（机械制造及其自动化专业论文）rtadmdes的总体设计和系统开发.pdf

硕士论文r 1 a d c m d m d e s 的总体设计与系统开笈 摘要 轨道交通事业的发展推动着轨道车辆设备生产商对产品研究的不断投入，康 尼公司作为轨道车辆f 3 5 , j 造商中的佼佼者，必然会增加对车辆门的研究，增强自 己的产品的竞争性和领先性。本论文正是基于康尼车辆门对轨道车辆门状态监 测、诊断与维修决策实验系统进行了研究和设计，对公司关于门的进一步研究将 会提供很大的帮助。 首先，论文对公司的需求进行了分析研究，规划了实验平台集中控制管理的 环境结构，并建立了从硬件层、驱动层、通信层、功能层到应用层的总体架构， 对各层的功能进行设计和说明。 接着，论文研究并应用了集散型的数据采集系统，对r t a d - c , f 1 ) l d d e s 数据采 集系统进行了详细的设计。微控制器a t m e g a l 6 、传感器和各硬件模块的选型， 并设计了数据采集系统的功能模块，针对功能模块设计了详细的电路，主要有 c p u 模块、系统电源模块、采样电路模块、显示模块、实时时钟模块、通讯模块、 看门狗模块和程序下载模块。 然后，论文研究并应用了基于样板的诊断和基于模式识别的诊断技术，建立 了r t a d - c , i i ) m d e s 故障诊断系统模型，对于模型中的简易诊断和精密诊断的二次 诊断的过程进行了说明。 另外，论文对维修方式决策模型和状态维修周期计算模型进行了研究和应 用，并深入研究了基于混合维修方式的设备维修方式决策技术，在文中建立了基 于以上技术的r t a d c 3 , i d m d e s 维修决策理论模型和计算机模型，对r t a d - - c m i ) , i d e s 的深入研究和开发提供基础。 其次，论文针对r t a d - c m i ) m d e s 建立了r s - 4 8 5 通讯网络，主要是通讯接口的 设计和数据传输的规则。 最终，论文说明了r t h d c m d m d ) e s 部分功能的实现，主要是系统设置、状态 监测管理中的实时监测、故障诊断管理中的故障诊断以及维修决策管理的状态维 修决策模块。已经开发的模块的完善和其他模块的开发将会继续深入下去。 关键词：轨道交通，数据采集系统，故障诊断系统，维修决策系统，a t m e g a l 6 ， r t a d _ c m d 肋e s ，r s - 4 8 5 a b s l r a c t 硕士论文 a b s t r a c t ，n l ed e v e l o p m e n to fr a i lt r a n s p o r tp r o m o t e st h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r so fr a i l v e h i c l e st oc o n t i n u et oi n v e s tm o r ei n 也e i rp r o d u c t s k n ，ab e a e ro n eo f m a n u f a c t u r e r sw h op r o d u c er a i lt r a n s i ta u t o d o o r , h a si n c r e a s e di t sr e s e a r c ho nt h e v e h i c l ed o o rt oi m p r o v ei t sc o m p e t i t i v e n e s sa n dl e a d e r s h i p i nt h i sp a p e rc o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，d i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c ed e c i s i o ne x p e r i m e n ts y s t e mo fr a i lt r a n s i t a u t o d o o r ( r t a d c m d m d e s ) i ss t u d i e da n dd e s i g n e da n di tw i l lh e l pal o ti nt h e c o m p a n y sd e e pr e s e a r c h f i r s t l y , t h ed e m a n da n a l y s i so fr t a d - c m d m d e si sd o n e ，a n dt h es t r u c t u r eo f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m si sd e s i g n e dt ob eo fc e n t r a l i z e dc o n t r o la n dm a n a g e m e n t a n d t h e p a p e re s t a b l i s h e s o v e r a l ls t r u c