 上位机结构图 ( 1 ) 界面操作层。系统采用两级管理模式，分别是维护人员管理模式和操作 人员管理模式。操作人员主要指列车司乘人员，可以通过直观、易懂的界面 查看列车巍俣取锍獭诵星湟约氨患嗖馍璞缸 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 速度下测量车辆的脱轨系数、超载、偏载、车门开闭、车轮探伤、车门松动 等运行情况，并具备报警功能，使行车安全始终处于动态监控之中。 此次提速装备的d f l l g 、s s 7 g 、s s 9 等机车和庞巴迪、2 5 t 型客车， 全部装备了列车超速防护和客车轴温报警等安全装置。客车轴温报警仪在轴 温达到警戒值后会自动报警，提醒有关人员及时采取防范措施，确保列车运 行安全。 所以，对列车牵引与制动系统、走行部安全性、与旅客有关的设施如电 茶炉、空调等有关设备进行集中检测，并对检测信息进行统一的管理具有十 分重要的意义。利用g p s 定位系统获取列车运行的有关基本信息，如时间、 公里标、速度等，并以这些信息作为基准坐标进行各种检测信息的记录。不 仅可以及时把机车车辆的运行状态、故障信息等参数实时告知机车乘务员， 通过g s m 网络还可以将这些信息传到地面服务器实现资源的共享。从而提 高了铁路运输效率，减少了事故的发生。 1 3 课题主要任务 本论文是结合江苏海豪智能交通有限公司的项目一列车安全监控系统 开发而选定的。主要任务有： 1 1 对列车监控系统进行调研，了解国内外发展现状及关键技术问题的解 决。 2 1 建立列车监控的数据库系统，并编制数据库查询、维护程序。 3 1 列车监控软件系统设计及功能实现。编制列车监控软件程序，实现系统 的检测、监控及报警功能。 4 1 建立与地面监控程序之间的数据通讯机制，实现数据的无线传输。 5 1 列车监控系统测试、各模块之间的联合调试及运行应用结果分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 态。主要以图、表形式把设备关键信息显示出来，操作人员可以实时、直观 地观察行车过程中各设备参数变化及故障信息，并做出相应的处理。 系统维护人员指车辆维修人员，维护人员操作界面主要完成车辆信息的 更改，参数信息的设置，历史数据和数据变化曲线的查询。通过登陆验证身 份才能进行这些操作。 ( 2 ) 核心处理层。这是上位机的核心功能，实现和下位机、g p r s 、轴温等 单元的数据通讯，启动下位机并接收其它单元的数据，对接收数据进行故障 识别等。 ( 3 ) 数据库层。作为上位机的数据中心，主要完成对系统数据的存储、查 询功能。系统数据包括车辆基本信息、列车设备检测数据、g p s 和陀螺数据 以及其它附加信息。 这样，通过上述三种功能层，就实现了系统的数据通讯及处理、故障识 别与报警、界面操作等功能。同时，采用这种功能结构，各功能模块间互相 隔离，任何功能层的更改不影响其它功能层，便于系统的修改及扩展。例如， 如果更换了系统数据库，对界面操作层不需要做较大修改就可以继续使用系 统。 2 2 4 2 上位机选型 上位机选型时要考虑以下问题，是为实现监测数据实时在线查询和更 新功能，且满足系统运行速度，必须选择合适的系统内存和硬盘。二是上位 机通过r s 2 3 2 与l o n w o r k s ，g p r s 、g p s 、轴温检测单元进行数据通讯， 所以上位机的串口数曩要满足要求。再次，要考虑到安装、使用时的方便， 使用环境( 如振动大) 及可靠性等问题。 上位机采用研华t p c l 2 6 0 触摸屏式工控机，镁铝外壳超薄设计，用于 恶劣振动环境的硬盘套件，有四个串口。运行系统环境是w i n d o w s2 0 0 0 操 作系统。 2 2 5 下位机系统 下位机主要有以下两个功能：一是负责检测设备参数和数据，并对 某些设备的故障进行初步判断；二是响应上位机命令对检测模块进行操作， 并将检测数据上传给上位机。下位机采用p c i 0 4 结构的8 6 系统，运行环 境为d o s 系统。 2 2 6g p s 数据合成板 g p s 全球定位系统( g 1 0 b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国国防部1 9 7 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 年1 1 月授权开始研制的海、陆、空三军共用的美国第二代卫星导航系统。 该系统由2 4 颗卫星在轨运行，可提供高精度、全天候、2 4 小时连续的全球 定位能力，除提供军事用途外还提供民用卫星定位服务，并向全球免费开放 7 l o 它具有定位精度高、定位速度快等优点，因此自开放以来得到了广泛的 应用。