机车车载安全防护系统6A系统总体方案研究Word下载.docx
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机车状态;
实时监测
1背景
1.1加装机车车载安全监测设备的必要性
铁路运输生产作为一个复杂的系统,其整体安全依赖于“人”、“机”、“环境”和“管理”四个基本要素及其相互关联的安全特性,其中,“机”是指各种铁路主要固定和移动装备。
铁路机车作为铁路运输过程中的重要移动装备,其安全性对列车的安全运行至关重要,对此,相关单位长期以来开展了大量研究工作,并成功开发和应用了多种安全监测和检测装置,取得了较好的效果,受到运用单位的普遍欢迎。
但是,由于前期的安全防护装置是在不同时期陆续进行研究、试验、考核和装用的,存在标准不统一、接口不一致、安装不规范、显示存储等部件重复配置、无法纳入规范化管控等问题,因此亟需综合集成和完善功能。
机车车载安全防护系统(简称6A系统)正是针对机车运行过程中危及安全的重要事项、重点部件和部位,通过在前期部分机车已经装用成熟产品的基础上,完善功能、综合集成而构建的系统化、平台化的机车安全防护系统,用于提高机车防范安全事故的能力。
1.2研制6A系统的技术可行性
近年来,各铁路局、站段根据自身运用要求和实际情况,在机车上加装了各种监测诊断设备,如走行部监测诊断设备、车顶绝缘监测设备、各种视频监控设备、防火监测设备等,加强对机车的走行部性能、绝缘性能、火灾隐患等的监测。
这些有益探索取得了一定成果,带动了机车走行部、车顶绝缘、防火等监测技术的发展,提升了机车防范安全事故的能力,为铁路部门的安全生产作出了贡献,也为研制具备多种监测功能的系统化设备提供了充足的技术储备。
科技的进步特别是信息技术革命带动了机车制造、电子计算机、无线网络、大规模集成电路等技术的飞速发展,为研制集多种安全监测功能于一体的具备高效传输、统一存储、故障智能监测、智能化人机交互界面的机车安全监测系统提供了可能。
目前国际上机车安全监测系统朝着集多功能安全监测模块于一体的大型平台化、系统化的方向发展,如西门子公司生产的机车上装配的EFLEET系统,GE公司生产的机车上装配的CCREMOTE系统等[1],这些系统集成了多种安全监测设备,具备多模块监测数据的下载转储、故障记录、融合诊断等功能。
同时铁路机车也处于一个新车型的研发制造阶段,对于多功能安全监测系统的研制和部署是一个技术上的机遇。
现在各种主客观条件已经成熟,研制具备多种安全监测功能的统一平台、统一接口、统一界面和管理的系统化设备已经水到渠成。
1.36A系统的设计目标
1.3.1需求分析
总结长期的运输生产实践经验,机车运行过程中关系到机车安全的最常见的故障发生点主要包括:
空气制动系统工作状态、车内电器设备的可靠性及运行状态、机车为客车供电的功能是否正常、是否有火灾隐患、机车运行过程中前方路况和内部设备间的状况是否能记录与回放视频、车顶高压设备的绝缘状态及担负着机车安全运行的走行部轴承、齿轮和车轮是否发生故障等[2-6]。
这些都关系到机车运行安全、影响机车运行效率。
为了满足机车上述的监测需求,6A系统包含制动监测、防火监控、高压绝缘检测、列车供电监测、走行部监测和视频监控六项功能。
为了提高系统的综合监测、诊断性能,应重点研究制动系统的防折关监测功能、防火和视频之间的联动功能等,着重关注报警准确率、可靠性、寿命指标和有效防止误报、漏报技术。
1.3.2设计原则
6A系统的设计应遵循系统性、完整性、安全性、一致性、可靠性及融合性原则。
按照机械系统、电气系统、信息系统、人机交互系统进行层次划分,各个层次之间统一考虑供电、系统时钟、空间信息的一致性要求、信息层面的统一存储与下载,提出对于各层面全寿命周期的完整性要求,包括设计、生产、包装、运输、验收、使用、维护、检修与管理等各个环节。
同时,应在保证6A系统不能影响机车正常运行的前提条件下,要求各安全监测模块满足机械接口、电气接口、信息接口如面板、显示器输出界面的统一与一致性要求,并通过6A系统架构的可靠性设计方法、机械系统的可靠性设计及检验方法、热动力特性的可靠性设计及检验方法来保证6A系统的可靠性能。
作为具备多个监测功能的集成化安全监测系统,必须考虑6A系统的融合设计。