t u r ei n c l u d i n gh a r d w a r e l a y e r , d r i v e rl a y e r , c o m m u n i c a t i o nl a y e lf u n c t i o n a ll a y e rf u n c t i o n a ll a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e ra n de a c h l a y e ri sd e s i g n e dw i 也p a r t i c u l a rd e s c r i p t i o n s e c o n d l y , d i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi ss t u d i e da n di ti su s e di nt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mo fr t a d m d m d e s m i c r o c o n t r o l l e r 筒卟伍g a l6 ，s e n s o r s ，a n d t h eh a r d w a r em o d u l e sa r ec h o s ef o r t h es y s t e ma n df u n c t i o nm o d u l e so fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e d , a n dt h ed e t a i l e dc i r c u i t so fe a c hp a r ti n c l u d i n gt h e c p um o d u l e ，t h es y s t e mp o w e rm o d u l e ，t h es a m p l i n gc i r c u i tm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ， r e a l t i m ec l o c km o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，w a t c h d o gm o d u l ea n dd o w n l o a d m o d u l ea r ed e s i g n e da n dd i s p l a y e d t h i r d l y , m o d e l - b a s e dd i a g n o s i s a n d p a t t e r nr e c o g n i t i o n b a s e dd i a g n o s t i c t e c h n i q u e sa r es t u d i e da n du s e di nt h es y s t e m a n dt h em o d e lo ff a u l td i a g n o s i s s y s t e mf o rr 1 a d ) 皿e si se s t a b l i s h e d , a n dt h e $ a n et i m et h ep a p e rg i v e so u ta p a r t i c u l a rd e s c r i p t i o nf o rt h ep r o c e s so fd i a g n o s i sw h i c hc o n t a i n st h es i m p l ea n d p r e c i s ed i a g n o s i s f o u r t h l y , t h em a i n t e n a n c em o d ed e c i s i o nm o d e la n dt h ec o n d i t i o nm a i n t e n a n c e b a s e dc y c l em o d e lb o 也a l es t u d i e da n da p p l i e d b e s i d e s ，c o m b i n e dm a i n t e n a n c e b a s e dm a i n t e n a n c em o d ed e c i s i o n s y s t e m i ss t u d i e d t h e ni nt h eb a s i c t h r e e t e c h n i q u e st h et h e o r e t i c a lm o d e la n dc o m p u t e rm o d e lo f m a i n t e n a n c em o d ed e c i s i o n i se s t a b h s h e df o rr m - c m d m d e sa n di tw i l lp r o v i d et h eb a s i sf