系统利用g p s 技术实现列车的高精度定位，将行车信息和行车位置 结合起来，实现设备故障的位置定位；对走行部故障，还可以根据故障位置 查出故障是轮轨引起还是车辆自身引起。 2 2 7g p r s 通信模块 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 技术是通用分组无线业务的简 称。它是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据率。它具有很高的信号覆盖，随着中国移动g p r s 技术的日臻成 熟，地区的覆盖率超过9 0 。另外，它是一种经济高效的分组数据技术，可 以有效的利用稀有的无线资源，计费方式灵活( 数据量或时长) 、能够快速 建立接入、同时可提供g s m 和g p r s 业务1 8 】。 使用g p r s 无线传输技术可以将行车信息及设备数据及时传送到地面服 务器、相关局、路段。实现地面对列车运行的监控。该功能的具体实现方式 在第4 章有详细介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章列车常见故障监测方案 系统进行参数监测的目的是根据监测参数判断设备故障，从而实现行车 的安全诊断。所以，为每个监测设备制定合理科学的故障监测方案，包括选 择监测参数，制定参数获取方式，建立正确的故障识别准则是衡量系统质量 高低、系统可用性的标准之一。而对走行部、制动系统的故障监测是系统监 测重点，对行车安全具有十分重要的意义。 首先根据故障严重程度把故障分为正常、轻微故障、一般严重故障和严 重故障四种故障等级，并用不同的颜色表示不同的故障等级，本章最后有对 故障等级详细说明。列车运行过程中，司乘人员可以通过上位机界面得到故 障发生位置，并根据故障等级做出相应的处理。 3 1 制动系统检测方案 根据目前旅客列车制动方面存在的一些主要问题，经过调研、查阅资 料和制动故障监测专家组的研究讨论，提出了哪些是制动方面的重要问题， 出现这些问题的根源是什么，用什么方式对重点问题进行监测，如何对检测 数据进行分析。 3 1 1 制动系统监测方案的选择 制动系统主要进行监测的故障有： ( 1 ) 自然制动和缓解不良。 目前旅客列车制动系统出现的主要问题是意外抱闸，而自然制动和缓解 不良则是意外抱闸的根源。因此要对制动的自然制动和缓解不良进行监测。 ( 2 ) 折角塞门和支管塞门。 意外的折角塞门和支管塞门一直是铁路的重大隐患，虽然铁道部进行了 很多次公关，但至今没有一种完整的方案。所以对折角塞门和支管塞门状态 进行监测具有非常重要的意义。 ( 3 ) 自然缓解和制动不趣。 在大坡道地区发生自然缓解是很危险的，尤其是自然缓解数量较多时， 极易发生司机无法控制的局面。另外，如果在该制动时出现制动不良，会导 致司机无法停车，严重的造成重大事故。 ( 4 ) 制动缸不制动和不缓解。 在该制动时不制动，该缓解时不缓解会造成比制动不良和缓解不良更严 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 重的事故，因此也需要对这两种制动缸状态进行监测。 根据以上分析，系统采用的监测方案为： 利用两只传感器分别安装在支管塞门的后部和制动缸管路上；另外，在 每个防滑器后部再各安装一只压力继电器，使监测的范围定位至每个制动缸 测点。此种方法具有简单、经济、易行的优点，也可以将故障定位到制动缸。 被检测制动系统采用的空气制动机型号为f 一8 型制动机。制动系统测点 分布如图3 1 所示。 一 4 n 图3 1 制动系统测点分布 用两个压力传感器分别检测制动缸压力和列车管压力，用四个压力继电 器来判断压力制动缸的动作。 3 1 2 制动系统故障识别方案 目前，铁路客车使用的自动空气制动机，具有以下特性： ( 1 ) 定压：5 8 0 k p a 。 ( 2 ) 制动机的稳定性：当列车缓慢泄漏或减压速度小于4 0k p a 分钟时， 制动机不应发生制动作用。 ( 3 ) 常用制动灵敏度：当列车管压强减低速度为1 0 4 0k p a 秒时，制动 机应产生制动作用。 ( 4 ) 紧急制动灵敏度：当列车管压强减低速度为7 0 8 0k p a 秒时，制动 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 值的方差、加速度均方根值的标准差等。统计量数据库u 1 的更新周期暂定 为一年。 3 2 3 走行部常见故障及识别计算规则 经过走行部故障判断专家组的讨论，参考国内对走行部故障检测模型， 最后确定了走行部常见故障及计算识别方法。 3 2 3 1 走行部常见故障 1 位转向架垂向( 横向) 振动异常，2 位转向架垂向( 横向) 振动异常； 1 位转向架横向失稳，2 位转向架横向失稳： 一系悬挂失效，二系悬挂失效： 二系止挡贴靠，一系止挡贴靠； 踏面剥离，其它重要故障。 