CN210533729U - 一种列车动力学状态采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种列车动力学状态采集系统，解决了现有技术中只能采集单方面的相关动力学参数，如加速度、位移量等相关参数，无法为后续的列车诊断提供有效的数据的问题。本实用新型包括硬件系统中的车载主机、前置采集、传感器和列车的机车电源、TCMS系统以及地面传输系统。本实用新型通过自动化采集列车运行状态和车体状态数据，全面系统地采集列车诊断的所有数据，为列车诊断以提供全面准确地的数据，实现对列车运维的监测。通过后续的监测诊断，提供列车性能的相关判定，为降低了列车运维成本，提升设备运行安全性、可靠性以及利用效率，实现列车智能化运维。

Description

一种列车动力学状态采集系统

技术领域

本实用新型涉及列车检测领域，具体涉及一种列车动力学状态采集系统。

背景技术

列车动力学采集，是泛指轨道交通中，列车运行状态、运行动力相关参数的采集。在传统轨道交通中，列车的动力参数由于受装置架构、装置设计、参数传输、参数可靠性等原因。难以较为系统的全面的对列车动力学参数进行采集，在列车停运期间需要维护人员通过人工方式，对列车相关部件进行排查，确保列车的安全性和可靠性。人工检修的方式，使得运营维护管理成本居高不下，列车的使用效率持续低下。随着技术的发展，智能化概念进入了轨道交通行业，通过智能化运维的方式，将传统的人工检修为主转化为以系统平台检修为主，人工为辅的智能化方式，列车及部件运行可靠性和利用效率可得到大幅度提升，在很大程度上可减轻轨道交通行业来自安全与成本的压力。针对运营维护管理存在耗资巨大且居高不下的问题，国外经验显示，设备运行可靠性和利用效率可大幅度提升，这种提升随着技术的发展可不断的在全局和局部应用中得到验证，然而，目前国内安全监测类产品都少在应用端产生效益。通过对列车车载数据集成采集及数据集成分析，实现对列车运行状态的监测和失效判断、故障实时预警报警、服役能力评估及维修维护决策支撑等，成为现在轨道交通行业的仍未解决的技术问题。

在现有的的轨道交通行业中，列车运行状态相关动力学参数采集存在局限性。只能采集单方面的相关动力学参数，如加速度、位移量等相关参数，无法为后续的列车诊断提供有效的数据。除此之外，对于整个列车的智能诊断，除了相关动力学参数的采集之外，列车MVB 网络的相关数据也应该采集，以提供全面诊断参数。对于现有的采集装置，无法系统的全面的采集后续列车诊断的相关数据，难以提供有效的精确的参考数据。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：只能采集单方面的相关动力学参数，如加速度、位移量等相关参数，无法为后续的列车诊断提供有效的数据。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种列车动力学状态采集系统，包括硬件系统中的车载主机、前置采集、传感器和列车的机车电源、TCMS系统以及地面传输系统；

进一步地，所述车载主机由电源板、MVB板、CPU板、网关板组成；

进一步地，前置采集由2个以太网交换机和10个前置处理器组成，对传感器的数据采集并上传至车载主机；

进一步地，所述传感器则布置在整个列车的构架、轴箱、车体中，实现对振动、应力、位移状态的传感检测；

进一步地，所述车载主机中的所述MVB板通过双冗余的多功能车辆总线与传输介质 MVB-EMD从列车的TCMS系统单向接收数据，所述MVB板自列车的TCMS系统接收数据包括列车运行及控制数据、电气系统采集数据；同时MVB板将采集到的数据信息通过冗余双CAN与CPU板进行交互，所述交互内容为储存所述接收数据在本地并上传至CPU板；