o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fr t a d c m d m d e s f i f t h l y , r s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sd e s i g n e df o rr t a d c m d m d e s ， i n c l u d i n gt h ed e s i g no fc o m m u n i c a f i o n i n t e r f a c ea n dd a t at r a n s f e rr u l e s t t 硕士论文 r t a d - c m d m d e s 的总体设计与系统开发 f i n a l l y , s o m er e a l i z a t i o no fr t a d - c m d m d e sh a sc o m et r u e ，i n c l u d i n gt h e s y s t e ms e t t i n g s ，r e a l - t i m em o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，m a i n t e n a n c ed e c i s i o nm o d u l e a n d i m p r o v e m e n to f t h es y s t e mw i l lc o n t i n u e k e y w o r d s ：r a i lt r a n s p o r t , d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , f a u l td i a g n o s i ss y s t e m , m a i n t e n a n c em o d ed e c i s i o ns y s t e m ，a t m e g a l 6 ，r t a d - c m d m d e s ，r s - 4 8 5 m 硕士论文 r t a d c m d m ：d e s 的总体设计与系统开发 i 绪论 1 i 课题的研究背景及来源 1 1 1 研究背景 随着国民经济的飞速发展，我国城市轨道交通也已经进入了一个全面发展的 阶段，根据北京“十一五”规划，随着北京地铁线路的陆续运行和不断规划， 到2 0 2 0 年北京的地铁线路总长将接近6 0 0 k m ，届时北京将会成为世界上地铁线 路最长的城市。目前约有2 7 个城市正在筹备建设城市轨道交通，其中2 2 个城市 的轨道交通规划已经得到国务院批复，至2 0 1 5 年我国地铁线路将达到2 2 6 0 k m ， 总投资将达8 8 2 0 亿元u 3 。 轨道交通的迅速发展必然会为地铁设备的相关行业带来巨大的市场和商机， 按照目前车辆设备占地铁总投资2 5 的比例来说，地铁设备行业的市场将会有 2 0 0 0 多亿，这块巨大的蛋糕各个地铁设备制造商将会分得多少，决定了他们将 来的命运。在对待国内外地铁设备的问题上，出现了两种截然不同的态度：一种 是全部采用国外知名产品，抵制国产；一种是尽量使用国内设备，支持国产。这 两种态度反映了目前国内地铁设备没有国外成熟，会给地铁运营带来风险，也反 映了国内产品随着企业的不断创新和技术投入，已经在不断成熟。再加上近几年 国家设备采购的相关保护，国内地铁设备逐渐出现国产化的趋势，这就给了国内 地铁设备企业更多机会，更好的生存。 当世界上第一个地铁系统在1 8 6 3 年于英国伦敦诞生时，就立即投入使用， 但是却没有被大众所接受，由于当时处于蒸汽机时代，隧道和车厢内浓烟滚滚让 人无法呼吸，再加上隧道渗水、塌陷等安全隐患。如今随着科学技术的迅速发展， 地铁设备的不断更新和创新，较为先进的地铁系统已开始引入列车自动操作系 统，更先进的系统甚至做到了无入操控，就例如香港地铁的迪士尼线。地铁的快 速、准确、安全、舒适和便利，给人们留下了深刻的印象，人们的出行已经离不 开它了。 地铁设备在运营过程中由于运行环境和人为破坏等，故障就没有间断过，地 铁运营商和大众们也深受其害。地铁故障一旦出现，将会延误，然而据世界地铁 协会统计延误5 分钟以上故障率最低的是北京，上海位列第4 ，这反映了我国地 铁运营已经在不断成熟，运营质量在不断提高。 地铁设各是一个典型的机电一体化产品，它的故障诊断技术的研究一直被广 大学者和科研人员所追捧，然而由于地铁设备日趋大型化、复杂化、自动化和连 续化，车辆的各种故障也在不断增加，它的研究课题也在不断的深入，多学科和 1 绪论 硕士论文 多技术相融合。 1 1 2 课题来源 地铁事业的蓬勃发展，也给地铁设备制造企业带来欣欣向荣的景象。在地铁 车辆结构中，轨道车辆门是一个重要的关键部件，顺应国家大力支持地铁设备国 产化的规划，开发和生产先进的轨道交通门，降低生产成本，提高门系统的可靠 性和质量，已经是车辆门生产商紧要责任旧。据统计，在地铁的所有故障中，门 系统的故障占总故障的3 0 左右，这就要求轨道车辆门制造企业投入更大的科研 项目，降低门的故障率，提高市场竞争力。