3 2 3 2 检测物理量 判断上述故障需要检测的物理量如下： 出 垂向加速度a 和垂向冲击加速度d f 。 如 构架加速度n ：构架冲击加速度i ；构架位移d 。俨出。 构架横向加速度口；构架横向位移d2 舻疵。 构架垂向加速度4 ：车体垂向加速度口。 构架横向加速度4 ：车体横向加速度n 。 走行部常见故障及对应的检测物理量如表3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表3 1 走行部常见故障及检测物理量 故障名称检测物理量计算统计量 1 ( 2 ) 位转向架垂 构架垂向加速度各检测物理量的均方根值、方差、3 向振动异常构架垂向冲击加阶原点距和3 阶中心距 速度 1 ( 2 ) 位转向架横 构架横向加速各检测物理量的均方根值、方差、3 向振动异常 度，横向冲击加阶原点距和3 阶中心距 速度，横向位移。 1 ( 2 ) 位转向架横 构架横向加速度 加速度信号自相关系数衰减度，位移 向失稳 构架横向位移信号自相关系数衰减度，加速度功率 谱，位移功率谱 一系悬挂失效构架垂向加速度 加速度信号的均方根值、功率谱，能 量高频段集中系数 二系悬挂失效构架垂向加速度构架垂向加速度均方根值，车体垂向 车体垂向加速度加速度的均方根值，加速度功率谱， 能量低频段集中系数 二系止挡贴靠构架横向加速度构架横向加速度的均方根值，车体横 车体横向加速度向加速度的均方根值，加速度功率谱， 能量低频段集中系数 一系止挡贴靠 构架横向加速度构架横向加速度均方根值，车体横向 车体横向加速度加速度的均方根值冲击加速度 踏面剥离构架垂向加速度 垂向冲击加速度，垂向冲击加速度功 率谱的主要周期成份的频率一，功率 只与列车轮对踏面的特征频率，0 其它故障构架或车体的其各检测物理量的均方根值、方差、3 它物理量 阶原点距和3 阶中心距 3 2 3 3 故障识别方案 列车在同线路上运行，忽略线路对检测数据的影响。实时检测物理量 经式3 1 进行比较，如果该式成立则判为故障。 妒m 九f u l 妇+ 胁f u l 帅 ( 3 1 ) 其中：妒。：一下位机测量计算的检测物理量 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 u m u 1 中同速度级下同一检测物理量的均值 u 。一u - 中同速度级下同一检测物理量的标准差； n ，m ；一故障判定系数。取，l ，= 2 ，m ，；3 。 只要有一个用以判断故障的检测物理量满足上述条件，就认为发生故 障。对不同的检测物理量，可以选用不同的故障判定系数。可通过对试验数 据的分析验证故障判定系数的取值是否合理。 3 2 4 上位机故障报警规则 上位机建立一个故障频数记录数组，每一单元对应一个车辆，该单元存 最近1 0 次检测中出现故障的累计数，下位机有故障上传时，上位机将故障 频数f i 加1 ， i 为第i 节车辆号。上位机根据以下规则报警： ( 1 ) 仅有1 2 个车辆的故障频数记录j t “一n ，则上位机显示第i 节车 辆的故障及其故障类型。川一n 为故障报警阈值。 ( 2 ) 若同时有基本连续的n 节车辆故障频数记录，r 州m ，则上位机显 示线路异常。n 可以取1 0 一1 5 。不连续的判断可以用报警车辆总数除以前后 车辆号之差的和求得，若该数大于，比如，o 8 ，则认为连续，否则认为不 连续。 ( 3 ) 若同时出现基本不连续的大于3 节车辆的故障频数记录，t 纠。一， 则上位机以图示形式显示报警车辆所在的位置，提示司机注意观察故障车辆 的持续性。 3 3 其它设备的检测 除上述两个重要设备外，还有电源、电力连接器、漏电、绝缘系统等设 备需要进行检测。这些设备的监测参数、故障识别方案和监测方式比较简单。 3 3 1 电源系统监测 电源系统监测直接采用山东力创的e d a 9 0 3 3 k 智能三相电参数数据综合 采集模块，检测参数主要有三相电压和三相电流。另外，下位机再根据电压 电流值计算电源系统的功率、 频率和功率因数参数值，最后将数据一起传 给上位机。电源系统出现的主要故障及判别规则如表3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表3 1 电源监测故障 故障类型笋i 别规则 缺相故障三相中其中有一相或两相的电压值 低于5 0 v 三相电流不平衡 上位机( 訾 l o ) 3 3 2 漏电系统监测 采用南京海豪智能交通设备有限公司制作的监测模块对漏电系统进行 监测，主要检测车厢内一些常用设备如电热器( 1 、2 ) 、空调、电茶炉、照 明、回风机等的漏电值，另外还对各检测传感器的状态进行监测。 当漏电值高于设定的漏电标准1 0 0 m a 时，出现漏电报警故障。