1.华南理工大学自动化科学与工程学院 广东广州 510641；2.广州普瑞电力控制系统设备有限公司 广东广州 510663
摘要：目前，铁路5T探测站分布较为分散，且站内环境及相关设备状态大多无法实时监控，这不仅给铁路安全系统的管理带来不便，更可能由于无法及时获知设备运行状态而造成安全预警系统判断失误，从而导致铁路安全事故的发生。针对这一现状，设计了铁路5T系统设备状态远程监控系统，该系统主要由智能终端和远程监控平台构成，结合了嵌入式技术、ASP.NET技术，可实现对一定区域内分散的5T探测站集中管理和实时监控，从而保证5T探测站的正常、高效、安全运行。
关键词：铁路5T系统；设备状态；监控系统
Design Of Remote Monitoring System Of Railway 5T System Equipment Status
LIANG yejia，TANG yufeng，XU bugong
LIANG Ye-jia1 TANG YU-feng2
Abstract：At present，the distribution of railway 5T detection station is more scattered，and the state of the station environment and related equipment is mostly unable to monitor in real time，which not only brings inconvenience to the management of railway safety system，but also causes the safety early warning system error due to the failure to know the operation status of the equipment in a timely manner，which leads to the occurrence of railway safety accidents. In view of this situation，the remote monitoring system of the railway 5T system equipment is designed，which is mainly composed of intelligent terminal and remote monitoring platform，combining embedded technology，ASP.NET technology，can achieve a certain area of scattered 5T detection station centralized management and real-time monitoring，so as to ensure the normal，efficient and safe operation of 5T detection station.
Key words：Railway 5T System；Device Status；Monitoring System
铁路车辆安全运行的实现手段之一是通过在铁路沿线建设车辆运行安全监控体系（5T探测站），实现地面设备对客货车辆运行安全的动态检测、数据集中、联网运行、远程监控和信息共享。铁路5T系统，是对车辆轴温智能探测系统（THDS）、货车故障轨旁图像检测系统（TFDS）、铁道车辆滚动轴承故障轨旁声学诊断系统（TADS）铁道车辆运行品质轨旁动态监测系统（TPDS）、客车运行安全监控系统（TCDS）这五项铁路车辆安全防范预警系统的统称[1]，它是铁路部门保障车辆运行安全的重要手段，对5T系统的设备状态进行监控，从而保证5T系统的正常运行是铁路车辆安全运行的前提和基础。
目前，虽然某些5T探测站已配备有专门的远程监控系统，但基本都只能针对单个5T探测站服务。而5T探测站数量多且分布较分散，如果为每一处5T探测站单独建立一个远程监控系统，不仅工程繁复，且管理不便。铁路5T系统设备远程监控系统可将分散的5T探测站的数据进行集中存储、整理、筛选、处理和共享，从而实现对区域内分散的5T探测站的集中管理和监控，并为整个铁路车辆运行安全管理体系提供更多有价值的数据，对保障铁路车辆运行安全及管理决策的整改、优化有重大意义。
1 系统整体方案设计
5T探测站内需要监控的设备状态主要有摄像头状态、服务器状态、通道通信状态、保护门状态、补偿光源、磁钢、AEI、防雷、UPS、探测站软件运行、视频监控设备状态，同时还需要监测机房的环境（如温湿度）。铁路5T系统设备状态监控系统主要由智能终端和远程监控平台两部分组成。智能终端负责采集5T探测站内的设备状态、环境参数等，通过站内的交换机将相关数据传输至平台服务器，再通过平台监控终端显示相关信息。远程监控平台也可以通过向智能终端及站内相关设备进行远程调控，实现对5T探测站内设备状态、机房环境的远程监控、维护以及作业过程的记录、数据的保存、传输等功能。铁路5T系统设备状态远程监控系统框图如图1所示。
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图1 铁路5T系统设备状态远程监控系统框图
2 智能终端设计
智能终端由数据采集模块、运算控制模块、通信模块构成，如图2所示，数据采集模块主要负责实时采集5T探测站内的设备状态、环境参数等，运算与控制模块主要负责数据计算、处理及报文生成，通信模块主要负责将报文数据上传至后台。