南京康尼机电新技术有限公司就是这 样一个一直重视科研创新的企业，康尼是我国高新技术公司，在全国的市场占有 率达到5 8 以上，随着企业的不断扩大，怎样提高车辆门系统的实验水平，开发 先进的实验设备，监测门系统的状态和故障，已经成为企业急切解决的问题之一。 鉴于以上背景，课题组与康尼机电新技术有限公司合作，提出了“轨道交通 自动门状态监测、诊断与维护决策实验系统的设计与研究”的课题。 1 2 国内外相关技术的发展现状 1 2 1 国外相关技术的发展现状 ( 1 ) 轨道车辆门系统碡一3 在国外，高速轨道车辆早已运用到人们的生活中，尤其是欧美和日本等发 达国家，长期以来积累了相当丰富的研发经验。其中德国的法维菜( f a v e l y ) ， 奥地利的开发研究院( i f e ) ，德国的b o d e 等，由于其先进的产品在轨道车辆门 市场上占有很大的比例，而一些大型的轨道车辆生产商大部分都是使用这些供应 商的产品，如b s p ，阿尔斯通( a l s t o m ) 等。 b o d e 公司成立于1 9 6 8 年，主要产品有汽车门系统、轨道车辆门和滑拉门系 统，拥有强大的科研团队，1 9 9 2 年开发出具有微控制器的电动门，1 9 9 8 年引进 了s a p 系统，一套数据和应用集成方法，它将业务和技术进步融入了一个综合性 的高品位的标准系统。 i f e 公司从事车辆门生产已经有六十多年，它的产品遍布全球，它已成为 世界范围内有轨机动车自动车门系统领域里的领导性企业之一，公司的运营理念 是“成功源于质量和发展 。公司开发出一系列的检测系统( d e t e c t i o ns y s t e m s ) ， 如d s 4 ，d s 5 ，d s 6 。这些系统都是为了进一步保证乘客安全，防止夹伤，其中 新推出的d s 5 和d s 6 系统的能够在检测出门关闭时有物体被夹住，将会无法启 动列车。最新的检测系统能够识别5 3 0 毫米或6 毫米的刚性障碍，灵敏度比原 来的提高了1 0 倍。 硕士论文r t a d c m d m d e s 的总体设计与系统开发 综上可以看出国外轨道车辆门系统主要有以下特点： 安全性高：为了维护乘客的安全，生产商开发出一系列检测系统和实验 平台来提高系统的安全性； 经验丰富：几十年的研究背景让他们对门系统的开发和改造具有前瞻性 的引领； 价格高：由于其先进的技术优势，售价往往是国内的几倍，并且维护较 为困难。 ( 2 ) 实时监控系统 动力环境监控系统随着最近十多年的发展，已然从干接点方式发展到目前的 模拟量监控和视频监控。在国外监控系统的发展要追溯到7 0 年代，那时由于国 外遥感技术的发展及应用，监控系统已经普遍的运用于灾害监测以及军事设施的 监测。欧美国家在“9 1 1 事件之后更加重视安全问题，很大程度上推动了监控 产业的发展n 们。美国的a t & t 公司( 美国电话电报公司) 在网络视频监控领域是 发展最为壮大的家公司，它结合自己在无线、有线业务中的优势将网络视频监 控产业不断做大；在英国实力最强的属英国电信公司( b t ) ，公司的业务也对应 了监控行业的2 0 年的历史，从模拟监控、数字监控到网络监控。随着工业生产 规模的不断扩大，一些数据采集与过程控制的专用软件也不断涌现，这就是监控 组态软件。世界上第一个推出监控组态软件的是美国的w o n d e r w a r e 公司，产品 是i n t o u c h ，随后监控组态软件得到了迅速的发展，国际上较知名的有：f i x 、 i n t o u c h 、w i n c c 、l a b v i e w 等，这些软件使用简单、运行可靠、提供数据采集设 备的驱动、图形丰富，很大程度上解决了工业现场电气监控的问题。 ( 3 ) 维修决策 对于维修决策相关理论的研究，国外在很早就已经有很多学者投入研究，从 取得的成果来看美国、加拿大、英国、法国、日本位列前5 位。关于维修决策方 面的软件有英国人开发的m a i n o p t ，布朗大学研发的r e g i n a ，美国开发的还有 a g e c o n 等n 1 。波音的维修资源管理系统等都在相应的领域取得了优异的成果。 纵观国外维修理论的发展，前苏联上世纪5 0 年代提出了一套计划预修制度，理 论的基础正是摩擦理论和磨损规律( 浴盆曲线) ；1 9 6 0 年美国吸收了设备寿命周 期、寿命周期成本理论( l c c ) 、可靠性工程理论等设计形成了后勤学；1 9 7 1 年 日本人在学习英美维修理论的基础上提出了全员生产维护的理论( t p m ) ；1 9 7 4 年英国人提出了设备综合工程学。如今国外维修理论已经日趋成熟，各国互相借 鉴成功案例，不断改善各自的维修理论，在应用上起步较早，取得了丰富的成果， 得到了企业和政府的大力支持。 1 2 2 国内相关技术的发展现状 3 1 绪论硕士论文 ( 1 ) 轨道车辆门系统 我国轨道交通的发展还要追溯到6 0 年代，随着我国科学技术和国民经济的 不断发展，地铁的发展已经从北京扩散至全国各地，已经进入了快速发展时期。 早期我国轨道车辆的主要设备靠国外进口，产品价格几乎是国内几倍，而且引进 的是一些技术含量较低的落后产品，比较先进的i c e 、a v e 等基本不会被引进到 国内。1 9 9 8 年，北京地铁复八线成功使用了中国首批独立生产设计的调频调压 车，相当于国外9 0 年代的水平，核心部件是从日本引进口1 。 