系统维护 人员可通过上位机界面设置漏电报警界限值。当漏电传感器开路和断路时出 现漏电传感器开路和断路故障。 3 3 3 电力连接器监测 主要检查连接两节车厢的四个电力连接器的u 、v 、w 、n 相温度值及各 温度检测传感器的状态。各个电力连接器的温度传感器分别称为1 位、2 位、 3 位和4 位温度传感器。连接器端头如图3 6 所示。当温度值超过设定标准 2 0 0 时，出现温度传感器报警故障，另外出现的故障是各温度传感器的短 路和温度传感器的断路。 l m ( w ) 7 图3 6 电力连接器端头 3 3 4 绝缘系统监测 使用绝缘监测模块监测4 8 v 电源的正、负线的绝缘值。根据下位机与绝 缘检测模块的通讯约定，如果各线检测值均为4 0 9 5 ，则绝缘良好。其它故 障判别标准如表3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表3 3 列车监测系统常见故障及故障等级 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第4 章列车监测系统网络通讯 4 1 现场总线技术 现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪 表互联的通讯网络，是现场通讯网络与控制系统的集成。它是计算机、通信 技术和控制技术发展的结晶】。 现场总线的重要性正被越来越多的人所重视，根据国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 对现场总线的定义为：现场总线是连接智能现场 设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线 的本质涵义表现在以下6 个方面：现场通信网络、现场设备互联、互操作性、 分散功能块、通信线供电和开放式互联网络。 目前流行的现场总线主要由以下几种：c a n 、【d n w o r k s 、w o 订d f i p 、 f f 。 4 1 1l o n w o r k s 局部控制网络 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 的简称) 是美国e c h e l o n 公司于 1 9 9 1 年3 月推出的技术和产品。 它采用l o n t a l k 通信协议，该协议遵循i s 0 0 s i 全部七层模型。这也是 l o n w 0 r k s 区别于其它现场总线的显著特点。l o n w o r k s 技术的核心是神经元 芯片。l o n w o r k s 现场总线具有如下特点【1 6 】。 ( 1 )l o n w o r k s 技术的基本元件一n e u r o n 芯片，同时具备了通信与控制 功能，并且固化了i s o o s i 的全部七层通信协议，以及3 4 种常见的i o 控 制现象。 ( 2 ) 改善了c s m a ，l o n w o r k s 称之为p r e d i c t i v ep p e r s i s t a n tc s m a 。 这样，在网络负载很重时，不会导致网络瘫痪。 ( 3 ) 网络通信采用了面向对象的设计方法，l o n w o r k s 技术将其称之为 “网络变量”。使网络通信的设计简化成为参数设置。这样，不但节省了大 量的设计工作量，也增加了通信的可靠性。 ( 4 ) 通信的每帧有效字节可以从o 到2 2 8 个字节。 ( 5 ) 通信速度可达1 2 5 胁p s 1 3 0 m 。 ( 6 ) l o n w o r k s 一个测控网络上的节点数可以达到3 2 0 0 0 个。 ( 7 ) 直接通信距离可以达到2 7 0 0 m ( 双绞线，7 8 m b p s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 ( 8 ) 针对不同的通信截至有不同的收发器和路由器。 4 1 2 控制局域网c a n 控制局域网c a n 是一种具有高可靠性、支持分布式控制、实时控制的串 行通信网络。其应用范围很广，从高速网络到低成本、高性能的现场设备之 间的互联。c a n 网络具有如下特点： ( 1 ) c a n b u s 网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节 点发送信息，而不分主从。 ( 2 ) 通讯灵活，可方便地构成多机备份系统及分布式监测、控制系统。 网络上的节点可分成不同的优先级以满足不同的实时要求。 ( 3 ) 采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息时， 优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响 地继续传输数据。 ( 4 ) 具有点对点，一点对多点及全局广播传送接收数据的功能。通讯距 离最远可达l o k m 5 k b p s ，通讯速率最高可达1 m b p s 4 0 m 。 ( 5 ) 网络节点数实际可达l l o 个。每一帧的有效字节数为8 个，这样传 输时间短，受干扰的概率低。 ( 6 ) 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，数据出错率极低，可靠性 极高。通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。表4 1 是几 种现场总线的性能比较【1 7 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 表4 1 几种现场总线的性能比较 总线名称c a n l o n w o r k sw o r l d f i p 特性 应用目标汽车所有 过程控制 0 s i 层 1 。2 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，71 ，2 ， 7 系统控制( 基于命命令两者两者 令或状态) 系统类型总线网络总线 媒介访问 c s m a c rc s m a c a主从，令 牌方式 差错控制 c r cc r cc r c 支持的媒介光纤，双绞光纤，双绞线，动力线，光纤，双 线同轴电缆，红外绞线 寻址方式广播所有广播 最大速率( m b s ) 11 2 52 5 网络管理无 有有 网络互连( 中继无所有网桥 器，网桥，路由器) 4 2 列车监测系统通信网络的选择 4 2 1 检测参数的确定 第3 章中，我们分析了系统的监测设备，各设备常见故障及进行故障臆 测要检测的参数。根据上面的分析，参考业内一些研究成果及专家经验，要 检测的数据参数如表4 2 所示。 其中，电源柜监测、车门监测、空调监测和防滑器监测是系统逐渐要增 加的监测设备，可以先为这些参数预留字节，以后不需要更改通讯协议就可 以直接增加这些监测设备。在监测设备中，无需对电源和车门设备设置参数， 所以不存在参数部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 表4 2 设备检测数据表 数据长度参数长度( b y t e ) 数据段名称 ( b v t e ) 制动系统数据 1 31 1 走行部检测数据 2 1 73 6 电源检测数据 1 8o 漏电检测数据 1 81 2 电源柜温度检测1 1 ( 预留) 8 直流系统绝缘检测 54 车门状态监测器1 0 ( 预留) o 电力连接器温度数据 4 43 2 空调状态数据未定( 预留)未定( 预留) 防滑器数据未定( 预留)未定( 预留) 所有设备数据 3 6 71 0 3 相比设置参数，读取数据传输的数据量更大，单个车厢需要传输的数据 量为3 3 6 个字节，2 0 节车厢要传输的数据量为6 8 0 0 字节左右，再加上数据 传输时的起始位、终止位、功能代码和校验码等大概有6 9 0 0 字节。系统工 作时，上位机每5 秒钟寻检一次，那么下位机至少应该在5 秒内返回数据， 所以通讯网络的最低传输速度应为1 5 k b s ，考虑到下位机响应命令需要一 定反应时间，通讯不正常时命令重发时间以及系统预量等，数据传输速度应 大于5 0k b s 。 4 2 2 列车监测系统通讯通络的建立 l o n w o r k s 具有开放性好、互操作性好、开发过程成本低以及对现场环 境适应能力高等特点。另外，由于使用神经元芯片进行通讯控制，通讯稳定 性好，不需要上位机或下位机控制数据的传输，减少了上、下位机的工作量。 同时，使用“网络变量”使网络通信的设计简化成为参数设置，不但节省 了设计工作量，也增加了通信的可靠性。l o n w o r k s 网络的通讯速度也能达 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 由第3章可知，轴温监测的主要故障就是温度报警和传感器短路、开路。 所以数据部分是每节车厢8个轮轴部位的温度值和外界环境温度值。控制器 显示器显示值得范围为5 5 1 2 5 ，显示1 8 1 时，表示温度传感器开路， 显示1 8 2 表示温度传感器短路。4 4 车厢级通信网络 r s 4 8 5 串行接口的电气标准实际上是r s 4 2 2 的变型，它属于七层0 s l ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，开放系统互连) 模型物理层的协议标准。具 有多点、双向通信能力，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性。