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图2 智能终端硬件框图
2.1 数据采集模块
数模转换芯片选用德州仪器公司的AD转换芯片PCM1804-Q1，该芯片内置高性能抗混入滤波器和差动模拟输入，相比其他产品，它还增加了DSD输出功能。PCM1804-Q1芯片电路原理图如图3所示。
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图3 PCM1804-Q1电路原理图
信号AD 转换采用的芯片为ADI 公司生产制造的16 位6 通道A/D 转换器件AD7606 芯片。它采用高速、低功耗、电荷再分配逐次逼近型的 AD 转换器，所有通道均能以高达 200kSPS 的吞吐率同步采样，具有片内滤波和高输入阻抗，可以处理±5V 和±10V 的双极性输入信号，AD7606 部分电路图如图4所示。
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图4 AD7606部分电路原理图
为了实现精准、高效的采样效果，需要对采样芯片进行控制，这可以通过FPGA采样控制电路实现。选用的FPGA芯片为赛灵思公司的Spartan-3AN系列的XC3S200AN，采样控制流程如图5所示：XC3S200AN芯片定时向采样芯片PCM1804-Q1 和AD7606发送采样信号，采样芯片检测到采样信号后开始数据采集；采样芯片完成采集后再向XC3S200AN芯片反馈采样完毕信号，然后通过SPI向XC3S200AN芯片发送采样数据；数据传输完成后，XC3S200AN芯片向CPU发送DMA请求中断，DMA中断处理程序将采集到的数据以DMA方式高速传输到数据缓存区缓存。
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图5 采样控制流程图
2.2 运算控制模块
运算控制模块的功能是实时处理数据采集模块上传的各类数据，并将处理后的数据借助通信模块传至后台服务器，由于本系统实时性的需要，所以要求运算控制模块应具备强大的运算能力。另外，由于本系统需要采集多路信号，因此芯片需要足够多的接口。目前自动化领域具有嵌入式开发功能且成熟应用的芯片主要有DSP、单片机、ARM，综合考虑，ARM处理器兼具体积小、低功耗、多接口、高性能等特点，因此选用恩智浦公司生产的基于ARM架构的处理器LPC4357。该处理器包含Cortex-M4微控制器及Cortex-M0协处理器，为32位双核处理器，内核工作频率高达204MHz。电路原理图如图6所示。
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图6 LPC4357电路原理图
2.3 通信模块
智能终端的通信模块包括RS232串口通信模块和以太网通信模块。RS-232串口通信距离有限、传输速度快，主要用于下载和调试程序。以太网通信传输距离长，主要用于智能终端与上位机之间的通信。基于RS-232串口和以太网双通信模式较好的结合了RS232串口通信和以太网的通信速率方面的优势，同时，避免了RS232串口通信距离不足的问题[2]。
RS232接口可以将PC机总线的并行数据流转换为串行数据流，同时也可以将嵌入式设备的串行数据流转换为适用于PC机的并行数据流。智能终端所采样用的串口芯片为SP3232EEA，该芯片最高传输速率为235Kbit/s，最低传输率为120Kbit/s。SP3232EEA串口芯片由驱动器、接收器、电荷泵3个基本电路模块构成，芯片电路原理图如7所示。
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图7 SP3232EEA电路原理图
以太网通信采用RJ45型接口，其是广泛应用于局域网和ADSL宽带上网用户的网络设备间的连接线。在嵌入式控制系统中，常用作支持10Mbps/100Mbps的网络接口。智能终端采用了恩智浦公司生产的IP4220CZ6静电防护芯片，芯片可防护±8KV的静电释放电压，有效保证RJ45接口在通信时不会受到静电干扰。
3 远程监控平台设计
3.1 网络结构设计
网络结构采用B/S结构，如图8所示，设备上传的数据后台的数据库服务器中，客户端通过Web浏览器发送请求至web服务器，Web服务器收到客户端请求后再数据库服务器发送SQL请求，数据服务器收到Web服务器传来的请求后向Web服务器作出应答，然后Web服务器向客户端应答，就形成一次完整的工作过程。开发采用C#编程语言，面向对象开发模式，开发环境为Visual Studio 2010，数据库服务器设计采用SQL Server 2008。
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图8 网络B/S结构图
3.2 Web端设计
Web端主要采用ASP.NET技术。ASP.NET的运行过程包括页面请求、分析、编译、组装、页面缓冲五大环节[3]。当客户端通过浏览器请求页面时，服务端首先由页面分析器分析被请求的页面；再将通过分析的页面内容传递给编译器；经过编译器编译的页面内容被传输给组装缓存，同时，一些需要较高资源代价的元素可以存入内存。将组装缓存和内存中的内容有机结合形成一个完成的页面，完整的页面最后被送往输出缓存。输出缓存中的内容将作为客户端的页面请求结果被送回至浏览器，当同一页面被再次请求时，服务端将直接从输出缓存中输送出页面请求结果。图9为ASP.NET 技术架构图。