进一步地，所述车载主机汇总自所述MVB板自列车的TCMS系统接收数据和前置采集收集到的传感器数据并上传至地面传输系统；

进一步地，所述车载主机的电源板转换列车的机车电源的DC110V电源为DC5V、DC24V 为上述系统提供驱动电源。

进一步地，所述车载主机的电源板采用工业级宽温电源模块，单张电源板输入电源有过压、过流、滤波、浪涌高压防护设计，且前端无开关触点设计，输入电源DC 110V电源范围是66V～154V，介于0.6Un和1.4Un之间的电压波动，为系统其它板卡提供所需的工作电源 DC5.1V，输出功率为50W；工作电源DC24V，输出功率为100W。

进一步地，所述车载主机的CPU板具有一个100M/1000M工业以太网接口，数据协议为 TCP/IP协议，具有使用U盘转储数据的接口，USB接口为USB2.0规范；

进一步地，所述CPU板自带RTC电路，通过列车MVB网络获取列车标准时间；

进一步地，所述CPU板采用DOM盘作为板载数据存储器，容量≥16GByte；

进一步地，所述CPU板采用两组输入电源的冗余供电方式，两组5V电源的电压实时采集，两组24V电源的电压实时采集；

进一步地，所述CPU板提供两路REM控制信号，作为两组电源板24V输出电源的控制开关；

进一步地，所述CPU板通过内部双路非隔离CAN总线实现与系统内其它板卡数据传输。

进一步地，所述车载主机的网关板提供8口以太网交换机接口，所述车载主机采用两组 5V电源的冗余供电方式，所述车载主机的网关板上两组24V电源做冗余设计后经过防护电路再分别硬线连至前面板的两个DB9插座上，供两个以太网交换机接线盒提供电源，所述前面板为CPU板和以太网交换机。

进一步地，所述以太网交换机提供8口以太网交换机接口，所述以太网交换机设计10M/100M base TX自适应以太网，隔离度DC500V/1Min，所述以太网交换机，采用工业级宽温电源模块将输入DC24V电源分别转换为DC5V给板卡提供驱动电源，电源模块满载功率10W，隔离度1500VDC。

进一步地，所述前置采集采用工业级宽温隔离电源模块将输入DC24V电源分别转换 DC15V和DC24V电源，为传感器和采集电路提供电源；所述前置采集采用12位AD转换电路，每个采集通道能达到10kps采样速率，采用抗混叠低通滤波器。

进一步地，所述传感器主要采集轴箱振动、构架振动、车体振动、构架应力、车体应力、悬挂位移；

进一步地，所述轴箱振动采用三坐标加速度传感器，每个轴箱配备1个三坐标加速度传感器，每节车8个三坐标加速度传感器；

进一步地，构架振动采用三坐标加速度传感器，每个构架配备3个三坐标加速度传感器，分别安装在列车轴箱上部构架侧梁的对角位置两个点以及横梁上，每节车6个三坐标加速度传感器；

进一步地，车体振动采用三坐标加速度传感器，每节车配备5个三坐标加速度传感器；

进一步地，构架应力采用应变传感器测量，每个构架配备10个应变传感器，每个构架配备10个应变传感器，一系簧座内圆弧配置4个应变传感器，电机悬挂座上表面配置2个传感器，齿轮箱支座座体配置2个应变传感器，构架主体配置2个应变传感器；

进一步地，车体应力采用应变传感器测量，每节车配备8个应变传感器，车体枕梁配置 2个应变传感器，车体牵引梁配置2个应变传感器，端墙圆弧过渡位配置2个应变传感器，车门圆弧过渡位配置2个应变传感器；

进一步地，悬挂系统的动挠度即悬挂位移通过位移传感器来进行测量，每个构架在对角位置布置垂向和横向位移传感器各1个，测量一系簧的挠度，在每节车中心销安装座处布置横向和垂向位移传感器各一个，测量二系悬挂的位移，每节12个位移传感器。

进一步地，列车动力学采集系统主要负责，收集列车传感网络实时运行监测数据及列车自身MVB网络关键数据，并进行初步信号处理，并实现与车地数据传输系统之间的通信交互。该系统主机具备输入采集、逻辑运算、故障自诊断、数据记录、列车组网、MVB通信等典型应用功能。系统所采集的车载数据，包含动力学参数以及相关列车控制类MVB参数，对列车诊断和列车运行状态的分析提供完整准确的数据。

