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摘要：為解決直線電機氣隙人工檢測中存在的檢測效率低、檢測數據不精準等問題，設計了一種基于激光位移傳感器的氣隙在線檢測系統。該在線檢測系統的硬件包括車輪軸位傳感器、車號識別裝置、可編程邏輯控制器、激光位移傳感器等；系統的軟件包括數據采集單元、數據處理單元和Web單元；系統完成后，進行了實際現場運行試驗，結果證實系統的精準性和穩定性能夠滿足運營檢修需求。
關鍵詞：地鐵；直線電機；氣隙；激光傳感器；動態檢測
直線電機地鐵具有眾多優點，例如較強的爬坡能力、可促使軌道交通系統小型化、可通過較小半徑曲線等，但其氣隙間距較難控制，這也是阻礙直線電機軌道交通發展的最大原因[1]。運行能耗與直線電機氣隙間距有著緊密的聯系，如果直線電機氣隙間距過大，在同等列車動力下所需勵磁電流也較大；如果氣隙間距過小則容易發生電機刮擦，導致電機燒毀，甚至造成安全事故，影響地鐵正常運營。因此，國內外各大地鐵公司非常注重直線電機氣隙間距的控制。由于氣隙間距需動態測量，且受到眾多因素干擾，例如磁場干擾、現場環境等，因此，動態檢測難度較大[2]。傳統氣隙間距測量的方式是手工測量，該方法測量強度較大，且存在較大的人工誤差，同時無法對氣隙間距進行動態檢測，因此，對突發性事件無法預知。國防科技大學呂梁學者提出了一種基于電渦流法的直線同步感應電機氣隙檢測方法[3]，該方法需要在軌枕上方安裝2個檢測線圈且分別對準直線電機齒槽位置，通過電渦流傳感器檢測線圈的等效電感，利用檢測線圈電感與直線電機氣隙一一對應的關系，實現直線電機氣隙間距自動測量，但實際列車運行環境受振動等因素影響，線圈無法精準地對準齒槽的位置，因此，無法精準地測量電機氣隙間距。國內地鐵工程師王保堅于2009年提出將激光技術應用于車輛直線電機氣隙測量的想法[4]，但由于在關鍵技術上遇到了較多的困難，該想法并未能在工程上實現。綜合上述思想，本文提出一種基于激光位移傳感器的氣隙在線檢測系統，可以進行氣隙間距的實時測量，并向運營維修部門提供列車實時的運行狀態，保證列車安全運行以及給電機維修提供科學依據。
1系統總體結構
系統整體結構如圖1所示（PLC為可編程邏輯控制器）。氣隙在線檢測系統分為現場控制單元、現場數據采集單元、數據傳輸單元、數據存儲單元、數據處理單元和Web單元?，F場控制單元負責實時控制現場數據采集單元和提取車號信息?，F場數據采集單元負責氣隙數據的高速采集。數據傳輸單元將采集的數據通過TCP/IP[5]協議傳輸至存儲服務器。數據存儲單元負責存儲原始氣隙數據和經過特定算法處理后的氣隙數據。數據處理單元通過特定算法處理原始氣隙數據。Web單元將處理后的氣隙數據以圖表的形式動態顯示，并實現實時監控報警、行車報表查詢、數據趨勢分析、閾值設定、設備狀態查詢等功能。
2硬件系統設計
直線電機氣隙在線檢測硬件系統中包含現場控制單元和現場數據采集單元。設備安裝布置如圖2所示，沿列車運行方向傳感器布置分別為車輪軸位傳感器、車號識別天線、激光位移傳感器。其現場設備安裝圖如圖3所示。
2.1車輪軸位傳感器
車輪軸位傳感器主要負責列車定位，該傳感器是基于電磁感應原理實現的。當列車車輪接近軸位傳感器時，傳感器輸出高電平，并觸發PLC模塊告知數據采集軟件開啟數據高速采集。根據系統需求，本系統選擇圖爾克公司型號為NI50U-CK40-VP4X2-H1141的傳感器作為車輪傳感器，該傳感器封裝性好，安裝簡單，具有良好的抗振性、較強的抗干擾性和耐候性，能夠適應城市軌道交通線路上的各種惡劣環境。
2.2車號識別系統
車號識別系統[6]是指在列車車底安裝的固定車號信息的電子標簽，以及在站點特定位置安裝的地面自動識別裝置。當列車通過地面自動識別設備時，該列車的車號信息被自動識別并通過RS485串口傳至PLC進行車號信息提取，為系統其他單元提供車輛信息。根據系統需求，選擇深圳國宇源創的鐵路車號自動識別裝置，型號為GYYC900型，該裝置是基于射頻信號和空間耦合原理的自動識別技術實現的，具有體積小、質量輕、安裝簡便等優點，非常適合城市軌道交通線上的各種惡劣環境。
2.3激光三角反射式位移傳感器
現場數據采集單元通過激光位移傳感器實現數據實時采集，傳感器是基于激光三角法進行數據采集。激光三角法測量分為直射式與斜射式，直射式適合散射性好的測量物體表面，斜射式測量適合測量表面比較光滑的物體[7-8]。根據系統需求，本系統選擇型號為optoNCDT2300的德國米銥激光測距傳感器作為現場數據采集單元硬件設備，該傳感器是基于斜射式激光三角法進行數據采集。