最近几年我国轨道车辆在国产化和现代化的催生下，产业已经呈现出蒸蒸日 上的景象，尤其是轨道车辆门系统产业。在国内车辆门生产商有康尼新机电、纳 博克( 日本合资) 、博德( 德资) 等，其中康尼新机电是国内唯一一家具有自主 知识产权的轨道车辆门生产国有企业，在国内使用的轨道车辆门到处都有它的产 品，市场占有率从9 8 年的1 8 至1 j 现在的5 8 ，有着“中国轨道交通第一门 的美 名；不仅如此依靠自身产品结构简单、可靠性高的特点已经得到国外的很多订单。 康尼机电向中国和世界市场提供的主要产品包括干线列车门系统、城轨车辆 门系统、城轨车辆内部装饰、地铁站台安全门( 屏蔽门) 等产品。1 9 9 7 年研制 成功中国第一套具有完全自主知识产权的m s 7 3 0 c p 铁路客车自动塞拉门脚。该 产品迅速通过铁道部部级鉴定，被评为国内机电新产品，从那以后打破了国内轨 道车辆门完全靠国外进口的局面，并牢牢占据着国内市场。2 0 0 4 年通过全球著 名的轨道车辆制造商法国a l s t o m 公司b 级供应商审核，成为a l s t o m 的重要供应 商之一，迄今为止已经为该公司提供了近万套的车辆门系统。2 0 1 0 年公司“无 源螺旋门机锁闭机构 获得新加坡知识产权局颁发的专利证书，也是公司获得的 首项国际专利，同时该发明在美国、加拿大、欧盟等多个国家和地区进入专利实 质审查阶段，同年公司产品被邀参加德国柏林展览会，为进军国外市场做好了铺 垫。 综上可以看出国内轨道车辆门系统主要有以下特点： 自主研发能力增强：为了提高市场竞争力，国内企业纷纷加强自主研发， 开发生产适合国内运行环境产品； 价格i t s 价格是国外同类产品的一半； 结构简单：康尼的变导程锁闭结构大大简化了门系统的结构； 高端产品不丰富：2 0 0 k 】以上时速的轨道车辆门系统基本上还是依靠进 口，国内高端产品与国外相比还有很多需要提高。 ( 2 ) 实时监控系统 在我国监控系统的发展开始仅使用于国防及安防，发展经过了三个高潮。第 一高潮是2 0 世纪8 0 年代末，作为安防在一些发达城市兴起，比如上海、北京等； 4 硕士论文r t a d c i v i d i v i d e s 的总体设计与系统开发 第二高潮是2 0 世纪9 0 年代末，民用安防市场迅速发展；第三高潮是2 0 0 3 年开 始，随着政府企业的投入，监控市场得到全面发展。随着国内技术的不断发展和 政府的不断投入，国内已经从9 0 年代依赖国外市场的状况转换为国产，国外产 品在模拟视频监控阶段成功进入国内市场，而如今随着图像压缩技术的进步和图 像压缩芯片的推广，国外数字视频产品由于我国的监控市场的特殊性并没有像模 拟产品那样成功n 妇。第一阶段是高端行业用户比如：政府、金融和电信等；第二 阶段是中小企业的用户；第三是家庭和个人应用阶段，这一阶段是国内发展的瓶 颈，主要是家庭的费用和认识问题，跟国外相比还有很大的差距。 在数据采集及过程监控这方面最近几年国内有着很好的发展，组态王、三维 力控和世纪星等已经越来越趋于成熟。目前国内组态监控系统的开发形成了高校 跟企业合作开发研究的状况，取得了很多成功应用于工业现场生产监控的案例， 比如南京理工大学的陆宝春教授、南京航空航天大学的张天宏教授等在组态监控 方面做出了很多成功的案例和深入的研究，另外本人也跟随导师与康尼科技公司 合作开发了基于w i n c c 的组态监控的成功案例，案例引入w i n c c 对1 1 站式实验 型柔性制造系统进行实时监控系统的开发，人机界面生动的模拟现场工况，操作 方便快捷，提高了系统的实验性。最终在导师的指导下发表了1 1 站式w i n c c 组态监控系统的设计与研究一文，文中主要对1 1 站式系统的网络结构形式和 监控系统的开发过程，实时画面控制技术和系统与m e s 数据集成技术进行了研究 与开发。 ( 3 ) 维修决策 我国维修决策理论的研究起步较晚，由于企业传统思想的约束，很多维修决 策理论的应用状况并不是很理想。据不完全统计我国维修决策理论应用取得的成 果不及美国的7 n 。台湾2 0 0 2 年成功开发了应用于半导体行业的设备维修决策 系统。近1 0 年国内学者及各大高校纷纷引进了国外先进的维修决策理念，展开 了维修决策系统方面的研究，由于现代设备的集成化和智能化，目前国内维修决 策系统的研究必须针对先进的设备，抓住现代设备的故障特征，研究设计适合我 国国情的专业化维修决策系统，而不能照搬国外。国内的维修决策技术的发展必 须得到政府和企业的大力支持和信任，此外理论的研究必须跟实际的工程项目相 结合，不断将先进的决策理论应用到维修决策系统中来。在康尼轨道车辆自动门 状态监测、诊断与维修决策系统就是一个很好的将维修决策理论和工程项目相结 合的实例。 1 3 论文的研究内容及结构关系 1 3 1 论文的研究内容 l 绪论 硕士论文 本论文研究的对象是轨道车辆门实验系统，是状态监测、故障诊断和维修决 策技术的集成应用，论文对关键技术进行了深入研究，并针对课题研究的系统进 行了应用与设计。 轨道车辆门系统是一个典型的机电系统，系统的实验监测不能停留在检验员 的经验检测，新型的智能门系统也必须开展研究，项目主要是解决康尼车辆门系 统在实验环境下，故障状态监测、故障数据采集、故障诊断等问题，也是新型智 能门系统的初步涉入研究的尝试阶段。 