倫敦地下鐵使用 NI CompactRIO 和 NI LabVIEW 執行軌道電路的遠端狀態監控

Author(s):
Sam Etchell - London Underground Limited
Dale Phillips - London Underground Limited
Barry Ward - London Underground Limited

倫敦地下鐵每年的載客量約為 17 億人次，其中維多利亞線就佔了 2.13 億人次。 這個路線每年的尖峰時期載客量為 8,910 萬人次，堪稱地下鐵網路中載客量最高的路線。 過去 8 年以來，倫敦地下鐵透過一項 £10 億的投資方案，升級並替換維多利亞線的鐵路車輛和信號與控制系統，每小時可行駛 33 台以上的列車。 全新的信號系統採用 385 個無接頭軌道電路 (JTC)，可偵測列車位置、保持安全的列車間距，同時掌握車輛間隔時間，藉此配合極度緊湊的時刻表。 軌道電路是唯一能夠偵測列車的方式，對於鐵路營運的穩定度與安全性而言非常重要；然而，我們並未在設計與安裝期間做好狀態監控方面的準備。 因為這個關鍵設備非常重要，軌道電路故障的話，就會嚴重影響交通服務，這也是乘客損失的最大主因，從開始以來便累積了 £150 萬 (資料來自倫敦地下鐵 CuPID 資料庫，2012 年起的軌道電路故障事件)。

維多利亞線的狀態監控團隊包含了 6 名專業工程師，分別擁有鐵路、軟體、電子、機械、網路和工程背景，共同打造出解決方案。 NI 的銀級聯盟夥伴 Simplicity AI 也針對這項專案提供額外的軟體諮詢服務。 我們運用該公司豐富的專業能力，在概念設計的一年內就把此系統用於營運鐵路。

此專案囊括了智慧型遠端狀態監控系統的設計/整合/安裝作業，可針對一個 45 km 深的鐵路隧道內一共 385 個 JTC，執行電壓與頻率的即時分析，以便預測並避免故障和後續的乘客服務損失。 我們利用 NI 軟硬體的準確度、穩定性和靈活彈性，實作出創新系統，減少維多利亞線的客戶損失小時。 根據預測，此系統每年可減少 39,000 個客戶損失小時，替乘客避免 £350,000 左右的損失。

應用概述

圖 1. 遠端狀態監控系統概述

維多利亞線採用許多頻率驅動的調整電子 JTC。 隨著列車行經此路線，電路便會通電或斷電。 每個 JTC 都包含了一個電子接收器元件，可搭配軌道電路的頻率 (4 ~ 6 kHz 頻移鍵控)、處理接收訊號，並且提供樣本給監控點，藉此檢查軌道電路的狀態。

在引進此系統之前，我們必須定期派遣人力在現場監控每個軌道電路的狀態，使用的工具是多功能數位電表。 自從安裝 NI CompactRIO 系統之後，我們就能夠同時在遠端擷取該路線上所有軌道電路的 JTC 監控點樣本；換句話說，維護團隊可以主動預知並避免設備故障。

我們當時研究了很多廠商的資料擷取產品，結論是雖然其他產品可以滿足我們的初步需求，但是 CompactRIO 平台卻可提供獨一無二的彈性、效能和擴充功能。 此外，只要使用 NI LabVIEW 平台，即可享有多元的輸入模組和內建軟體的客制化效能，進一步縮短軟硬體的設計與開發時間。

因為軌道電路系統安全完整性等級 (SIL4) 的關係，我們必須在接收器元件和 CompactRIO 裝置之間加入一個獨立的隔離阻障。 我們和美國的 Dataforth 合作設計出 SCM5B 隔離模組，在 CompactRIO 裝置和監控中的軌道電路之間加入電氣隔離功能。 隔離模組的 SCM 範圍符合了接收器嚴苛的測試設備規定，而且還可針對 CompactRIO 擷取作業複製出準確且相容的輸出訊號。 有了這個隔離層，再加上低故障率的 NI 硬體，即可保障我們能夠順利安裝系統，絲毫不影響維多利亞線信號系統的 SIL4 安全效能。 我們根據 CENELEC 鐵路應用標準進一步完成了周延的工程安全分析，經過相關的安全機構核准之後，就能夠檢驗設計內容。

