London Underground通过远程状态监测每年为2亿乘客提供更可靠的地铁运营

作者：

Sam Etchell - London Underground Limited
Dale Phillips - London Underground Limited
Barry Ward - London Underground Limited

伦敦地铁每年为17亿乘客提供服务，其中维多利亚线占2.13亿。该路线每年在高峰时段的运送人次多达8,910万​，为地铁网络提供最密集的班次服务。过去八年，伦敦地铁总共投资了10亿英镑来升级和更换维多利亚线的轨道车辆及信令和控制系统，每小时内的运营车辆数超过33辆。新的信令系统采用385个无绝缘轨道电路(JTC)来检测列车位置、维持安全的列车间距，且列车发车间隔能够满足最紧凑的时刻表安排。轨道电路是列车检测的唯一手段，对于铁路的安全可靠运行起着关键作用；但是，其在设计和安装过程中却没有提供任何的状态监测。出于设备重要性方面的考虑，如果轨道电路发生故障，会对轨道服务产生重大影响。新的信令系统引入至今，轨道电路故障造成的损失高达150万英镑，这也是维多利亚线引起乘客出行不便的最大原因（2012年起伦敦地铁CuPID数据库中关于轨道电路故障的记录）。

维多利亚线的状态监测小组对此给出了解决方案。这个小组由6名具有铁路、软件、电子、机械、网络和工程背景的专业工程师组成。NI银牌联盟伙伴Simplicity AI为该项目提供了更多的软件咨询服务。我们利用公司的庞大专业知识库，经过一年的概念设计，为运营铁路开发了一款监测系统。

此项目涵盖了智能远程状态监测系统的设计、集成和安装，该系统用于对45 km长的深隧铁路上的所有385个JTC执行电压和频率实时分析，从而预测和预防故障和后续的客运服务损失。得益于NI软硬件的精度、可靠性和灵活性，我们开发了一款创新型系统，维多利亚线乘客的延误时间显著减少。该系统预计每年可减少39,000个小时的乘客延误时间，即每年大约可节省350,000英镑的乘客损失。

应用概述

维多利亚线部署的是长度可变、频率驱动、电气调谐的JTC。当列车通过线路时会实现上电激励和断电的功能。每个JTC都包含一个电气接收单元，能够匹配每段轨道电路的频率（4至6 kHz频移键控），这个接收器用于处理输入信号并为监测点提供采样数据，从而检查轨道电路的运行状况。

在引进这一系统之前，我们必须使用数字万用表定期在现场人工监测每个轨道电路的状态。在安装NI CompactRIO系统后，我们现在可以同时远程采集线路上所有轨道电路中的JTC监测点的采样数据，也就是说维护团队可以在设备故障发生前主动进行预测和预防。

我们在考察各种数据采集产品的供应商后得出结论，尽管其他产品可能会满足最初的要求，但却无法提供CompactRIO平台的灵活性、可扩展性和性能。借助丰富多样的输入模块以及可通过NI LabVIEW平台轻松自定义板载软件的能力，我们还可以使用一个通用平台来开发更多状态监测项目，缩短为更多数据输入设计和开发软硬件所需的时间。

考虑到轨道电路系统的安全完整性等级(SIL4)，我们需要在接收器单元和CompactRIO设备之间放置独立的隔离屏障。于是，我们与美国的Dataforth开展合作，共同设计了一个SCM5B隔离模块，用于在CompactRIO设备和所监测轨道电路之间提供电气隔离。隔离模块的SCM范围可以达到接收器的严格测试设备要求，还为CompactRIO采集提供了精确且可兼容的输出信号副本。隔离层加上NI硬件的低故障率，可确保我们在不影响维多利亚线信令系统SIL4安全完整性的情况下安装系统。我们根据C​​ENELEC铁路应用标准对硬件进行了广泛的工程安全分析，并且该设计通过了相关安全机构的确认和验证审核。

我们使用CompactRIO设备对分散在14个不同地理位置的站点进行数据采集，这些站点都是专为该应用安装的全新高带宽光纤网络的一部分。CompactRIO硬件的灵活性结合NI LabVIEW软件，使我们可以使用轻量级传输协议将数据实时传输到中央状态监测服务器。这是设计和交付真正远程状态监测系统的关键要求。