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图9 ASP.NET 技术架构图
4 监控系统的设备状态判断实现
系统通过报文的形式将智能终端采集的数据传至后台服务器。终端监控的具体实施过程为每隔一段固定时间对5T探测站的状态形成报文，远传至固定地址（铁路总局后台服务器），后台依据报文的形式达到判断设备状态的目标。其中主要运用了SNMP协议和PING命令的技术手段。
4.1 SNMP协议
SNMP是TCP/IP体系结构中的应用层协议，被广泛应用于网络管理，主要为网络中的交换机等相关设备提供网络管理服务，以此实现网络各节点管理的目的。SNMP通过SET，Trap和GET等方法来实现管理站和代理之间信息的获得与设置。管理站中通过GET方法收集代理相关数据并进行分析，并通过SET方法实现代理对象参数的设置和分配，Trap法在网络管理中的主要作用是能够实现代理主动向管理站发送告警信息的功能[4]。SNMP系统模型如图10所示。
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图10 SNMP系统模型
4.2 PING命令
PING（Packet Internet Groper）命令是Windows操作系统自带的一款用于网络维护的最基本的工具，通过它可以测试网络的连通情况，提高网络故障排查的效率。其工作原理为：PING命令通过使用TCP/IP协议下的ICMP子协议向目标（地址）发送一个回送请求数据包，要求目标收到请求后给予答复，从而判断本机与目标（地址）是否连通、网络响应时间的长短以及传送过程中数据包是否有所丢失。可借此分析判断出网络中的故障，从而达到对设备状态进行监控的目的[5]。
4.3 设备状态判断的技术实现
5T探测站主要设备状态监控的技术实现方式为：摄像头状态通过检测IP连接状态，SNMP方式获取；服务器状态检测通过IP连接状态，PING测试联通获取；保护门状态检测的实现是通过车辆经过时开启，车辆离开后关闭，检测开/关到位通过DI（数字量输入模块，由设备的接近开关触电触发）获取；补偿光源状态有专用的网络型的直流电源PDU实现激光光源的工作状态的判定，通过一路DI告警节点获取；磁钢状态由车辆进入/离开的触发及记录装置，磁钢状态需要通过磁钢的计算机服务器的日志文件解析，来判断磁钢的状态及性能，日志报文中四个磁钢数据必须一致，否则判定为磁钢设备故障；车号设备状态由车号识别设备，提供告警节点DI；防雷设备状态由防雷模块自带告警节点（常开/常闭）获取；UPS状态通过一路DI获取；探测站软件主要对进程软件的运行状态监控，通过SNMP方式获取。表1为技术实现方式概要。
表1 技术实现方式概要表
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5 系统功能效果展示
平台画面主要包括登录界面、工区选择界面、主接线图站点界面、电源监控界面、设备监控界面、环境监控界面及监控状态报表界面。它们的主要功能分别为工区选择界面可以指定对应的工区，实时切换至该工区（5T探测站）的检测状态；主接线图站点界面显示某工区内的电源监控、设备监控、环境监控及监控状态报表分画面，可对单项进行查看；电源监控界面实时显示双电源、UPS等电源状态；设备监控界面实时显示摄像头、通信通道等设备状态；环境监控界面实时显示空调运行状态，温湿度等环境信息；监控状态报表界面可将检测状态转换为报表的形式实现，方便数据的存储、查阅和传输。以下展示了监控平台的部分应用效果如图11、图12、图13所示。
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图11 监控平台登录界面
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图12 监控状态设备监控界面
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图13 监控状态报表界面
6 结语
经过测试，基于嵌入式智能终端的铁路5T系统设备状态监控系统达到了设计需求。嵌入式智能终端实现了小型化、多功能、可灵活扩展、即插即用的效果，并且可以准确采集和传输现场数据；基于Web端的监控平台可以让用户通过web端即可实现随时随地查看现场设备状态以及控制现场设备的效果，便捷高效；实现了一定区域内分散的5T探测站的集中管理，是一套达到分散控制、集中管理、操作便捷、功能多样、监控界面简洁美观的实时监控和操作维护系统。
参考文献：
[1]张长安.铁路车辆5T系统接地装置的测量与应用维护[J].铁道技术监督，2011，39（7）：15-18.
[2]程坤.基于聚类分析的配网电力设备监测系统研究与实现[D].广州：华南理工大学，2018.
[3]刘云峰，孔英会，赵伟，等.Web服务在电力实时监控系统的应用[J].电力科学与工程，2007，23（4）：50-54.
[4]王磊，马亮.基于SNMP的铁路信号监督系统网络拓扑发现方法[J].铁路计算机应用，2018（11）：60-64，68.
[5]张宇.Ping命令在计算机网络检测中的使用及其病毒防范[J].软件导刊，2013，12（9）：157-159.
作者简介：
梁业佳（1994-），男，广西钦州人，硕士研究生，研究方向：智慧铁路安全监控系统研发。