丁 旭

（通號(hào)通信信息集團(tuán)上海有限公司，上海 200071）

1 壓力傳感器故障檢測(cè)問題引入

鐵路貨車列尾主機(jī)在鐵路列尾系統(tǒng)中，主要功能是采集貨物列車尾部主風(fēng)管的氣壓信息，并將該信息反饋至機(jī)車設(shè)備，該壓力信息將被用于進(jìn)行列車完整性判斷等目的。因此，準(zhǔn)確、可靠地采集列車尾部主風(fēng)管的氣壓信息，對(duì)于后面相關(guān)行車業(yè)務(wù)的處理具有非常重要的意義。

在列尾設(shè)備中，通常采用單個(gè)壓力傳感器進(jìn)行壓力信息的采集，當(dāng)運(yùn)行途中壓力傳感器發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備自身很難確定自己采集的壓力值是否正常。通過比對(duì)列車尾部壓力與機(jī)車壓力，乘務(wù)人員僅能確定首尾壓力不一致，但無法從設(shè)備故障、列車完整性丟失或車輛連接處漏風(fēng)的選擇中，給出正確答案。

下面介紹一些目前的主流檢測(cè)方案。

2 壓力傳感器故障檢測(cè)方法介紹

為解決上述問題，最直接做法是通過增加壓力傳感器的方式形成冗余設(shè)計(jì)。冗余壓力傳感器的使用方式基本有2 種。

方式一：冷備方式

在列尾主機(jī)中配置2 個(gè)壓力傳感器，分別定義為主用壓力傳感器和備用壓力傳感器。運(yùn)行過程中，列尾主機(jī)首先使用主用壓力傳感器工作，備用壓力傳感器此時(shí)處于斷電狀態(tài)。判斷邏輯是通過有限的判定條件（如壓力變化速率、特殊壓力值等）對(duì)采集的壓力進(jìn)行過濾，當(dāng)滿足條件時(shí)，判定該主用壓力傳感器有異常嫌疑。

此時(shí)啟用備用壓力傳感器，如果備用傳感器采集的壓力值與主用偏差在設(shè)定的容忍范圍內(nèi)時(shí)，則繼續(xù)采信并使用主用傳感器；如果偏差大于設(shè)定的容忍范圍，則認(rèn)為備用是可信的，切換至備用。

該方法是基于備用的壓力傳感器的工作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主用壓力傳感器，其故障發(fā)生的概率較主用傳感器低。這種方式的缺點(diǎn)是，當(dāng)觸發(fā)主用異常條件并且備用傳感器已損壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。

方式二：熱備方式

同樣地，在列尾主機(jī)中配置2 個(gè)壓力傳感器，運(yùn)行過程中，兩個(gè)壓力傳感器同時(shí)上電工作，同時(shí)采集2 個(gè)壓力傳感器的值。判斷邏輯如下。

1） 當(dāng)2 個(gè)傳感器采集的壓力值的差在容忍范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為工作正常。壓力值可以任選其中一個(gè)，或者平均后輸出。

2） 當(dāng)2 個(gè)傳感器采集的壓力值的差超出容忍范圍時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)異常。

3） 異常情況下，通過2 個(gè)壓力傳感器各自對(duì)比自己的歷史值，判斷壓力變化速率、或是壓力范圍是否正常。通過對(duì)比，采信參數(shù)更優(yōu)的一個(gè)。

該方法是基于2 個(gè)的壓力傳感器的差異判斷異常出現(xiàn)，每個(gè)壓力傳感器根據(jù)自己的歷史壓力數(shù)值，判斷壓力變化的趨勢(shì)是否符合常規(guī)。這種方式的缺點(diǎn)是，壓力變化趨勢(shì)的場(chǎng)景較多很難量化，當(dāng)對(duì)場(chǎng)景判斷錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。

3 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)以上采用雙壓力傳感器的冗余設(shè)計(jì)，在出現(xiàn)異常時(shí)判定方法的不足，本文提出優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，通過捕獲異常、創(chuàng)造條件和尋找參考來實(shí)現(xiàn)。