进一步地，前置采集由前置处理器和交换机接线盒构成，包括供电模块、将测点传感器的物理量(振动、应力、位移)转化为等效的电信号量，输入的采集信号进行滤波、放大等处理，采集数据的预处理，并负责将采集来的数据通过以太网与主机单元的网关板进行数据交互。采用前置处理器方案，而不是将传感器直接接入车载主机，这样的方案使布线更加简洁、使用更加灵活性、具有更强的扩展性。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

本实用新型通过自动化采集列车运行状态和车体状态数据，全面系统地采集列车诊断的所有数据，为列车诊断以提供全面准确地的数据，实现对列车运维的监测。通过后续的监测诊断，提供列车性能的相关判定，为降低了列车运维成本，提升设备运行安全性、可靠性以及利用效率，实现列车智能化运维。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的动力学状态采集装置系统结构及连接关系图。

图2为本实用新型的电源板硬件功能框图。

图3为本实用新型的CPU主控板硬件功能框图。

图4为本实用新型的MVB板硬件功能框图。

图5为本实用新型的网关板硬件功能框图。

图6为本实用新型的以太网交换机硬件功能框图。

图7为本实用新型的前置采集硬件功能框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

一种列车动力学状态采集系统，如图1所示，包括硬件系统中的车载主机、前置采集、传感器和列车的机车电源、TCMS系统以及地面传输系统；

优选的，所述车载主机由电源板、MVB板、CPU板、网关板组成；

优选的，前置采集由2个以太网交换机和10个前置处理器组成，对传感器的数据采集并上传至车载主机；

优选的，所述传感器则布置在整个列车的构架、轴箱、车体中，实现对振动、应力、位移状态的传感检测；

优选的，所述车载主机中的所述MVB板通过双冗余的多功能车辆总线与传输介质MVB-EMD从列车的TCMS系统单向接收数据，所述MVB板自列车的TCMS系统接收数据包括列车运行及控制数据、电气系统采集数据；同时MVB板将采集到的数据信息通过冗余双CAN与CPU板进行交互，所述交互内容为储存所述接收数据在本地并上传至CPU板；

优选的，所述车载主机汇总自所述MVB板自列车的TCMS系统接收数据和前置采集收集到的传感器数据并上传至地面传输系统；

优选的，所述车载主机的电源板转换列车的机车电源的DC110V电源为DC5V、DC24V为上述系统提供驱动电源。

优选的，车载主机的电源板采用工业级宽温电源模块将输入DC110V电源分别转换为 DC5V、DC24V给系统提供驱动电源，电源模块的输出精度1％，纹波不大于1％。单张电源板输入电源有过压、过流、滤波、浪涌高压防护设计，且前端无开关触点设计。输入电源DC110V 电源范围是66V～154V。介于0.6Un和1.4Un(Un：额定电压)之间的电压波动，如果持续时间不超过0.1秒，不能引起功能偏差(处于运行状态的设备)。介于1.25Un和1.4Un之间的电压波动，如果持续时间不超过1秒，不能引起设备损害。为系统其它板卡提供所需的工作电源 DC5.1V，设计输出功率为50W；以及工作电源DC24V，设计输出功率为100W；并满足装置在极限工作情况下的的功率要求。电源板上DC24V输出电源做开关切换电路设计，可由外部信号(REM脚)遥控模块输出。电源板硬件功能框图如图2所示。