如考察走行部的振动性能与轴温监测的热学性能之间的时间顺序关系;
研究通过视频监测与火灾监测相融合,即将火灾报警界面与视频监测界面的联动技术来实现危险情况的直接预警,为运用司机提供第一时间的报警与确认信息;
牵引与制动状态与机车运行的外界环境相融合,可为子系统诊断报警提供进一步的依据。
26A系统架构及关键技术特点
2.16A系统架构
6A系统总体结构见图1。
6A系统实现以中央处理平台为核心,集成机车空气制动安全监测子系统(ABDR)、机车防火监控子系统(AFDR)、机车高压绝缘检测子系统(AGDR)、机车列车供电监测子系统(APDR)、机车走行部故障监测子系统(ATDR)、机车自动视频监控及记录子系统(AVDR)六大子系统,实现综合诊断、统一存储、集中显示和车-地通信等功能。
6A系统由中央处理平台和六大安全监测子系统组成,机箱采用双层设计,上层是中央处理平台,下层是六大安全监测子系统,每个监控子系统设计成独立的插件板或插件箱,插入6A系统机箱,在统一的中央处理平台上进行工作。
各监控子系统在公用平台下,使用公用的电源、网络、存储器、显示终端等设备,并使用统一设计的机箱、机柜。
2.2中央处理平台
中央处理平台是6A系统的核心模块,具备冗余处理单元和存储单元,对各个监控子系统进行数据集中、信息共享,并通过数据库进行综合分析。
各监控子系统遵照统一的6A系统通信协议及其定义的帧格式和数据编码,与中央处理平台通信。
中央处理平台和其子系统之间的拓扑结构见图2。
中央处理平台有以下主要功能:
(1)实时采集、接收各个车载安全监测子系统的数据和报警信息,进行综合诊断分析,将报警和状态信息及时发送到司机室的音视频终端,提示司机进行必要的处理;
(2)提供对外网络通信功能,在机车运行过程中,将报警和状态信息通过机车远程监视和诊断系统(CMD)发送到地面,由地面系统进行分析诊断,并做出相应的安全防范决策;
(3)保存记录各个安全监测子系统的原始数据并提供下载功能,下载到地面后由地面系统进行综合诊断、数据挖掘,实现安全相关部件故障的早期预警,防范事故的发生。
2.36A系统关键技术特点
2.3.1中央处理平台及其子系统双网通信技术
各监测子系统与中央处理平台之间综合利用工业以太网、CAN总线通信技术[7]进行机车监测数据传输与信息交换,通过统一的通信协议保证数据链路的完整性。
通信协议的设计具有以下特点:
功能强大,通用性高,可基本涵盖各种监控对象的各种通信要求;
可扩展性好,便于升级或加入其他监测功能;
包含一些故障信息、过程数据、通用信息和文件传输信息。
2.3.2中央处理平台加固存储保护技术
基于核心处理单元与加固存储单元的电气特性、机械特性、性能指标、环境参数等的研究,使系统具备各子系统数据的综合处理能力和高防护大容量连续存储能力。
通过加固数据保护存储体,提高抗穿刺和抗冲击能力。
中央处理平台统一保存各子系统的监控数据,数据的保存介质采用固态电子盘,提高数据存储的可靠性。
2.3.3多传感器多信息融合诊断技术
中央处理平台综合接收来自机车控制微机、监控装置(LKJ)及六大子系统的信息,集成处理后通过网络发布,为各子系统融合提供时空基准、相关数据、联动控制和综合显示、报警等平台信息。
在各子系统内,深入研究机车安全性状态参数与6A系统监测状态参数,与相关子系统信息联合实现机车可靠性等级的定量评判,为机车运用维护管理提供指导[1,8-9]。
理论基础是复杂系统状态估计理论,如KALMAN滤波理论、粒子滤波理论与6A系统监测诊断参数的融合,力学及振动状态参数、热学状态参数、牵引、制动工况信息的离散与连续模型建立,以及机车实时状态评估体系建立。
3六大安全监测子系统
为了满足机车安全监测的需求,6A系统具备以下六大安全监测功能:
空气制动安全监测子系统用来监测空气制动系统工作状态,即停放制动非正常施加和列车折角塞门意外关闭等;
防火监控子系统用来监测机车关键部位的火情;
高压绝缘检测子系统用来检测车顶高压设备的绝缘状态;
供电监测子系统用来实时监测DC600V列车供电的漏电、负荷情况;
走行部故障监测子系统用来监测机车走行部轴承、传动齿轮、轮对踏面的振动、冲击和温度状态;
视频监控及记录子系统用来实时记录机车运行过程中前方路况和各设备间的情况。
3.1空气制动安全监测子系统
