基于工业以太网的动车组失稳检测系统的制作方法

本实用新型是关于轨道交通列车车辆安全检测技术，特别是关于一种基于工业以太网的动车组失稳检测系统。

背景技术：

高速列车运行过程中，随着列车速度的提高，列车所处的动态环境变化非常迅速，轮轨间动力作用不断加剧，同时线路不平顺产生的激扰或者列车本身固有部件的故障，会导致列车横向稳定性异常，如不能及时发现，就会造成列车横向失稳，危及行车安全。

高速动车组转向架监测技术在安全监测中是近年来不断引起重视的一个领域，我国近年来提出的动车组安全监测标准，明确提出要进行高速转向架横向失稳的状态监测。众所周知，引起转向架横向失稳的第一要素是轮对踏面锥度，其他要素包括例如转臂定位节点的刚度，抗蛇行减振器的性能等。而这些要素都会随着各种运用工况、运用里程的增加，使磨耗加剧，性能下降。因而通过监测横向稳定性亦可实现转向架的状态维修。

我国早在十几年前就开始对客车转向架失稳检测技术进行研究，在这方面积累了丰富的经验。针对高速动车组的转向架失稳检测技术的研究刚刚起步，需要根据高速动车组运行速度高、轨道平顺度、运用工况、转向架结构等特点，研究适用于高速动车组转向架的失稳检测技术。

近年来，随着动车组控制实时性要求越来越高，健康管理和全方位、多维度故障诊断及维修要求的提升，以及各种新的服务不断出现，诸如视频传输、远程诊断、旅客信息服务等,使得列车通信的信息传输量大大增加。既有TCN网络在传输业务多样化、带宽及传输速率、成本和兼容性等方面已不能适应动车组发展新需要，暴露通用性差、通信速率较低的瓶颈。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种基于工业以太网的动车组失稳检测系统，以基于以太网通信技术实现动车组失稳检测，解决既有TCN网络在传输业务多样化、带宽及传输速率、成本和兼容性等方面的不足。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种基于工业以太网的动车组失稳检测系统，包括：多个失稳检测装置、多个车厢级网络传输模块及一列车级网络；每一失稳检测装置对应连接至一个车厢级网络传输模块；所述失稳检测装置包括：失稳检测传感器，数据采集卡及控制板卡；

所述失稳检测传感器设置于车厢内的横向转向架上，用于实时采集列车的横向振动信号，并将其转化为电信号；

所述数据采集卡连接所述失稳检测传感器，接收所述电信号，并对所述电信号进行前值滤波及模数转换，输出加速度数字信号至所述控制板卡；

所述控制板卡接收所述加速度数字信号，输出包含报警指令的诊断结果；

所述车厢级网络传输模块连接对应的控制板卡，用于将对应的控制板卡生成的诊断结果通过交换机/路由器传输至所述列车级网络；

所述列车级网络将所述诊断结果传输至列车控制端。

一实施例中，每一失稳检测装置中失稳检测传感器至少包括两个横向加速度传感器，分别设置在车厢的一、二端转向架上，两个横向加速度传感器呈对角线分布。

一实施例中，所述车厢级网络传输模块包括：车厢级以太网及I/O模块；所述车厢级以太网通过I/O模块连接所述控制板卡及交换机/路由器；所述车厢级以太网通过所述列车级网络获取列车基本信息、运行信息及安全信息。

一实施例中，所述失稳检测传感器包括：传感器外壳、检测电路板、电缆、宝塔接头、橡胶塞、锁紧螺母、加速度计、调理电路、电压输出变换电路及所述连接器；

所述传感器外壳上设有一具有螺纹的连接孔，并且所述传感器外壳的内部设有第一台阶部，所述检测电路板与所述第一台阶部固定连接；所述加速度计、调理电路及电压输出变换电路设置在所述检测电路板上；所述电缆穿过所述宝塔接头、橡胶塞的通孔、锁紧螺母及连接孔，一端焊接在所述检测电路板上，另一端连接所述连接器，所述连接器连接至数据采集卡；

所述宝塔接头的尾部具有内螺纹孔及外螺纹，所述橡胶塞置于所述内螺纹孔中，所述锁紧螺母的螺纹与所述内螺纹孔连接以夹紧所述橡胶塞；所述的外螺纹与所述的连接孔的螺纹连接。

利用本实用新型，可以基于以太网通信技术实现动车组失稳检测，解决既有TCN网络在传输业务多样化、带宽及传输速率、成本和兼容性等方面的不足，使得动车组网络通信通用性更强，集成性更强，传输速率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的失稳检测装置的结果示意图；

图2为本实用新型实施例的失稳检测传感器的安装位置示意图；

图3为本实用新型实施例的失稳加速度传感器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的失稳加速度传感器的整体结构示意图；