优选的，车载主机的CPU板具有一个100M/1000M工业以太网接口，数据协议为TCP/IP 协议，满足与列车以太网通信要求(以太网通信满足IEEE802.3标准，通信速率百兆，物理接口采用抗振型工业M12连接器)。通过标准以太网(非工业以太网)接口实现与网关板以太网通信功能。具有使用U盘转储数据的接口，USB接口满足USB2.0规范要求。板卡自带RTC电路，并可与列车网络数据完成自动校时(通过列车MVB网络获取列车标准时间)。采用DOM盘作为板载数据存储器，容量≥16GByte。两组输入电源的冗余供电方式。两组5V电源的电压实时采集，两组24V电源的电压实时采集。提供两路REM控制信号，作为两组电源板24V 输出电源的控制开关。通过内部双路非隔离CAN总线实现与系统内其它板卡通信。具有机箱整机地址编码的采集识别功能。具备板卡地址的采集识别功能。可实现便捷的程序下载(DownLoad)功能、单板调试功能。CPU主控板硬件功能框图如图3所示。

优选的，车载主机的MVB通信板通过对外MVB通信接口(EMD介质)实现与列车控制网络的数据交互；通过内部双路非隔离CAN总线实现与系统内其它板卡通信；两组5V电源的冗余供电方式；可实现便捷的程序下载(DownLoad)功能、单板调试功能。MVB通信板硬件功能框图如图4所示。

优选的，车载主机的网关板通过标准以太网(非工业以太网)接口可对两个交换机接线盒和一个CPU主控板进行数据通信和监听功能(UDP协议，带宽100M，通信速率百兆)。提供8 口以太网交换机接口。网关板设计满足10M/100Mbase TX自适应以太网，支持网络风暴控制，隔离度DC500V/1Min，电源短路不影响系统对其他插件供电。两组5V电源的冗余供电方式。板上两组24V电源做冗余设计后经过防护电路再分别硬线连至前面板的两个DB9插座上，供两个交换机接线盒提供电源。网关板硬件功能框如图5所示。

优选的，以太网交换机通过标准以太网(非工业以太网)接口可对网关板进行数据通信和监听功能(UDP协议，带宽100M，通信速率百兆)。提供8口以太网交换机接口。设计满足 10M/100M base TX自适应以太网，支持网络风暴控制，隔离度DC500V/1Min，电源短路不影响系统对其他插件供电。采用工业级宽温电源模块将输入DC24V电源分别转换为DC5V给板卡提供驱动电源，电源模块满载功率10W，隔离度1500VDC。交换机板硬件功能框图如图6所示。

优选的，前置采集的处理板由S12+DM9000构成标准以太网(非工业以太网)接口可对交换机板进行数据通信和监听功能(UDP协议，带宽100M，通信速率百兆)。采用工业级宽温隔离电源模块将输入DC24V电源分别转换DC15V和DC24V电源，为传感器和采集电路提供电源。采用12位AD转换电路，每个通道能达到10kps采样速率，采用抗混叠低通滤波器，提供数字滤波器实现采样功能。前置处理板最大可支持3个加速度传感器、4个应力传感器和3个位移传感器接口。板卡地址配置随程序下载写入S12单片机的EEROM中。由18B20提供板卡温度采集数据，并通过和单片机S12进行I/0口通信完成温度信号获取。前置处理器采用2张板卡实现，板卡1和板卡2，具有以下功能：①接口保护电路用于对传感器连接信号，进行过流、过压等保护。②采用S12单片机+FPGA+外置12位AD采样电路。③提供4路应力传感器和3路位移传感器接口所需的供电要求。④提供9路24V/4mA恒流源，为3个三轴加速度传感器的模拟信号放大、滤波等信号处理电路提供电源。前置数据采集硬件功能框图如图7所示。

优选的，所述传感器主要采集轴箱振动、构架振动、车体振动、构架应力、车体应力、悬挂位移；

优选的，所述轴箱振动采用三坐标加速度传感器，每个轴箱配备1个三坐标加速度传感器，每节车8个三坐标加速度传感器；

优选的，构架振动采用三坐标加速度传感器，每个构架配备3个三坐标加速度传感器，分别安装在列车轴箱上部构架侧梁的对角位置两个点以及横梁上，每节车6个三坐标加速度传感器；