空气制动安全监测子系统由制动监测板卡、停放制动非正常施加监测模块、折角塞门关闭监测模块、压力变送器、流量变送器、连接器和线缆组成。
停放制动非正常施加模块位于制动板卡上,折角塞门关闭模块也以子板的形式安装在该制动板卡上。
该子系统通过监测机车运行过程中的停放制动施加状态、列车贯通辆数等信息,将报警信息发送给中央处理平台,由中央处理平台做进一步处理。
3.2防火监控子系统
防火监控子系统由防火监控板卡、探测器、连接器和线缆组成。
防火监控子系统板卡尺寸与制动监测板卡相同。
该子系统通过安装在司机室、机械间、电器间、柴油机室(内燃机车)等处的烟温复合探测器、高温探测器、感温电缆等火灾探头,感应烟雾、热量等物理量,检测是否发生火情,及时发出警报。
所有探测与报警装置均可通过本地指示灯发出报警或故障信号。
发生火灾时,能够通过与视频监控系统的联动,在提示火灾报警的同时,将视频显示画面自动切换至火情部位。
3.3高压绝缘检测子系统
高压绝缘检测子系统由高压绝缘检测箱(见图3)、连接器和线缆组成。
该子系统在司机升弓前,通过测量高压设备对地的漏电流等,检测机车的绝缘状况。
3.4列车供电监测子系统
列车供电监测子系统由列车供电监测板卡、漏电流检测模块、连接器和线缆组成。
漏电流检测模块位于列车供电柜内,漏电流检测模块外观见图4。
该子系统通过监测列车供电线路对地漏电流值对列车供电系统进行监测。
3.5走行部故障监测子系统
走行部故障监测子系统由子系统主机模块(走行部监测板卡)、数据前置处理器、复合传感器或(和)数字温度传感器及连接线组成(见图5)。
该子系统主要通过监测牵引电机、轴箱、抱轴箱等处的轴承温度及振动情况,综合评估轴承、齿轮及车轮踏面的剥离擦伤、不圆、动不平衡等状态,对踏面损伤进行定量评估。
3.6自动视频监控及记录子系统
自动视频监控及记录子系统由摄像头、视频采集板卡1(AV1)、视频采集板卡2(AV2)、视频处理板卡(AV3)、连接器和电缆组成。
该子系统通过在车前后端、司机室、机械间、电器间、柴油机室(内燃机车)等多个部位安装摄像头,对视频情况进行记录;
通过中央处理平台与防火监控子系统进行联动,火灾发生时可自动切换至火情发生区域的视频图像。
46A系统的应用
6A系统集成了机车各系统的安全监测设备,实现了统一平台、统一接口、统一的界面显示,采用各系统关联、传感器冗余设计,综合诊断,可提高报警准确率和系统可靠性,全面提升机车的安全防范能力,为机车的安全运用提供了技术保障。
4.1实时状态采集、综合诊断、及时报警
6A系统实时采集机车轴承、齿轮、轮对踏面的温度、振动状态及制动系统状态、供电柜漏电流状态、关键区域的温度变化,记录各区域视频信息,中央处理平台实时接收机车微机信息、制动信息、LKJ信息,对出现的异常情况进行综合诊断,及时报警。
如防火监控子系统通过安装在各区域的火灾探头实时检测温度、烟浓度及温度变化量等参数,当某一区域发现温度变化和烟雾浓度参数超出限值时,可迅速将报警信息传递给中央处理平台,中央处理平台立即发出报警信号,同时调出报警区域的监控画面,辅助司机判断是否发生火情。
4.2预警输出,降低运用安全风险
6A系统具备安全风险预估功能,实时采集各状态参数,通过数据建模和趋势分析可判断状态发展趋势,提前告知用户。
如走行部监测子系统通过对机车走行部关键部位温度、振动冲击状态参数的实时采集,利用共振解调故障检测技术进行分析,在故障从量变到质变的过程中(即还未发生宏观破损时),就能发现其异常的应力集中现象,使发现故障的时间前移到故障发生初期,对故障部位进行预警。
4.3离线数据分析,对用、管、修提供技术依据
6A系统投入运用后应纳入机务段的日常维护管理。
同时,机务段可借助直接下载或中国远程传输及诊断系统(CMD)将各项状态参数传输到地面数据中心,通过长期监测数据的积累,深度分析并挖掘监测数据潜在的模式特性及变化趋势,对机车未来的运用状态作出预测,从而深入指导机车的设计、运用、管理和维修。
4.4安全监测项目可扩展
6A系统同时还预留扩展空间,随着技术的发展,将新出现的有效安全监测项目接入,不断发展和完善机务系统的综合集成安全防护平台。
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