2.4可編程邏輯控制器
在本檢測系統中，PLC的主要功能為開啟與關閉系統、處理與傳輸車號信息、觸發脈沖控制激光位移傳感器數據采集，選用西門子公司型號為S7200-SMART的PLC作為系統可編程邏輯控制器。該型號PLC是S7-200的升級版，集成了S7-200眾多優點，擁有豐富I/O點數的CPU模塊，產品配置靈活，拓展方便，同時CPU模塊配有以太網接口，可以與計算機進行通信，輕松組網[9]。
3軟件系統設計
檢測軟件系統主要由3個部分組成：數據采集單元、數據處理單元、Web單元。
3.1數據采集單元
數據采集單元流程圖如圖7所示。當列車駛入設備安裝區時，PLC會接收車輪軸位傳感器輸出的高電平，同時接收車號識別主機發送的車號信息。PLC收到信號后通過TCP/IP協議將開啟數據采集的信號以及車號信息發送給數據采集單元，從而實現數據高速采集。
3.2數據處理單元
數據處理分為3大部分：數據預處理、提取電機數據和提取齒數據。數據預處理包括數據角度和高度的校正以及干擾數據的剔除，數據預處理為精準提取各齒數據提供良好的基礎。各電機氣隙數據通過閾值差分法獲取，利用差分法能夠提取每一個電機頭尾數據的橫坐標，但依然存在局部干擾數據，在本系統中稱為“假電機”，即其類似電機形狀但點數較少。通過大量過車試驗，發現列車均以勻減速形式進站，每個電機采集到的點數至少為3000個，故在提取坐標范圍后可通過閾值形式排除假電機，進而精準地提取各電機的采集數據。為了更精準地提取各電機各齒數據，利用密度聚類分析（DBSCAN）和五點模板匹配法[10-12]進行齒數據的提取。五點模板匹配法是指在局部數據塊中利用數據閾值法和高度差分法找到第1個完整鋸齒狀圖形。該方法設計思想來源于列車車底的實際情況，經現場考察，發現列車直線電機初級的第1個齒必須上升沿階躍。設計該方法的目的是為了精準地找到第1個齒和最后1個齒，其原理示意圖如圖8所示。在設置合理的鄰域距離閾值和鄰域中樣本個數的閾值情況下，利用密度聚類算法能精準地提取密集數據塊。提取后的數據塊還需結合齒的特性和個數并結合五點模板匹配法，才能精準地提取電機每一個齒的具體信息。經密度聚類算法提取后的效果圖如圖9所示。提取齒數據算法流程圖如圖10所示。
3.3Web單元
氣隙Web單元包括5個模塊，分別為：用戶中心模塊、行車報表模塊、故障報表模塊、數據分析模塊和系統管理模塊。Web單元從開發的角度可分為后臺服務端（后端）和前臺顯示端（前端），其中后端是基于SpringBoot、Mybatis和MVC框架實現[13]，前端使用HTML5和CSS3搭建靜態網頁，并利用AngularJS和Highcharts框架開發所需功能[14]，前、后臺端采用RESTful架構方式進行數據交互[15]。Web單元如圖11所示。
4現場試驗與分析
為了驗證系統測量的精確性和可靠性，2018年5月4日在安裝點進行現場試驗，選取指定列車2號電機的特定齒作為動態檢測對象，采集10次過車的數據，并與標準值進行對比。由于過車車輛電機氣隙數據沒有絕對的標準值，氣隙間距僅依靠人工進行測量，因此，為降低人工測量誤差，要求測量員在測量過程中對同一個齒進行3次測量，并取其平均值作為最終標準值，現場人工測量電機氣隙數據如表1所示，在線檢測系統測量氣隙數據如表2所示。由表1、表2可知，10次系統測量與人工測量平均偏差均在0.2mm之內，說明系統測量具有很好的穩定性，同時氣隙、槽深和槽楔的最大偏差值均在0.2mm之內，說明所研究的檢測系統具有較高的測量精度，完全滿足現場檢修要求。廣州地鐵于2019年9月委托廣州計量院對本文設計的氣隙在線檢測系統進行了功能和性能測試，測試地點為廣州地鐵飛沙角站。功能測試內容為系統各部分間相互作用，測試結果為正常；性能測試的內容包括：①靜態測量標定架的階梯尺寸；②動態重復性測試，對同一列車的直線電機的氣隙值分為上行和下行進行多次測量，并比較幾次測量的重復性。測試結果表明，本文設計的氣隙在線檢測系統測量誤差均滿足系統指標±0.3mm的要求。
5結束語
本文提出一種基于激光位移傳感器的直線電機在線氣隙檢測系統，能夠實現精準可靠地檢測直線電機氣隙的間距，同時完成數據存儲與數據可視化功能。經現場試驗證明，該系統的測量精度完全滿足測量誤差要求且系統測量優于人工測量。因此，本文提出的基于激光位移傳感器的直線電機在線檢測系統能夠取代工人手動測量，減輕測量勞動強度，為列車直線電機的維修和調整提供科學依據。
作者:陳曉亮 朱佳偉 朱凌祺 邢宗義 單位:廣州地鐵集團有限公司 南京理工大學