伦敦地铁依靠基于FPGA的辅助跟踪监测系统保持列车的安全运行

作者:Dave Wilson,学术营销总监,国家仪器(NI)

每年大约有17亿人乘坐伦敦地铁,单单就维多利亚线路(Victoria Line)来说,每小时会通过33次列车,每年会运送2.13亿的乘客。 利用大约8年的时间花费了大约10亿英镑的投资完成了对维多利亚线路上的全部车辆和信号控制系统的更新与升级。这个新升级的系统使用了385个JTC电路(无绝缘轨道线路),实现检测列车的位置,保持列车之间的安全距离,实时传达列车的行进速度,要能满足线路上要求极其苛刻的时间表。在维多利亚线路上JTC电路是目前实现列车检测的唯一方法,在列车的安全可靠运行方面起着非常重要的作用。然而,在新轨道的设计与安装期间对于轨道的状态检测标准没有被制定,这是一个非常大的问题,每年伦敦地铁轨道信号失灵的故障大约要花费17亿英镑的运营成本。

现代的铁路轨道往往是连续焊接,在轨道安装期间节点处要被牢固的焊接起来。无绝缘轨道带来了很多的好处除了实在是很复杂的铁道信号,因为在整个轨道上没有自然的断开点,不能将信号按区域进行划分。相反的是,在不同区域段内采用不同的音频信号频率,在每段区域的界限之内调谐电路覆盖了整个区域内的轨道,来确保特定频率的信号跟踪监测是特定的轨道区域。

伦敦地铁的维罗利亚线路采用的是长度可变、频率驱动、电气调谐的无绝缘轨道线路(JTC)。在列车通过每段轨道区域的时候,这个线路能够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,能够匹配每段轨道线路的频率。这个接收器能够处理输入进来的信号,并且能够提供一个采样信号用来检查轨道线路的健康状况。

轨道升级完成后,查看评估轨道健康状况的传统方法是要人工利用一个数字万用表手动去检查每段轨道线路的使用情况,这样的检查测试程序与每年大约要运送25亿的乘客相比看起来非常的过时。对于检测和预测轨道故障并能够提前制定防范维护方案,采用自动测试方法是非常有必要的。伦敦地铁的工程师选择了国家仪器(NI)公司的基于FPGA实现的CompactRIO嵌入式可重配置信号控制与数据采集系统,实现对地铁轨道JTC的测试和对运营地铁内的财产和运营情况的实时监控。

下面是这个系统的模块框图:

这个测试系统的设计思路是利用高带宽的光纤网络将CompactRIO单元获取的数据信息分布到14个不同的地址,这个高带宽的光纤网络是专门为轨道测试与监控而安装的。中央状态监控服务器能够实时处理来自每个CompactRIO单元高达10hz的数据流,每秒总共有超过7000个采样数据。这个系统将获取的每个数据帧信息与预先定义好的标准频率和电压进行比较,这样服务器才能够实时的评估每段轨道线路的健康情况。中央服务器能够将轨道的状态警报信息显示到一个人机界面(HMI)上,例如一部智能手机或者一块显示屏上,这样操作人员就能够比较直观的查看显示的轨道状态信息了。

分布放置的每个测试与监控单元使用一对NI cRIO-9025型实时控制器,带有8个插槽的NI cRIO-9118型连接器,并且集成了赛灵思Virtex-5 FPGA系列芯片,能够帮助控制器的微处理器实现计算加速,FPGA的处理能力能够满足在严格的时间界限范围内提供实时的响应,增加了I/O接口灵活性。CompactRIO的连接器与8个NI 9220型模拟信号输入模块连接,能够为每个CompactRIO系统提供最多高达128个物理输入。这个硬件系统的设计是利用了NI公司的LabVIEW图形化系统设计软件和其中的LabVIEW FPGA模块。

伦敦地铁的工程师团队选择了NI公司的合作伙伴Simplicity AI 公司来开发CompactRIO FPGA 系统和实时软件,因为这个公司具有非常丰富的FPGA和实时软件的开发经验。Simplicity AI 公司遇到了要在128个数据通道上同时计算信号频率和RMS 电压值的技术挑战,他们通过利用FPGA的高速时钟频率和性能开发了一个串行处理架构实现了顺序处理每个数据通道的数据。

这个项目已经按照计划交付完成,并且所用经费在预算之内。现在为伦敦地铁提供了一个可靠的,远程自动化状态监测系统,这个系统允许维护人员积极的反应地铁故障,当然是在这些故障发生之前了,就像当初设计设想的那样。

注:来自伦敦地铁的工程师 Sam Etchell, Dale Phillips和 Barry Ward将他们这个项目提交给了2014年度NI 工程影响力竞赛奖励大会,并且进入到了交通运输类别组的决赛,同样在这次竞赛中,这个工程也获得了赛灵思的奖励。

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