1） 捕獲異常

上述熱備方式通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)比對(duì)，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致時(shí)，非常容易捕獲到異常狀態(tài)。所以第一步，通過兩個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)比來捕獲異常。

2） 創(chuàng)造條件

創(chuàng)造條件的目的是制造已知的一種信息，觀察采集到的數(shù)據(jù)是否能夠反饋已知信息，與已知信息一致的一方判定為可信的一方。

在列尾的壓力采集的場(chǎng)景中，可以通過改變氣壓創(chuàng)造條件。這點(diǎn)類比于電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)對(duì)于采集的電壓信息感到異常時(shí)，可以切換到參考電壓采集電路，通過對(duì)參考電壓這種已知信號(hào)的比對(duì)，來判定是否異常。

3） 尋找參考

這種已知的參考信息，具體到列尾壓力采集上可以有2 種形式，分別是變化趨勢(shì)和絕對(duì)壓力。通過列尾排風(fēng)的操作，可實(shí)現(xiàn)壓力降低的趨勢(shì)，觀察傳感器是否能夠反饋這一趨勢(shì)。但這種方式違背了列尾操作的業(yè)務(wù)要求。

因此，找到絕對(duì)壓力作為參考是更加可靠的方式。在列尾的應(yīng)用中，這種隨處可取的、已知絕對(duì)壓力的參考?xì)鈮?，最好的選擇應(yīng)該就是“大氣壓”。

4 實(shí)現(xiàn)方式

4.1 既有設(shè)計(jì)

在應(yīng)用中，列尾主機(jī)通過風(fēng)管與列車主風(fēng)管連接，通過電磁閥控制與大氣是否導(dǎo)通。在列尾的氣路部分的設(shè)計(jì)中，最重要的就是電磁閥和壓力傳感器以及氣壓倉所形成的壓力檢測(cè)單元和排風(fēng)單元。具體結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 列尾壓力檢測(cè)與排風(fēng)單元Fig.1 Pressure detection and air discharge unit at train tail

正常工作時(shí)，電磁閥關(guān)閉，列尾氣壓倉與大氣壓倉不連通。當(dāng)氣壓穩(wěn)定時(shí)，列尾氣壓倉的壓力與列車主風(fēng)管壓力相等，壓力傳感器安裝在列尾氣壓倉，它們采集的壓力即為列車主風(fēng)管壓力（一般約400 ～600 kpa）。

如圖2 所示，當(dāng)列尾主機(jī)收到排風(fēng)指令時(shí)，將電磁閥打開，列尾壓力大于大氣壓力，風(fēng)管內(nèi)的氣體被排到大氣。

圖2 列尾排風(fēng)時(shí)，電磁閥動(dòng)作Fig.2 Movement of the solenoid valve when air is discharged at the train tail

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為創(chuàng)造大氣壓的參考條件，將壓力傳感器的位置進(jìn)行調(diào)整，并增加檢測(cè)倉和一個(gè)電磁閥，形成如下結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimized design

優(yōu)化后，壓力傳感器從列尾氣壓倉移至檢測(cè)倉。正常工作時(shí)，電磁閥1 常開，電磁閥2 常閉，檢測(cè)倉與列尾氣壓倉連通，壓力傳感器檢測(cè)的壓力即為列尾風(fēng)管壓力。當(dāng)排風(fēng)時(shí)，電磁閥1 與電磁閥2 同時(shí)開啟，風(fēng)管氣壓可排到大氣，可實(shí)現(xiàn)與既有列尾相同的檢測(cè)和排風(fēng)功能。如圖4 所示。

圖4 排風(fēng)時(shí)，電磁閥動(dòng)作Fig.4 Movement of the solenoid valves when air is discharged