论文主要研究的内容有： ( 1 ) 研究国内外轨道车辆门系统、状态监测及维修决策技术的应用和研究 现状，并进行适当的对比分析； ( 2 ) 对r t a d c 肋 l d e s 进行需求分析，建立康尼公司理想的结构环境，建立 了从硬件层、驱动层、通信层、功能层到应用层的总体架构，并对各层的功能进 行详细说明和设计。 ( 3 ) 对数据采集技术进行了研究分析，针对r t a d - c m d m d e s 选用了集散型的 数据采集结构；对数据采集系统的各模块进行了功能设计，并根据功能要求详细 的设计各模块的电路。 ( 4 ) 对故障诊断技术进行了研究分析，合理应用基于样板技术的诊断和基 于模式识别的诊断技术，建立了r t a d - - c m i ) m d e s 的故障诊断模型，并设计了简易 诊断和精密诊断相结合的二次诊断过程。 ( 5 ) 对维修决策技术进行了研究分析，合理应用维修方式决策模型和状态 维修的检测周期计算模型，着重对基于混合维修的设备维修方式决策系统进行了 研究，并建立了维修决策系统的理论模型和计算机模型。 ( 6 ) 对r s - 4 8 5 网络通讯进行了研究，并在r t a d - c m d m i ) e s 中的应用。 1 3 2 论文的结构关系 论文主要分为八个章节，主要包括r t a d - c m d m d e s 的总体设计、数据采集分 析技术的研究与系统设计，故障诊断技术的研究与系统设计、维修决策技术的研 究与系统设计、通讯技术的研究与设计，各个章节的组织结构关系如图1 1 所示， 主要的关系是在相关技术调研的基础上对系统进行了总体设计，并按照总体设计 的框架对各个功能层进行了研究与设计，各个功能层之间是上下位机系统的关 系，通过通讯技术进行数据的交换。 6 1 4 本章小结 图1 1 论文的组织结构 本章主要分析了课题的研究背景，并主要调研和分析了国内外相关技术的发 展现状，分析了轨道车辆门、实时监控系统和维修决策技术的应用现状，最后提 出了本论文的主要研究内容和论文的组织结构关系。 7 硕士论文 2 1 系统的需求分析 轨道交通车辆门系统被广泛的运用于轨道交通设备中，当被使用在高速行驶 中的轨道车辆上时，这就要求其具有很高的安全系数以及很高的可靠性。然而轨 道车辆由于其速度快，且车辆运行环境不断变化，轨道交通自动门系统在运行中 使用频率较高，这就难免会出现故障。 市场需求 但是对于地铁运营商或者乘客来说，故障是不能容忍的，门系统一旦出现故 障，轻则延误乘客乘车时间给乘客带来不便，重则带来严重的交通事故，对乘客 的生命财产安全造成严重的影响，这就要求地铁运营商投入使用的门系统不能出 现任何故障，保障地铁安全运营，比如说上海2 0 1 0 世博会期间，上海地铁运营 商要求门系统的故障率为零，这对地铁门生产商来说较为苛刻，因为门系统的故 障没有间断过。 企业需求 康尼公司( 1 ( n ) 主要生产自动门系统，产品应用于全国各大地铁运营中，并 远销海外，有很强的市场竞争力。门系统出现故障将会直接影响到旅客的人身安 全，所以自动门生产商就要更严格要求自己的产品。自动门系统是一个典型的机 电结合的新型产品，系统分电控、机械传动和执行部件，出现故障时往往很难搞 清楚到底是哪部分出现错误，甚至会出现部门之间推卸责任的现象，如果不能从 根本上解决问题，将会导致类似故障再次发生。所以公司设立多套实验平台，2 4 小时运行，检验产品的可靠性，以便及早发现故障，解决故障，优化设计，但是 产品一旦出现故障，没有故障数据只能凭经验分析故障。 不难看出，生产出可靠性高、故障率低的轨道交通车辆门满足市场的需求； 搭建具有故障数据采集、诊断的实验平台和推出数据自动采集和诊断的智能门系 统来满足企业的竞争需求。 综上，我们将实时监控、故障诊断技术与先进的设备维修理论相结合，来搭 建康尼轨道交通自动门系统的实验平台，该实验平台也是康尼轨道交通智能门系 统研制的一个重要实验和开始阶段，提出了“轨道交通车辆门状态监测、诊断与 维修决策实验系统( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，d i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e d e c i s i o ne x p e r i m e n ts y s t e mo fr a i lt r a n s i ta u t o - d o o r ) 的研究和设计。 下面的段落中将“轨道交通车辆门状态监测、诊断与维修决策系统简称为 “r t a d c m d m d e s 。 8 硕士论文r t a d - - c m d m d e s 的总体设计与系统开发 2 2r t a d - - o 脚m d e s 的功能结构设计 2 2 1 系统的结构环境设计 在康尼机电的车辆门实验室有多套测试实验平台，平台之间互相独立，各个 实验平台的管理也是相对独立的，这就难免浪费了大量的资源，公司急需对各实 验平台集中控制管理，优化使用资源，这里根据调研和讨论将实验平台结构环境 设计如图2 1 所示。