摘　要：本文针对城市轨道交通列车尚未实现在途轴承温度的动态和定量化监测的问题，提出了基于LabVIEW 的上位机与基于单片机的下位机结合的城市轨道交通列车轴温监测系统。列车运行时，下位机实时采集轴承温度数据；列车进站后，将数据传输给上位机。上位机实现温度数据的接收、实时显示温度数据、温度分级报警、数据存储、历史数据查询等功能。

关键词：LabVIEW 轴温监测 轴温报警

引言

随着我国城市轨道交通的跨越式发展，很多城市开始修建运营轨道交通。在极大改善城市交通拥堵状况的同时，列车的在途安全运行也迎来了更多挑战。轴承是连接列车轮对的关键部件，在列车运行中长时间承受载荷和传递载荷 [1]。列车在正常运行时停车频次高，而频繁高负荷制动容易发生轴承故障。轴承温度过高将导致热轴、切轴等现象发生 [2]，严重影响行车安全。

现阶段，国内城市轨道交通列车服役状态的检修多采用离线和定期在场检修方式，其检测的结果与维修者的经验密切相关，且无法实现轴温的在途动态和定量化的检测和报警。因此，设计一个能实时获得轴温数据并能显示温度曲线、分析温度数据、给出报警信息的系统很重要。

本文基于 LabVIEW设计城轨列车轴温监测系统的软件。LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，使用的是图形化编程语言 G 编写程序，产生的程序是框图形式。除了基本的图形化函数接口外，LabVIEW的函数库还包括数据采集、GPIB、串口控制、USB 接口控制、信号分析、信号处理、数据显示及数据存储等方面 [3]。

1　系统架构设计

系统结构图如图 1 所示。

城市轨道交通列车轴温监测管理系统主要由两大部分组成：下位机和上位机。下位机利用单片机，与温度传感器阵列、SD 卡数据存储模块、时钟模块、蓝牙模块结合，实时采集列车的轴承温度并存储于 SD 卡中。上位机采用LabVIEW 开发，分为四个单元：数据传输单元、温度曲线实时显示及报警单元、数据存储单元、历史数据查询单元。上位机与下位机的通信方式是串口通信，而串口通信一般用于传统仪器的控制和缓慢变化信号的采集 [4]。

下位机每隔 3s 采集列车的轴温数据，将采集的轴温和时间组成数据帧存储于 SD 卡数据存储模块中。列车进站后，安装于车站的蓝牙模块与车载蓝牙模块配对，将列车在站间运行期间的数据传输至串口。通过串口通信方式，数据传输至上位机。

2　软件设计

2.1　上位机系统工作流程

上位机以串口通讯方式接收并读取下位机传来的温度数据，并根据温度数据绘制实时温度曲线。当温度超过设置的温度值时，进行分级报警。同时，系统将获取的温度时间数据存储在 TXT 文件中。进行历史数据查询时，系统打开存储温度时间信息的 TXT 文件并显示文件内容，绘制温度曲线，便于进一步分析数据。上位机系统流程图，如图 2 所示。

2.2　各功能单元介绍

2.2.1　数据传输单元

LabVIEW 串口通信程序主要通过 NI-VISA 节点完成。NI-VISA 是 一 个 字 节 级 的 通 信 接 口 驱 动 [5]。 利 用 VISA Configure Serial Port节点配置串口控件配置串口参数，放置在 While 循环外部，以节约内存 [6]。单片机串口程序参数要与上位机的参数设置一致 [5]。串口配置成功后，调用 VISA Read 节点进行串口读取，实现温度数据由下位机至上位机的传输。程序框图如图 3 所示。

2.2.2　温度曲线实时显示及报警单元

以两个温度数据为例，下位机传输的数据格式是字符串，因此上位机需要对串口数据进行数据解析。上位机从字符串中将温度截取出来后进行字符串至数值的转换，得到准确能在曲线中表示的温度数据，并利用波形图表绘制实时温度变化曲线，直观表现温度的变化趋势。当轴温超过设定的阈值时，系统进行分级报警。本系统设计了四个报警等级：微热 1、微热 2、激热 3、强热 4。当轴温到达设定的阈值时，将点亮相应的报警灯。具体的报警温度值需由工程实验和经验决定。程序框图如图 4 所示。

