Remote Condition Monitoring for London Underground
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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 亿人次。该线路在高峰服务期间每年运送 8910 万乘客，提供地下网络中最密集的服务。在过去的八年里，一项 10 亿英镑的投资计划升级并更换了维多利亚线的机车车辆和信号和控制系统，以提供每小时运行超过 33 列列车的服务。新的信号系统使用 385 条无缝轨道电路 (JTC) 来检测列车位置、保持安全的列车间隔并提供能够满足极其苛刻的时刻表的列车头程。轨道电路是列车检测的唯一手段，对铁路的安全可靠运行起着至关重要的作用；然而，在设计和安装过程中没有提供任何状态监测。由于资产的关键性质，故障轨道电路对服务产生重大影响，并构成维多利亚线乘客利益损失的最大原因，自推出以来已达 150 万英镑（伦敦地铁 CuPID 轨道电路故障数据库自 2012 年以来）。由六名具有铁路、软件、电气、机械、网络和工程背景的专业工程师组成的维多利亚线状态监测团队提供了解决方案。 National Instruments Silver Alliance 合作伙伴 Simplicity AI 通过提供额外的软件咨询服务来支持该项目。我们利用公司广泛的专业知识，在概念设计后的一年内将该系统交付到运营铁路上。该项目的范围包括设计、集成和安装一个智能远程状态监测系统，该系统可以对 45 公里长的深管铁路上的所有 385 个 JTC 的电压和频率进行实时分析，以预测和防止故障和随后的损失客运服务。我们利用 NI 硬件和软件的准确性、可靠性和灵活性来实施创新系统，以减少维多利亚线上的客户时间损失。该系统预计每年可减少 39,000 小时的客户损失时间——估计每年可在乘客损失方面节省 350,000 英镑。
维多利亚线部署了可变长度频率驱动的调谐电气 JTC。当火车穿过线路时，电路会通电和断电。每个 JTC 包括一个与轨道电路频率匹配的电子接收器单元（4 至 6 kHz 频移键控），它处理输入信号并向监控点提供样本，可用于检查轨道电路的健康状况.在引入该系统之前，我们必须定期使用数字万用表在现场手动监测每个轨道电路的状况。随着NI CompactRIO系统的安装，我们现在可以同时从线路上的所有轨道电路远程获取JTC监控点样本，这意味着维护团队可以在设备故障发生之前主动预测和预防。我们查看了数据采集产品的不同供应商并得出结论，尽管其他产品可能已经满足了最初的要求，但没有其他产品能够提供 CompactRIO 平台的灵活性、可扩展性和性能。多样化的输入模块以及使用 NI LabVIEW 平台轻松定制板载软件的能力也意味着我们可以使用通用平台交付更多的状态监测项目，这将减少设计和开发硬件和软件的时间。更广泛的数据输入。由于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 设备之间引入独立的隔离栅。我们与总部位于美国的 Dataforth 合作设计了一个 SCM5B 隔离模块，以在 CompactRIO 设备和被监控的轨道电路之间提供电流隔离。 SCM 系列隔离模块可以通过接收器的严格测试设备要求，并为 CompactRIO 采集提供准确且兼容的输出信号副本。隔离层加上 NI 硬件的低故障率确保我们可以在不损害维多利亚线信号系统的 SIL4 安全完整性的情况下安装系统。我们根据 CENELEC 铁路应用标准对硬件进行了广泛的工程安全分析，并获得相关安全机构的批准，以确保和验证设计。我们将来自 CompactRIO 设备的数据采集分布在 14 个地理上独立的站点，这些站点都是专门为此应用安装的新的高带宽光纤网络的一部分。 CompactRIO 硬件的灵活性与 NI LabVIEW 软件相结合，意味着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控服务器。这是设计和交付真正的远程状态监测系统的关键要求。中央状态监控服务器处理来自每台 CompactRIO 设备的实时 10 Hz 数据流，每秒总计超过 7,000 个数据样本。轻量级的 CompactRIO 数据传输协议确保中央服务器能够快速分析数据并监控轨道电路是否偏离理想状态。系统将每个接收到的数据帧与定义的标准频率和电压进行比较，因此服务器可以对连接到 CompactRIO 输入通道的每个轨道电路的健康状况做出独立决定。此外，服务器将所有数据存储在近线和远线数据库架构中，因此我们可以分析大型数据集的长期趋势。中央服务器可以将资产状况警报推送到人机界面 (HMI)。 HMI 是一个大型触摸屏设备，可显示维多利亚线轨道电路配置的精确缩放副本。用户可以通过自然的触摸手势直观地导航显示的信息，清楚地识别线路侧资产状况并接收预测的设备故障警告。我们计划部署两个 HMI 以加快响应速度——一个在 Victoria Line 控制中心，另一个在维护控制中心。两者都可以由信号维护人员使用。我们可以通过一次触摸远程询问铁路上的每个轨道电路，使用从线路侧 CompactRIO 设备流式传输的数据向用户呈现均方根 (RMS) 电压、频率和轨道状态信息的实时图形表示。除了 HMI，一套触摸屏设备可以在线路侧设备室以及通过智能手机或平板电脑显示 CompactRIO 数据。这意味着来自 CompactRIO 设备的数据可以通过连接到新的状态监测网络在维多利亚线的任何地方获得。我们选择 Simplicity AI 来开发 CompactRIO FPGA 和实时软件。虽然 London Underground 有内部的 LabVIEW 开发人员，但我们在这个项目中使用了 Simplicity AI，因为该公司拥有高水平的 FPGA 和实时经验。该公司在三个月内提供了完整的文档、源代码以及长期稳定性和压力测试的结果，以确保 CompactRIO 系统可以确保达到适合在伦敦地铁基础设施的安全关键环境中使用的水平。对于每个部署的单元，我们将 NI cRIO-9025 控制器与 8 插槽 NI cRIO-9118 机箱配对。我们可以使用多达 8 个 NI 9220 模拟输入模块来为每个 CompactRIO 系统提供最多 128 个物理输入。我们之所以选择此配置，是因为它提供了所需的处理能力，并为冗余网络操作提供了双网络端口，以最大限度地延长系统正常运行时间。 CompactRIO 平台帮助团队采用自下而上的方法开发系统，因为在我们获得早期资产数据之前，不断变化的规范是未知的。这个灵活的平台适应了应用程序功能开发的快速迭代，从而节省了大量的项目交付时间。早期，我们面临在 FPGA 上同时计算所有 128 个通道的频率和 RMS 电压的挑战。 Simplicity AI 通过提供串行处理架构解决了这个问题，该架构使用 FPGA 的高时钟速率来顺序处理每个通道的数据。该软件为每个通道建立一个 10 ms 的缓冲区，然后遍历每个缓冲区并计算频率和 RMS 电压。伦敦地铁部署的一个关键特性是系统由不熟悉 NI 软件和 CompactRIO 平台的铁路技术人员安装、调试和维护。 Simplicity AI 通过标准 XML 文件格式的简单外部文本文件为每个位置提供了一个通用软件包。我们使用复制和部署 (RAD) 实用程序开发了一个应用程序，它自动将系统和应用程序软件连同正确的配置文件安装到 CompactRIO 设备的过程。 CompactRIO 部署工具简化了系统的部署，提高了安装效率，并允许从集中管理的位置远程部署、配置和更新 CompactRIO 设备。当伦敦地铁和 Simplicity AI 工程师作为联合团队在项目的不同部分并行工作时，这种远程一键式配置在开发阶段也证明是非常有益的。
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