理清实验平台控制结构环境的发展规划趋势，对设计 r t a d c m d m d e s 让系统更好的融合到实验室系统中有很大的意义。 实验监控总室 图2 1 康尼实验室实验平台理想结构环境 康尼实验平台理想结构环境主要是由现场测试平台、网络与数据库交换平台 和实验监控总室组成。在康尼实验室实验平台理想结构环境中，将零散的、独立 的、专项测试平台通过网络与数据库技术联合起来，从而达到独立测试，统一管 理和监控的目的。 现场测试平台：主要由康尼现有的实验测试平台组成，有车辆门侧向压载测 试平台、车辆门振动测试平台和车辆门低温测试平台等组成，而r t a d - - c m d m d e s 测试平台也将成为其中重要一员。 网络与数据库交换平台：平台主要是利用网络与数据库技术将现场的测试数 据与总室进行数据传递，并及时反馈总室的控制信号，解决了数据的转存和通讯 问题。 实验监控总室：总室存储着各测试平台的测试数据，并有测试平台的现场监 控画面，实现数据的集中管理，测试集中监控，从很大程度上提高了实验巡视员 9 2r t a d - c m d m d e s 的总体设计硕士论文 的工作效率，减轻了其工作强度。 综上，r t a d - c m d m d e s 的设计必须顺应康尼实验室实验平台结构环境发展及 规划的趋势。 2 2 2 系统的总体架构设计 轨道交通车辆门状态监测、诊断与维护决策实验系统的设计主要是为了解决 以下问题： ( 1 ) 设备2 4 小时实验运行，无人全天监控； ( 2 ) 设备出现故障时，故障原因没有可靠的事实数据判断； ( 3 ) 设备故障期的特征无法捕捉； ( 4 ) 设备故障诊断一般是个人经验较多，没有计算机化； ( 5 ) 设备维修不能把握合理时机和方式。 以上问题都是公司急切解决的问题，也是本系统针对的问题。针对问题的所 在，研究并设计了r t a d c m d m d e s ，顾名思义系统集状态监测、诊断和维修决策 于一体，从结构上来说，r t a d - c m d m d e s 由数据采集分析模块、状态监测模块、 故障诊断模块、维修决策模块和网络通讯模块组成。 r t a 伊伽尬e s iii i 数据采集分析状态监测故障诊断维修决策 网络通讯 图2 2r t a d - c m d m d e s 组成结构 ( 1 ) 数据采集分析模块 数据采集模块是整个系统的底层部分，也是任务最重的部分，该模块的主要 任务是采集现场数据，对信号进行相应调理，为上层提供良好的数据源。 ( 2 ) 状态监测模块 实时监控模块是整个系统的窗口，用户可以通过它观察到参数的实时变化， 模块具有报警功能，报警设置等功能。 ( 3 ) 故障诊断模块 故障诊断模块在系统中扮演着重要的角色，它帮助用户阅读信号更深层的信 息，并能形象的表现出来，判断设备的状态，为决策提供很好的帮助信息。 ( 4 ) 维修决策模块 维护决策模块是根据数据分析的结果，设备的状态，对设备相关部件的维护 提供相关的维修决策支持。 ( 5 ) 通讯模块 1 0 硕士论文 r t a d - - c m d m d e s 的总体设计与系统开发 通讯模块是数据传输的纽带，它将采集的数据传输给上位机，以及为系统的 扩展或兼容提供接口。 各模块之间联系紧密，在数据采集模块的基础上，上位机对数据进行分析， 故障诊断模块将对数据分析的结果进行识别和诊断，维修决策模块将根据诊断结 果，对系统提供合适的决策信息，状态监测模块对门系统的相关参量实时检测， 监控数据的异常，以报表、图形等形式反映给用户，如图2 3 所示。 下位机 上位机 图2 3 各模块之间的关系 在图2 4 中给出了r t a d - c e ) m d e s 总体架构设计。 应用层 功能层 驱动层 硬件层 系l 状i 诊l 故l 数i 维i 维l 设i 远 统i 态i 断i 障l 据i 修l 修l 备l 程 管l 监l 推i 管i 管l 决i 管i 管 通 理i 控l 理i 理i 理f 策i 理l 理i 讯 模f 模l 模l 模i 模f 模l 模l 模l 模 块i 块i 块i 块i 块i 块i 块i 块i 块 通信接口 通信协议 采 i 言 l 衾 样 i嚣i 至 通 信 驱 动 电 源 管 理 数 据 存 储 任务管理和文件系统 传感器 加 d 渔 甏髫雨 通用接口 处理器i “y 1 li o 人机交互接口 2r t a d - c i v i d m d e s 的总体设计 硕士论文 从图2 4 中可以看出，r t a d - c m d m d e s 总体架构包括5 个层次：( 1 ) 硬件层。 硬件层包括了嵌入式系统的硬件设计，硬件设计中根据系统采集数据的功能要求 选择合适的传感器、微处理器、显示模块、通讯接口等，并根据硬件的参数手册 设计和连接电路，完成整个电路的设计；( 2 ) 驱动层。驱动层也就是与硬件层相 对应的软件层，按照数据采集的功能要求编写软件，驱动底层设备的运作，实时 管理各种任务，协调各种任务以及硬件之间的合理工作，包括采样、实时时钟、 人机交互、通信驱动、电源管理和数据存储；( 3 ) 通信层。通信层是嵌入式系统 与上位机联系的桥梁，通信层包括接口和协议，通信层按照相应的格式，遵循相 应的协议将数据包发送给上位机和下位机，接收到数据包后，上下位机按照格式 和协议解译数据包，取得数据；( 4 ) 功能层。