當(dāng)2 個(gè)壓力傳感器采集的壓力值之差超出容忍范圍時(shí)，將進(jìn)行如下操作。

1）關(guān)閉電磁閥1，開啟電磁閥2，這時(shí)列尾氣壓倉被關(guān)閉，不會(huì)造成排風(fēng)動(dòng)作。另外，檢測(cè)倉與大氣壓倉連通，此時(shí)采集到的壓力即為大氣壓力。

2） 采集壓力傳感器1 和壓力傳感器2 的輸出，更接近大氣壓的一個(gè)即為正常，繼續(xù)采信。

3） 恢復(fù)電磁閥1 常開，電磁閥2 常閉，繼續(xù)使用可信的壓力傳感器進(jìn)行工作，并采取一定的報(bào)警操作，通知更換壓力傳感器，如圖5 所示。

圖5 檢測(cè)時(shí)，電磁閥動(dòng)作Fig.5 Movement of the solenoid valves at the time of detection

通過上述的優(yōu)化方案，創(chuàng)造已知的大氣壓作為參考輸入，可準(zhǔn)確判斷壓力傳感器的輸出是否可信。相比于既有的檢測(cè)方案，此判斷條件既簡(jiǎn)單又可靠，另外由于與已知的參考?jí)毫M(jìn)行對(duì)比，可以判斷出2 個(gè)壓力傳感器同時(shí)故障的情形，這在上文介紹的檢測(cè)機(jī)制中是不能做到的。

在運(yùn)用中，可能因海拔因素導(dǎo)致大氣壓的參考不準(zhǔn)確，可在配置衛(wèi)星定位的列尾裝置中，通過提取海拔信息得到更精確的大氣壓力。海拔-大氣壓力的計(jì)算公式如式（1）所示。

其中，P（kpa）為海拔H（m）時(shí)的大氣壓，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為101.325 kpa。將大氣壓與海拔關(guān)系，繪制曲線如圖6 所示。

圖6 海拔-大氣壓對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Relationship between altitude and barometric pressure

參考信息越準(zhǔn)，判斷結(jié)果的可信度就會(huì)越高。因此，通過海拔-大氣壓力的計(jì)算后，將會(huì)得到更準(zhǔn)確的壓力值，得到更可信的判斷結(jié)果。

4.3 樣品實(shí)測(cè)

根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)思路，制作列尾壓力檢測(cè)和排風(fēng)單元，實(shí)物如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的樣品Fig.7 Prototype after optimized design

分別在400 kpa、500 kpa 和600 kpa 的情況下進(jìn)行測(cè)試，容忍差值設(shè)為20 kpa，當(dāng)差值超過20 kpa 時(shí)，觸發(fā)檢測(cè)邏輯，并輸出故障傳感器信息。通過改變傳感器壓力轉(zhuǎn)換的計(jì)算參數(shù)，模擬傳感器故障的情況進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄如表1 所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

通過試驗(yàn)室模擬測(cè)試，在改變某一壓力傳感器的計(jì)算參數(shù)后，可立即判斷異常，并通過既定操作步驟精確判定壓力傳感器是否故障以及是否2 個(gè)傳感器都故障，大大提高了設(shè)備應(yīng)用的可靠性以及維護(hù)的精準(zhǔn)性，降低壓力采集系統(tǒng)的不確定性。

5 結(jié)束語

通過對(duì)常用的列尾壓力檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行引入性介紹，分析了常用檢測(cè)方法的痛點(diǎn)，并在常用檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)、分析與創(chuàng)新。提出在基于雙壓力傳感器熱備冗余方法的基礎(chǔ)上，在捕獲到異常后，通過對(duì)制造標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的參考值，對(duì)壓力傳感器的可信度進(jìn)行驗(yàn)證。在原理分析后，研制了樣品對(duì)新的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，對(duì)于提高系統(tǒng)風(fēng)壓檢測(cè)的可靠性有提升，對(duì)于故障的判斷更加準(zhǔn)確。真正發(fā)揮出了傳感器熱備冗余能力，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)同類檢測(cè)方式具有借鑒意義。