图5为本实用新型实施例的失稳检测传感器的宝塔接头示意图；

图6为本实用新型实施例的失稳检测传感器的工作原理图；

图7为本实用新型实施例动车组以太网分层结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以太网是当前应用最为广泛的局域网通信技术，具有通用性强，集成性强，传输速率高的特点。在列车网络中可以实现在不同组网之问的互用和兼容。随着各种新型大数据应用需求的提出，以及未来的高速列车网络对高带宽的要求，既有的这些总线网络拓扑单一、消息传播速率低、组网灵活性差、吞吐能力有限，以太网技术在解决传统列车网络技术面临的这些缺陷和不足上展现了其网络性能上的巨大优势。它不仅能够完成列车通信网络中的高层应用功能，也能够连接底层车载控制设备，建立集列车控制功能与乘客信息服务功能为一体的新型宽带网络，实现地铁列车多业务网络融合，这是列车网络必然的发展趋势。

基于此，本实用新型实施例提供了一种基于工业以太网的动车组失稳检测系统，包括：多个失稳检测装置、多个车厢级网络传输模块及一列车级网络。

每一失稳检测装置对应连接至一个车厢级网络传输模块。

如图1所示，失稳检测装置包括：失稳检测传感器(简称传感器)，数据采集卡及控制板卡。

作为整个失稳检测装置的最前端，失稳检测传感器设置于车厢内的横向转向架上，用于实时采集列车的横向振动信号，并将其转化为电信号。

一实施例中，每一失稳检测装置中失稳检测传感器至少包括两个横向加速度传感器，分别设置在车厢的一、二端转向架上，如图2所示的横向加速度传感器1及横向加速度传感器2，两个横向加速度传感器呈对角线分布。图2所示的失稳检测装置中还可以包括其他传感器，如图中黑点所示。

如图1所示，数据采集卡连接失稳检测传感器，接收所述电信号，并对所述电信号进行前值滤波及模数转换(数据采集卡将滤波后的电信号发送至A/D转换器进行模数转换)，输出加速度数字信号至所述控制板卡。

控制板卡连接至数据采集卡，接收失稳检测传感器输出的加速度数字信号，将加速度数字信号中的加速度值与预设的失稳报警限值进行比较，如果是，输出报警指令。

一实施例中，控制板卡还对失稳检测装置的各功能模块进行实时自检。自检结果及报警指令均属于失稳检测的诊断结果。

本实用新型实施例的动车组失稳检测系统还包括报警单元，用于根据控制板卡输出的预警和/或报警指示执行报警。该报警单元可以包括但不限于：蜂鸣器，警铃，信号灯等。

本实用新型实施例的动车组失稳检测系统还包括：存储器，用于保存预警和报警信息，作为后期的故障诊断及数据分析的依据。

车厢级网络传输模块连接对应的控制板卡，用于将对应的控制板卡生成的诊断结果通过交换机/路由器传输至列车级网络；

列车级网络将所述诊断结果传输至列车控制端。

一实施例中，车厢级网络传输模块包括：车厢级以太网及I/O模块；所述车厢级以太网通过I/O模块连接所述控制板卡及交换机/路由器；所述车厢级以太网通过所述列车级网络获取列车基本信息、运行信息及安全信息。

列车级网络又称为列车级以太网，本实用新型采用工业以太网作为网络通信方式，采用两级网络架构方案，分别是上述的列车级以太网和车厢级以太网。列车级以太网实现多车厢数据通信，每个车厢设置以太网代理节点，多个代理节点之间对等通信，不区分主从。车厢级以太网分布于各节车厢，车厢内部的以太网通信采用星型结构，每个车厢检测设备都具备以太网通信接口，并与本车厢的代理节点互联，经过交换和路由算法，与本车厢或与整个列车进行通信。

本实用新型的失稳检测装置用来检测高速动车组转向架状态，具有转向架横向失稳及时报警、记录、下载及跟踪功能，同时可通过以太网实现与整车网络的互连。

图3为本实用新型实施例的失稳加速度传感器的结构示意图。图4为本实用新型实施例的失稳加速度传感器的整体结构示意图。如图3及图4所示，该失稳检测传感器包括：传感器外壳101、检测电路板102、电缆103、宝塔接头104、橡胶塞105、锁紧螺母106、连接器201及设置在检测电路板102上的加速度计、调理电路及电压/电流输出转换电路。该电流输出型高速列车转向架失稳检测传感器结构简单，安装方便，具有较高的抗冲击强度和防护等级，并确保在恶劣环境下可靠的工作。

如图3所示，传感器外壳101的内部设有台阶部107，检测电路板102与台阶部107固定连接，检测电路板102安装于传感器外壳内部，其他外部组件都是为了实现检测电路板102的保护和信号输出。