优选的，车体振动采用三坐标加速度传感器，每节车配备5个三坐标加速度传感器；

优选的，构架应力采用应变传感器测量，每个构架配备10个应变传感器，每个构架配备 10个应变传感器，一系簧座内圆弧配置4个应变传感器，电机悬挂座上表面配置2个传感器，齿轮箱支座座体配置2个应变传感器，构架主体配置2个应变传感器；

优选的，车体应力采用应变传感器测量，每节车配备8个应变传感器，车体枕梁配置2 个应变传感器，车体牵引梁配置2个应变传感器，端墙圆弧过渡位配置2个应变传感器，车门圆弧过渡位配置2个应变传感器；

优选的，悬挂系统的动挠度即悬挂位移通过位移传感器来进行测量，每个构架在对角位置布置垂向和横向位移传感器各1个，测量一系簧的挠度，在每节车中心销安装座处布置横向和垂向位移传感器各一个，测量二系悬挂的位移，每节12个位移传感器。

优选的，安装在列车上有振动、位移和应力传感器，振动传感器主要采集轴箱振动、构架振动和车体振动，采集数据的频率为2K。应力传感器主要采集构架应力和车体应力，采集频率为1K。位移传感器安装在转向架上，监测悬挂位移，采样频率1K。

优选的，车载主机接收传感器数据，进行预处理和整合，并通过MVB获取列车运行及控制数据、电气系统采集数据，获取数据储存在本地并上传至数字化实验平台。前置采集包括前置处理器和交换机，由于采集的传感器数量多，并且比较分散，所以使用的前置处理器数量不止1个，并把前置处理器安装在所接传感器的附近，前置采集主要实现数据采集并传输到车载主机的功能，采用以太网UDP通信功能实现数据交互。传感器主要用于采集轴箱振动数据、悬挂位移数据、构架应力和振动数据、车体振动和应力数据。

优选的，车载主机装置采用3U插件式板卡设计，具备输入采集、逻辑运算、故障自诊断、数据记录、列车组网、MVB通信等典型应用功能。一台主机上总共使用了6张板卡：2张电源板、1张MVB通信板、1张CPU板、1张网关板、1张调试接口板，两组电源板互为热备，从机车上输入DC110V的电源，经过电源板转成5V和24V提供给系统使用，电源的精度、纹波、浪涌、过流、过压、功率等性能指标需要满足设计需求。

优选的，CPU主控板接收前置采集器所采集的传感器数据和MVB采集板的数据，转发到不同的数字处理平台。该板卡具有数据转储功能，存储在DOM盘中数据可通过U盘或者以太网进行转储，具有自检功能，在运行过程中实时监测主控板系统的自身运行情况，对异常信号，线程的活动性都会检测，如果出现异常则进行异常处理，自检测状态通过LED指示灯指示。设备也具有升级功能、日志记录功能。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种列车动力学状态采集系统，其特征在于，包括硬件系统中的车载主机、前置采集、传感器和列车的机车电源、TCMS系统以及地面传输系统；

所述车载主机由电源板、MVB板、CPU板、网关板组成；

前置采集由2个以太网交换机和10个前置处理器组成，对传感器的数据采集并上传至车载主机；

所述传感器则布置在整个列车的构架、轴箱、车体中，实现对振动、应力、位移状态的传感检测；

所述车载主机中的所述MVB板通过双冗余的多功能车辆总线与传输介质MVB-EMD从列车的TCMS系统单向接收数据，所述MVB板自列车的TCMS系统接收数据包括列车运行及控制数据、电气系统采集数据；同时MVB板将采集到的数据信息通过冗余双CAN与CPU板进行交互，所述交互内容为储存所述接收数据在本地并上传至CPU板；