由 于性能优异，结构简单、组网容易，r s 4 8 5 总线标准得到了钥簦镌葶逻曩 遭渊； 瓣禚谗黼鼍岩耀堪硅甾矫湛罐静碱鸶甄强拆鲮瓣并繇i 荆磁舔暂晡， 酲稻虹寺瞻鹃薹善蘸i 持续5 秒后制动缸压力仍大于3 5 k p a s ，则认为发生痵，持续5秒后制动缸压力仍大于35kpas，则认为发生缓解不良的故障。 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 第5 章上位机系统软件设计 5 1 上位机软件系统结构 上位机软件系统用面向对象的语言d e l p h i 编写实现。d e l p h i 是b o r l a n d 公司推出的一种可视化的、方便快捷、基于w i n d o w s 的面向对象的应用程 序开发工具，具有高效、优化和可扩展性数据库技术的优点。比vc 简单易 掌握，比vb 功能更强大、更实用。它具有强大的控件功能，提供一个快速 的编译器，优化的编译模式在很大程度上可以提高代码质量。此外，它最突 出的特点就是强大的数据库功能，包括最新的数据分析手段和提供大量的企 业组件，高效率的数据库管理系统和新一代的更先进的数据库引擎。 5 1 1 上位机软件设计的总体要求 ( 1 ) 灵活开放，具有良好的可扩展性和移植性。 ( 2 ) 适应性、可靠性强，并具有良好的可维护性。 ( 3 ) 使用方便，具有方便友好的人机界面，易于掌握和接收。 f 4 1 通用实用性强，具有一定的实际意义。 根据系统的功能要求及用户需求，上位机软件系统主要功能有：系统初 始化，系统设置，数据通讯，数据库设计和建立，数据存储，数据处理，历 史数据库管理和查询，人机界面( 显示与刷新) ，故障判断与报警等相关部 分。软件采用模块化设计，便于扩展和维护，整个上位机系统的软件体系结 构如图5 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 e 跚 蓑境运行撵竹一 上 罔 馘 簿 脚 划 生 蕾 舱 翱 鞴 j h 破 鲁 泡 数撼攫讯 工工。1 ； 与 轴 粕 6 鹣 g 帆 攘 般掂 p 篇 捣 舟琏 h 缝 避 艇通 s 递 汛 试 道 i l i a 围5 1 上位机系统软件体系结构 5 1 2 上位机软件设计内容 n 1 界面设计。 包括设计和编制良好的人机界面，方便系统的使用和管理。根据维护人 员和操作人员两种不同的操作身份编制界面。主要界面包括显示列车运行信 息及设备信息的界面，设置参数和查询数据的界面等。 ( 2 ) 数据管理。 主要负责系统数据的纪录、管理和查询。 设计内容包括数据库模型的建立，数据关系的确定；对数据库的存储、 查询和更新操作；设备信息和故障信息的实时刷新和处理；建立数据库的备 份、恢复等维护功能。 ( 3 ) 数据通讯。 通讯部分主要包括上位机和下位机、g p s 、g p r s 和轴温模块之间的数 据通讯。设计内容包括通讯方式的选择，通讯协议的建立和通讯流程的控制 以及数据的发送和接收等。 5 2 面向对象的分析和设计 5 2 1 面向对象方法 对象是在运行的软件系统中的一组结构化数据。它可以描述任何可以将 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 属性和行为关联起来的事物。属性是对象的特征，描述对象的当前状态。行 为是对象动作与反应的方式，它有可能改变对象的状态。 类是面向对象程序中数据抽象的单元。类的定义包括一组数据属性和在 数据上的一组合法操作，类定义可以视为一个具有类似特性与共同行为的对 象的模板，可用来产生对象【2 7 】。 结构化方法是最旱的、最传统的软件开发方法。结构化方法的基本思想 有：自顶向下，逐步求精；采用模块化技术，分而治之的方法；将系统按功 能分解为若干模块；模块内部由顺序、分支、循环基本控制结构组成；应用 子程序实现模块化。 面向对象方法认为，客观世界是由许多各种各样的对象组成，每个对象 都有各自的内部状态和运动规律，不同对象之间的相互作用和联系就构成了 各种各样不同的系统。 p e t e r c o a d 和e d w a t d y o u r d o n 提出用下列等式认识面向对象方法： 面向对象= 对象( o b e c t ) + 分类( c l a s s i f i c a t i o n ) + 继承( i n h e r i t a n c e ) + 通过消息的通信( c o m m u n i c a t i o nw i t hm e s s a 2 e s ) 如果一个软件系统是使用这样4 个概念设计和实现的，则我们认为这个 软件系统是面向对象的【2 9 1 。 面向对象系统最突出的特性就是封装性、继承性和多态性。 ( 1 ) 封装性：在程序设计中，封装是指将一个数据及与这个数据有关的 操作集合放在一起，形成一个能动的实体对象。用户不必知道对象行为实 现的细节，只需根据对象提供的外部特性接口访问对象即可。对用户来讲， 这些对象的行为就像包含在一个“黑匣子”里，使隐蔽的、看不见的。 ( 2 1 继承性：继承所表达的就是一种对象类之间的相互关系。它使得某 类对象可以继承另外类对象的特征和能力。类间具有共享特征( 包括数据 和程序代码的共享) ：类间具有细微的差别或新增部分；类间具有层次结构。 ( 3 ) 多态性：多态性指当不同的对象收到相同的消息时产生不同的动作。 利用多态性可以在类等级的不同层次中共享一个方法，当不同层次的类对象 收到发送来的消息后，可各自按自己的需要来实现这个操作。 5 2 2 面向对象分析的目标和步骤 面向对象分析的目标是完成多解问题的分析，确定待建的系统要做什 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 么，并建立系统的模型。 a 面向对象分析设计的任务 ( 1 ) 在客户和软件工程师之间沟通基本的用户需求。 ( 2 ) 标识类( 包括定义其属性和操作) 。 ( 3 ) 刻画类的层次结构。 ( 4 ) 表示类( 对象) 之间的关系。 ( 5 1 为对象行为建模。 ( 6 ) 递进地重复任务( 1 ) 至( 5 ) ，直至完成建模。 b 面向对象分析的一般步骤 ( 1 ) 获取客户对系统的需求：包括标识场景( s c e n a r i o ) 和用例( u s ec a s e ) ， 以及建造需求模型。 ( 2 ) 用基本的需求为指南来选择类和对象( 包括属性和操作) 。 ( 3 ) 定义类的结构和层次。 ( 4 ) 建造对象关系模型。 ( 5 ) 利用用例场景来复审分析模型m l 。 5 3 软件系统建模 5 3 1 对象模型化 在系统对象分析阶段，可以运用对象结构模型、对象动态模型及对象功 能处理模型三个不同的模型角度构建分析系统。 ( 1 1 对象结构模型。 对象结构模型是三个模型中最关键的一个模型，它的作用是描述系统的 静态结构，包括构成系统的类和对象，它们的属性和操作，及它们之间的关 系。 ( 2 ) 对象动态模型。 要想对一个系统了解得比较清楚，还应当考察在任何时刻对象及其关系 的改变。对象动态模型包括对象状态模型和对象交互行为模型两种。对象状 态模型主要是描述某类受到不同的事件或时间的刺激，所引发本身状态的改 变，以对象生命状态图记录某类的状态改变情况。 ( 3 ) 对象功能处理模型。 对象功能处理模型主要用来表现系统所提供的功能种类，以满足用户的 需求。包括了解系统的主要行为者，建立行动者沟通图等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 5 3 2 面向对象的可视化建模技术与u m l 语言 当采用面向对象的技术创建一个复杂的软件系统时，开发者从不同的角 度对系统进行抽象，用精确的符号表示建立模型。 最初人们采用了各种不同的用于绘制面向对象模型的符号、系统开发过 程。但这些方法都有各自的优点和缺点，使软件开发人员不知道应该依据哪 种方法为好。于是，专家们着手建立了一种面向对象的标准建模语言一u m l 语言。 u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 由g r a d yb o o c h ，j 啪e sr u m b a u 曲 和i v a rj a c o b s o n 共同提出，并于1 9 9 7 年1 1 月4 日被0 m g ( 对象管理组织) 采纳位业界标准。 u m l 是一种可视化的、标准的图形化建模语言，是面向对象分析与设 计的一种标准表示。用于对软件系统进行描述、可视化、构造和文档化。目 前，u m l 已经成为面向对象的分析和设计得标准建模语言。 5 3 3u m l 中类之间的关系。 在对象结构模型中，描述了系统的类和对象，以及它们之间的关系。 类之间的关系有关联、聚集、泛化( 继承) 、依赖。 1 关联。关联是类之间的连接，即与该关联连接的类的对象之间的语义 连接。如职员为公司工作，则职员类与公司类之间就是关联关系。 2 聚集。聚集是一种特殊的关系，它指出类间的“整体一部分”关系。 例如，计算机由主板、c p u 、内存条等组成，则计算机类与其它组成部分类 之间构成了一种聚集关系。表示方法如图5 2 所示，用菱形箭头表示，指 向整体类。 3 。泛化。泛化指出类间的“一般特殊关系”，“特殊”类与“一般”类 之间的关系是“i s - a ”的关系。例如三角形是特殊类，图形是一般类，则三 角形是一种图形。表示方法如图5 3 所示，用三角箭头来表示，指向一般类。 