另外，传感器外壳101上还设有一具有螺纹的连接孔108，电缆103穿过宝塔接头104、橡胶塞105的通孔、锁紧螺母106及连接孔108。电缆103的一端焊接在检测电路板102上，另一端连接连接器201，连接器201连接至数据采集卡。

该传感器外壳101可以为不锈钢外壳，本实用新型不以此为限。

宝塔接头104的尾部具有内螺纹孔及外螺纹109，橡胶塞105置于内螺纹孔中，锁紧螺母106的螺纹113与内螺纹孔连接，通过拧紧螺纹，可以锁紧橡胶塞105。宝塔接头104的外螺纹109与连接孔108的螺纹连接，以将电缆103与传感器外壳101固定。

一实施例中，传感器外壳101上设有密封槽115，密封槽115放置密封圈116，传感器外壳101与宝塔接头连接时，密封圈116可起到密封作用。

检测电路板102的固定方式有很多种，一实施例中，可以在检测电路板102的各个角(一般为4个)上打孔，通过螺钉(如圆头螺钉)将检测电路板102固定在台阶部107上。

一实施例中，为了保护电路板，可以为传感器外壳101设置盖板110，具体实施时，可以在传感器外壳的内部设置台阶部111，盖板111与台阶部110固定连接，以将所述检测电路板封住。

盖板111具体安装时，为了实现盖板密封，可以在检测电路板102固定在台阶部107之后，先在传感器外壳101与盖板11接触的台阶部111的台阶面上涂上适量硅橡胶，盖上盖板11，然后通过沉头螺钉将盖板固定到传感器外壳上101的台阶部111上。

为了保护电缆103不受损坏，可以在电缆103之外套设橡胶护线管202，橡胶护线管202的一端一般套在宝塔接头104的头部112上。

一实施例中，为了防止橡胶护线管202从宝塔接头104的头部112脱落，可以在宝塔接头104的头部112设置倒刺301，如图5所示。橡胶护线管202一端的内壁与倒刺301接触，倒刺310也可以起到一定的密封作用。另外，为了更好的防止橡胶护线管202从宝塔接头104的头部112脱落，使密封效果更好，可以橡胶护线管202的两端通过喉箍203锁紧。

一实施例中，传感器外壳101上设置有两个侧耳114，在侧耳114上设有安装孔117，通过螺钉或螺栓可将传感器外壳101固定在列车底部车架上。

一实施例中，加速度计为MEMS加速度计，与压电式加速度计相比，MEMS加速度计调理电路简单，抗干扰能力强，该传感器可实现横向加速度信号输出，对高速列车横向加速度精确测量，同时可以测量静态重力加速度，以及运动、冲击或振动引起的动态加速度，可实现传感器状态自检，还可精确检测低频振动。

另外，MEMS加速度计的供电通过基准电压源实现，因为基准电压源与普通电源模块相比具有低噪声、高精度和低温度漂移的特性，保证其检测的准确性和可靠性。

检测电路板102是失稳检测传感器的核心部件，通过检测电路板102上的MEMS加速度计、调理电路和电压/电流输出转换电路，可以实现加速度信号的采集、调理和电流信号输出，请参见失稳检测传感器的原理图6。失稳检测传感器采集到的模拟信号经过调理校正后，经连接器连接输出至数据采集卡，由数据采集卡发送至控制板卡进行数据分析，判定高速列车转向架失稳状态，输出包含报警指令、模式识别、自检结果等的诊断结果。失稳检测传感器具有自检功能，可以在使用过程中检测并报告传感器状态，同时由于其为电流输出型传感器，信号传输时抗干扰能力强。

图7为本实用新型实施例动车组以太网分层结构图，如图7所示，以太列车通信网络的网络拓扑是包含一个或多个列车骨干网络子网和一个或多个列车编组网络子网的分层结构，终端设备(End Device，ED)可以直接连在以太列车骨干网节点上。

图7中上层是以太列车骨干网(Ethernet Train Backbone，ETB)，是列车级以太网，呈线性拓扑结构贯穿全列车，在列车上ETB网络可以分为车厢内部、车厢连接、列车编组内部三个区域，分别是在某节车厢、车厢之间、编组接口处的无源组件和有源网络设备等，例如列车级的以太网交换机和中继器。

下层是以太列车编组网(Ethemet Consist Network，ECN)，是车辆级以太网，列车编组网中ECN和终端设备ED互连。当一个ECN连接到列车骨干网时，需要通过一个列车骨干节点(Train Backbone Node，TBN)，或一组冗余的列车骨干节点TBN，TBN可以在ECN和列车骨干网之间转发用户数据包。

利用本实用新型，可以基于以太网通信技术实现动车组失稳检测，解决了既有TCN网络在传输业务多样化、带宽及传输速率、成本和兼容性等方面的不足，使得动车组网络通信通用性更强，集成性更强，传输速率更高。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。