功能层是系统的核心，主要包含下 面几个部分：系统管理模块、状态监控模块、诊断推理模块、故障管理模块、数 据管理模块、维修决策模块、维修管理模块、设备管理模块和远程通讯模块；( 5 ) 应用层。在系统网路联机后，用户可以根据系统的说明，使用r t a d - c m d m d e s 的 各项功能，展开r t a d c m d m d e s 的实际应用。 2 3 系统的开发流程 r t a d - c m d m d e s 是一套集软硬件、诊断理论、决策理论于一体的先进智能系 统，项目组和企业对该系统都给予了很高的期望，类似的系统目前很少应用于轨 道车辆门，在这里系统的开发必须严格遵守相应的开发流程，确立相应的阶段里 程碑，从而使项目有效、顺利的运行。如图2 5 所示，在r t a d - c m d m d e s 的开发 中，项目将经历项目立项阶段、项目总体规划阶段、项目规划设计阶段、项目验 证评审阶段、项目全面实施阶段、项目调试评审阶段和项目交结阶段。 1 2 硕士论文r t a d - c m d l v l d e s 的总体设计与系统开发 阶段 开发流程阶段结果 i 成立项目组任命i i 幻q 门系统检铡l 。i 项目建议、可行性i i 可行性分析报告 l 项目组长及成员广1现状分斩1 分祈及预期晨望l 2 硬且任务书 3 项目威曼裹及分工 t 项目立项 i a m n 自；h 阶段 ：l e 2 1 f 1 j 屉皿1 翼 j 项目任务书签发 1 需隶分析报告 项目需求分析 2 需求分析评审报告 项目总体 j3 项目计划书 规划阶段 需隶分析评审反馈卜叫 需求明确 4 系统定义文档 1 l 5 系统分析报告 篇嚣瓣h 系统分斩h 系缎义 一 硬件设计规划 l 项目计捌书评审意见 z 系统叠体絮构文格 驱动层设计规划3 系统絮j 旬评审报告 4 硬件设计觏爿文挡 项目规划 系统分析评事广 1 构删 苯俐最日 广 通信廛设计规捌 5 驱动层设计规划文档 设计阶段 矗通信层设计规捌文挡 j功笼层设计规划 7 功蓖屡设计规捌文植 系统鬈构规剜评审 1 应用层设计规划文档 应用层设计觏捌 硬件实验性搭建l l 验证试验设计方蠢 2 实验效果报告 软件编j 罡驱动， 3 试验评审报告 项目验证 简单任务管理 阶段评审 4 试验改进方寡 验证设计和实验卜 i 讯设计与裳试 一验证讦审与反馈 系统功能准鲁 和实验 用户应用界面设计一 改进实验、评审 i 1 硬件档案。 项目全面 据需硬件j 型| 一组同实蓝卜 2 电黯设计方裹 3 叠讯设计方寨 实施阶段 i 电路设计和制版il 最据采集功能li5 ：i 警辇擎l 4 软件程序 5 各功能筷赣设计文挡 l 软件璃程驱动卜_ 叫 同络连接 6 实施方裹 j 功能实燕 h 功能层各模块实现 项目调试 0 l 评审报告 评审阶段鲁篓蓍警h 评审反馈h 蔓改调试 z 蔓改方案 i 项目交结 j 1 项目技术报告 项目技术文挡和使 阶段 用说明撰写 2 系统使用说明书 图2 5 项目的开发流程 2r t a d - c m d m d e s 的总体设计 硕士论文 2 4 本章小结 本章主要对系统从市场和企业的角度进行了需求分析，对康尼实验系统的结 构环境进行了规划，提出了r t a d - c k f f ) m d e s 的总体框架设计，并从项目开发的角 度，介绍了整个项目开发的流程和进展，为下面系统的研究和设计理清了系统的 整体关系。 硕士论文r t a d c m d m d e s 的总体设计与系统开发 3r t a d - c m d m d e s 数据采集分析技术的研究与系统设计 3 1 数据采集分析技术的研究与应用 数据采集分析技术是故障诊断与维修决策系统的“感知 支撑，也是系统的 最底层的部分。数据采集分析显然由数据采集和数据分析两部分组成：数据采集 正是系统的“感”，系统通过“感”测量和搜集设备的相关状态参数信息；数据 分析是系统的“知，系统通过“知 分析设备状态参数的特征。没有“感知 就没有系统的诊断与反馈，它是系统的基础。 数据采集 数据采集是指将现场被测对象的相关参量，通过各种传感元件做适当调整 后，再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数 据处理和存储记录的过程心1 。相应的系统称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，d a s ) 。随着计算机技术以及其他学科的综合发展，数据采集系统的好坏 已经由单一的速度和精度向更高层次发展，比如分辨率、接口能力和抗干扰等方 面。 目前数据采集系统的形式很多，功能各异，但从其基本结构上来说，最典型 的结构形式有两种：一种是微型计算机数据采集系统，一种是集散型数据采集系 统口3 。本系统中r t a d - c m d m d e s 数据采集系统针对的是多套门系统，各个门系统 需测量的量有多个，根据这一特点，本系统采用集散型数据采集系统结构，如下 图3 1 所示，在康尼轨道交通自动门数据采集实验系统中，每一个门对应一个数 据采集站。 图3 1 集散型数据采集系统 3r 工a d c m