中央状态监测服务器负责处理来自每个CompactRIO设备的10 Hz实时数据流，每秒数据采样总数超过7,000个。轻量级CompactRIO数据传输协议可确保中央服务器迅速分析数据，并监测轨道电路是否偏离理想的状态。该系统将每个所接收的数据帧与已定义标准频率和电压进行比较，以便服务器能够独立判定连接到CompactRIO输入通道的每段轨道电路的运行状况。此外，服务器存储了近线和远线数据库架构中的所有数据，方便我们对大型数据集的长期趋势进行分析。

中央服务器可以将设备状况警报发送到人机界面(HMI)。HMI是一个大型触摸屏设备，能够以相应的比例模型精确显示维多利亚线轨道电路配置。用户可以使用自然的触摸手势直观地浏览显示的信息，清楚地确定线路端设备状况，接收预测的设备故障警告。

我们计划部署两个HMI来缩短响应时间：一个在维多利亚线控制中心，另一个在维修控制中心。这两个HMI都可以被信令维修人员所使用。我们只需触摸一下便可远程查询铁路上的每个轨道电路，向用户展示均方根(RMS)电压和频率的实时图形表示，并使用线路端CompactRIO设备的数据流来跟踪状态信息。

除了HMI，还有一套触摸屏设备可以通过智能手机或平板电脑显示线路机房的CompactRIO数据。这意味着只要连接到新的状态监测网络，就可以在维多利亚线的任意位置获得CompactRIO设备的数据。

NI部署

我们选择NI合作伙伴Simplicity AI来帮助我们开发CompactRIO FPGA和实时软件。 虽然London Underground有内部LabVIEW开发人员，但我们针对该项目仍选择Simplicity AI是因为该公司拥有丰富的FPGA和实时软件开发经验。在三个月的时间内，该公司提供了长期稳定性和压力测试的完整文档、源代码和结果，确保了CompactRIO系统能够在London Underground基础设施环境下以所需的安全等级运行。

针对每个部署单元，我们结合使用了一个NI CompactRIO控制器和一个8槽NI CompactRIO机箱。此外，还可以使用多达8个NI-9220模拟输入模块，来为每个CompactRIO系统提供最高128路物理输入。 之所以选择此套配置，是因为它为冗余网络操作提供了所需的处理能力和双网络端口，可有效延长系统的正常运行时间。由于只有采集早期的设备数据，我们才能获得不断变化的规格参数，因此团队借助CompactRIO平台在开发系统过程中采用了自下而上的方法。这种灵活的平台在应用功能开发过程中可实现快速迭代，大大节省了项目交付的时间。

在初期，我们面临的挑战是同时计算FPGA上128个通道的频率和均方根电压。Simplicity AI提供了一个序列流程架构，使用FPGA的高时钟速率依次处理每个通道的数据，成功克服了这一挑战。该软件为每个通道建立了一个10 ms缓冲区，然后对每个缓冲区进行迭代并计算频率和均方根电压。

伦敦地铁部署的一个关键特征是该系统需要由不熟悉NI软件和CompactRIO平台的铁路技术人员进行安装、调试和维护。于是，Simplicity AI提供了适用于每个位置的通用软件包，通过采用标准的XML文件格式的简单外部文本文件即可轻松搞定。我们则使用复制和部署(RAD)工具开发了一个应用程序，可自动使用正确的配置文件将系统和应用软件安装到CompactRIO设备中。

CompactRIO部署工具简化了系统的开发，提高了安装效率并可允许通过一个中央管理位置来远程部署、配置和更新CompactRIO设备。在开发阶段，伦敦地铁和Simplicity AI的工程师精诚合作，并行执行该项目不同部分的任务，这种远程一键式配置也得到了证明，的确非常有帮助。

总结 我们在一年的开发时限内如期完成了项目，包括所有的设计、保证、采购和安装。同时所用经费也在预算之内。该系统提供了一个利用FPGA阵列和实时功能的坚实架构，从而为伦敦地铁网络的部署提供了一个通用平台。我们所交付的远程状态监测系统十分可靠，可使维护人员在故障发生之前主动地作出反应，并可帮助管理层更好地了解设备生命周期。

在推出这一状态监测系统后，我们对JTC的真实行为有了更深入的了解。这有助于我们更好地了解重要的设备、掌握故障轨道电路的行为，并提前确定可能导致故障和维护警报的事件。

作者信息：

Sam Etchell
London Underground Limited
London
United Kingdom
电话：020 7038 3146
sam.etchell@tube.tfl.gov.uk