2.2.3　数据存储单元

系统将读取的温度时间数据连接成字符串后写入文本文件，存储于计算机硬盘上。程序框图分两个步骤：打开或创建文本文件、温度数据存储。文本文件的存储位置已被预先设定，对计算机中没有指定路径的文本文件，则根据路径创建一个文本文件；若已存在，则打开文件，进入文件后，系统以“温度 时间”的格式按行存储数据。程序框图如图 5 所示。

2.2.4　历史数据查询单元

历史数据查询单元是将存储于文本文件中的数据取出，根据需要查询某段时间内的轴温数据，然后用波形图显示。通过历史数据查询可掌握某个时间段内轴温的变化趋势，通过轴温变化趋势的分析、曲线拟合等，可预测轴温未来一段时间的情况。程序框图如图 6 所示。

3　系统运行测试

3.1　程序主界面

城市轨道交通轴温监测与管理系统的程序主界面如图 7所示。下面将以两个测试轴温为例，进行测试。

图 7 中，“C01Z101”和“C01Z102”代表轴承编号。其中，“C01”代表车次号，“Z1”代表 C01 车次的轴承号，“01”和“02”代表该轴承温度传感器编号。界面上部的数据传输一栏显示当前时刻传输的温度，“T”对应当前时刻 C01Z101 采集的温度，“T1”为当前时刻 C01Z102 采集的温度。

用户可根据需要在界面左侧设置各等级对应的报警温度，而界面左上角为每个温度传感器设置了不同等级的报警指示灯。各等级对应的指示灯颜色如表 1 所示。

在图 7 系统主界面的温度趋势图中，纵坐标对应 45℃（模拟实验时采用的报警线，实际应用时应根据实际情况进行设置）处的红色直线为强热 4 对应的报警线，白色曲线为 C01Z101 号传感器对应的实时温度曲线，蓝色曲线为C01Z102 号传感器对应的实时温度曲线。通过此界面，可看到轴承温度实时变化情况。

3.2　历史数据查询界面

历史数据查询界面如图 8 所示。上位机打开存储温度数据的文本文件，并读取温度数据绘制温度曲线。

4　结语

城市轨道交通轴温监测系统以两路温度数据为例，下位机实现了列车轴温数据的在途动态采集与实时传输；上位机将串口接收的温度数据实时转化为温度曲线；实现温度的存储与查询；根据设置的报警温度，实现分级报警功能。

以上运行测试结果表明，本系统能够通过 LabVIEW 软件与下位机通信，采集轨道交通列车的轴承温度数据，并将数据实时显示、存储和再利用，实现城市轨道交通列车轴温在途监测，能够在轴承故障导致轴温过高时实时报警，使运营方能够及时采取相应措施，避免发生安全事故。运营方可通过历史数据查询这一功能查询历史数据，根据设备状态，制定合理的检修计划，降低维修成本[7]。

参考文献

[1] 张高明 . 基于 ZigBee 和 GPRS 的铁路货车轴温监测系统的设计 [D]. 成都：西南交通大学，2016.

[2] 张高明，吴新春，白天蕊 . 基于 CC2530 的轴承温度监测 [J].电子产品世界，2016，23（11）：79-81.

[3] 王冠华 .LabVIEW 图形化程序设计 [M]. 北京：国防工业出版社，2011.

[4] 雷振山，肖成勇，魏丽，赵晨光 .LabVIEW 高级编程与虚拟仪器 [M]. 北京：中国铁道出版社，2013：70-92.

[5] 刘松斌 . 基于 LabVIEW 的单片机与 PC 机串口通信显示系统设计 [J]. 化工自动化与仪表，2015，（7）：806-808.

[6] 史延东，杨萍，宁飞，等 . 基于 LabVIEW 的多路温度流量监测系统设计 [J]. 测控技术，2013，32（8）：29-31，35.

[7] 吴卓勋 . 浅谈轴温监测技术及其在地铁车辆上的应用 [J]. 城市建设理论研究：电子版，2015，（1）：253.

（来源：《现代制造技术与装备》2017年10期

 作者：陶　婷　罗　蕊　徐永能   

来源于基金项目：南京理工大学本科生科研训练“百千万”计划立项资助（201610288037X）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（30917012102））