所述车载主机汇总自所述MVB板自列车的TCMS系统接收数据和前置采集收集到的传感器数据并上传至地面传输系统；

所述车载主机的电源板转换列车的机车电源的DC110V电源为DC5V、DC24V为上述系统提供驱动电源。

2.根据权利要求1所述的一种列车动力学状态采集系统，其特征在于，所述车载主机的电源板采用工业级宽温电源模块，单张电源板输入电源有过压、过流、滤波、浪涌高压防护设计，且前端无开关触点设计，输入电源DC 110V电源范围是66V～154V，介于0.6Un和1.4Un之间的电压波动，为系统其它板卡提供所需的工作电源DC5.1V，输出功率为50W；工作电源DC24V，输出功率为100W。

3.根据权利要求1所述的一种列车动力学状态采集系统，其特征在于，所述车载主机的CPU板具有一个100M/1000M工业以太网接口，数据协议为TCP/IP协议，具有使用U盘转储数据的接口，USB接口为USB2.0规范；

所述CPU板自带RTC电路，通过列车MVB网络获取列车标准时间；

所述CPU板采用DOM盘作为板载数据存储器，容量≥16GByte；

所述CPU板采用两组输入电源的冗余供电方式，两组5V电源的电压实时采集，两组24V电源的电压实时采集；

所述CPU板提供两路REM控制信号，作为两组电源板24V输出电源的控制开关；

所述CPU板通过内部双路非隔离CAN总线实现与系统内其它板卡数据传输。

4.根据权利要求1所述的一种列车动力学状态采集系统，其特征在于，所述车载主机的网关板提供8口以太网交换机接口，所述车载主机采用两组5V电源的冗余供电方式，所述车载主机的网关板上两组24V电源做冗余设计后经过防护电路再分别硬线连至前面板的两个DB9插座上，供两个以太网交换机接线盒提供电源，所述前面板为CPU板和以太网交换机。

5.根据权利要求1所述的一种列车动力学状态采集系统，其特征在于，所述以太网交换机提供8口以太网交换机接口，所述以太网交换机设计10M/100M base TX自适应以太网，隔离度DC500V/1Min，所述以太网交换机，采用工业级宽温电源模块将输入DC24V电源分别转换为DC5V给板卡提供驱动电源，电源模块满载功率10W，隔离度1500VDC。

6.根据权利要求1所述的一种列车动力学状态采集系统，其特征在于，所述前置采集采用工业级宽温隔离电源模块将输入DC24V电源分别转换DC15V和DC24V电源，为传感器和采集电路提供电源；所述前置采集采用12位AD转换电路，每个采集通道能达到10kps采样速率，采用抗混叠低通滤波器。

7.根据权利要求1所述的一种列车动力学状态采集系统，其特征在于，所述传感器主要采集轴箱振动、构架振动、车体振动、构架应力、车体应力和悬挂位移数据；

所述轴箱振动采用三坐标加速度传感器，每个轴箱配备1个三坐标加速度传感器，每节车8个三坐标加速度传感器；

构架振动采用三坐标加速度传感器，每个构架配备3个三坐标加速度传感器，分别安装在列车轴箱上部构架侧梁的对角位置两个点以及横梁上，每节车6个三坐标加速度传感器；

车体振动采用三坐标加速度传感器，每节车配备5个三坐标加速度传感器；

构架应力采用应变传感器测量，每个构架配备10个应变传感器，一系簧座内圆弧配置4个应变传感器，电机悬挂座上表面配置2个传感器，齿轮箱支座座体配置2个应变传感器，构架主体配置2个应变传感器；

车体应力采用应变传感器测量，每节车配备8个应变传感器，车体枕梁配置2个应变传感器，车体牵引梁配置2个应变传感器，端墙圆弧过渡位配置2个应变传感器，车门圆弧过渡位配置2个应变传感器；

悬挂系统的动挠度即悬挂位移通过位移传感器来进行测量，每个构架在对角位置布置垂向和横向位移传感器各1个，测量一系簧的挠度，在每节车中心销安装座处布置横向和垂向位移传感器各一个，测量二系悬挂的位移，每节12个位移传感器。

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