图5 2 聚集关系示例图图5 3 泛化关系示例图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 5 4 上位机软件系统对象模型 5 4 1 列车监控上位机系统对象功能模型 用例建模是用于描述一个系统应该做什么的建模技术，因此用例建模不 仅用于新系统的需求获取，还可用于已有系统的升级。用例模型的主要成分 有用倒、行为者和系统。所以要从这三方面去构建系统的功能模型。 1 对系统进行定义。首先定义要编制的系统，该系统的软件模型主要 是列车检测系统中的上位机子系统，因此系统可定义为，列车监测上位机系 统。 2 寻找行为者。行为者指与系统交互的人或其它系统。综合该列车监测 系统的组成及功能分析，与上位机系统交互的人或其它系统主要有列车操作 人员、系统维护人员、下位机系统。 3 系统用例的确定。 直观来讲，用例是行为者对系统进行的操作行为。可以从行为者需要系 统提供哪些功能? 行为者需要做什么? 系统需要哪些输入输出? 等这些问 题方面来分析系统的用例。 首先分析列车操作人员的需求，列车操作人员一般指列车司乘人员，他 首先要具有查看列车基本信息和列车运行信息的功能，还有就是查看设备故 障信息的功能。对维护人员来讲，他不仅具有操作人员的上述功能，还应具 有设置列车基本信息，包括列车运行信息和设备参数信息的功能。最后，还 应该具有查询历史数据的功能。 与上述行为者不同，下位机系统从上位机系统获取的功能包括接收命 令，向上位机传输数据( 包括命令请求和设备数据) 。上位机软件系统的用 例图如图5 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 辰卧 o 0。 爨：净 人 下位机幕统 聪 、 q 彳 电 操作人员 图5 4 用例梗型图 5 4 2 上位机软件系统对象结构模型 5 4 ，2 1 上位机软件系统类图 类图由系统中使用的类及它们之间的相互关系组成。它是一种静态模 型，是其它图的基础。每个类的定义都包括“类名称”、“属性”及“操作” 三个基本部分。 根据系统的功能及用户需求，每个监测设备都有不同于其它设备的属性 和数据结构，所以为每个监测设备定义一个类，如电源设备类，电力连接器 设备类、漏电设备类、走行部设备类、o p s 设备类和轴温设备类等设备类。 在上面的设各类中，除了各类独有的一些属性外，还有一些共同的属性 和操作，如它们都具有设备名称、设备代码、设备i d 等属性，都应该有设 置参数命令、读参数命令、存储数据等操作，根据继承性及类之间的泛化关 系，可以为设备类构建一个父类，该设备父类包含各设备子类共有的属性和 操作。 在列车监测系统中，需要完成对2 0 节车厢的监测。而每个车厢的监测 设备、监测数据都相同，如果把每个车厢、每个车厢的每个设备都抽象为一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 个类，无疑增加了编程人员的工作量，也不便于程序的扩展。根据类之间的 聚集关系，可以定义个列车类，该列车类包含2 0 个车厢类，而每个车厢 类又包含设备类。这样，就完成了对整个列车所有监测设备类的定义。 从功能结构考虑，系统还应该有负责数据通讯的通讯类，负责发送和接 收数据的类。使用u m l 建模的类图如图5 5 所示。 图5 5 类图 从图中可以看出系统所有的组成类和对象，包括t j z c r e e p a g e ( 漏电) 、 t j z b f a k e ( 制动) 、t j z p o w e r d a t a ( 电源) 等设备子类，t j z d e v i c e ( 设 备类) 为设备父类，各设备予类从设备父类继承而来；t i z v e h i c l e ( 列车 类) 中包含2 0 个t j z c a r ( 车厢类) 。 系统关键类，设备父类和车厢类的主要属性及操作如图5 6 和图5 7 所 不。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 设备类 设翁参数段代妈，参数段长度 殴舞数据段代码，数据段长度 设备名称，设备l d 设备状态，设备敞髀 创建娄注销类 设髓参数，读参数，读数器 瓣包数掘，存德数据 梭书故障。褥到故障 属性 操作 咱i 垌i 弓蛙 日；珠n d ，自i j i 暾能 乍列，乍蟹，乍阚 存在歌卷 设备数濑，设备 即堋所感列乍 剞矬车厢f 炎、j 士销苹珠i 类 设搬参数 馥墩豁数，谜取数攒 = i l i 加设舔删除设舔 f 昝到该车所有设鬻敞瓣 谈墩设器状态 蜓癌日g p r s 疑i 羞l d 属性 操作 图5 6 设备基类主要属性及操作图5 7 车厢类主要属性和操作 从上图可以看出，设备基类里包含每个设备共同的一些属性，如设备参 数段代码和数据段代码，设备名称，设备状态等。对设置参数、读参数等操 作，每个设备子类里也有这