我們把 CompactRIO 裝置的資料擷取作業劃分出來，這些裝置分散在 14 個不同的地理區域，全部隸屬於專門為了此應用而安裝的全新高頻寬光纖網路。 透過靈活有彈性的 CompactRIO 硬體搭配 NI LabVIEW 軟體，我們才能夠透過輕量的傳輸協定，即時把資料傳送至中央狀態監控伺服器。 這也是遠端狀態監控系統的主要設計與交付需求。
中央狀態監控伺服器可處理每個 CompactRIO 裝置的 10 Hz 即時資料串流，每秒鐘總共有 7,000 個資料樣本。 有了輕量的 CompactRIO 資料傳輸協定，即可確保中央伺服器能夠快速分析資料，並且監控軌道電路是否偏離理想狀態。 系統會根據已定義的標準頻率與電壓，比較每個所接收到的資料畫面，這樣一來伺服器即可獨立做出決策，判斷每個連接至 CompactRIO 輸入模組的軌道電路狀態為何。 此外，伺服器還會把所有資料儲存至近線和遠線資料庫架構，我們才能根據大量資料分析長期趨勢。

中央伺服器還可以把設備狀態警示推發至人機介面 (HMI)。 HMI 是一種大型的觸控螢幕裝置，可準確顯示維多利亞線的軌道電路設定。 使用者可透過直覺方式，使用自然的觸控姿勢來查看顯示資訊，清楚分辨端點連接線路的設備狀態，並且接收設備故障的警告預測。
我們計畫要佈署兩個 HMI 以提高回應時間，一個在維多利亞線的控制中心，一個在維護控制中心， 兩個都可供信號維護員工使用。 我們可以透過觸控功能在遠端查詢鐵路上每一個軌道電路，使用端點連接線路 CompactRIO 裝置的資料串流，即時呈現均方根 (RMS) 電壓、頻率和軌道狀態資訊給使用者參考。

圖 2. HMI 詳細顯示了 Blackhorse Road 的軌道電路出現故障，以及 4 個軌道電路的即時資料

除了 HMI 之外，端點連接線路設備室內還有一組觸控螢幕裝置組合可顯示 CompactRIO 資料，並且能夠透過智慧型手機或平板電腦來呈現資料。 換句話說，只要連接至全新的狀態監控網路，即可查看維多利亞線上所有 CompactRIO 裝置的資料。

圖 3. 從左到右分別是設備室觸控螢幕、智慧型手機、平板電腦的端點連接線路軌道電路資料

NI 佈署

我們選擇 Simplicity AI 替我們開發 CompactRIO FPGA 和 Real-Time 軟體。 雖然倫敦地下鐵也有內部的 LabVIEW 開發人員，但我們選擇 Simplicity AI 協助此專案的原因在於，該公司在高階 FPGA 和 Real-Time 方面的經驗非常豐富。 該公司在短短三個月內，便針對長期穩定性和壓力測試提供完整的文件、原始碼和測試結果，確保 CompactRIO 系統適用於倫敦地下鐵基礎架構如此講究安全性的環境中。

至於佈署元件，我們針對每個元件組合了一個 NI cRIO-9025 控制器和一個 8 槽式 NI cRIO-9118 機箱。 我們可以使用多達 8 個 NI 9220 類比輸入模組，針對每個 CompactRIO 系統提供最多 128 個實體輸入。 這種設定可提供我們所需的處理效能，還有兩個網路埠可用於備援網路操作、盡可能延長系統運作時間。 CompactRIO 平台可以幫助團隊採取自下而上的系統開發方式，因為直到我們擷取到早期的設備資料之前，都無法確知變化多端的規格到底是什麼。 這種靈活的平台可針對應用功能開發提供快速的反覆製作效能，協助我們更快完成此專案。

圖 4. 資料擷取元件的整體運作方式，有助於克服相關難題

圖 5. FPGA 序列處理架構

早期我們遇到的困難是必須同時計算 FPGA 所有 128 個通道的頻率和 RMS 電壓。 Simplicity AI 提供了一個序列處理架構，透過 FPGA 的高時脈率依序處理每個通道的資料，進一步解決這個問題。 此軟體可針對每個通道建置一個 10 ms 緩衝區，並經過每個緩衝區反覆循環，算出頻率和 RMS 電壓。

倫敦地下鐵的佈署關鍵在於，讓不熟悉 NI 軟體和 CompactRIO 平台的鐵路技術人員也能夠安裝、啟動、維護此系統。 Simplicity AI 針對每個位置提供了通用的軟體組合，採用標準的 XML 格式和簡單的外部文字檔案。 我們使用 Replication and Deployment (RAD) 公用程式開發出一個應用程式，RAD 可以把系統和應用軟體自動安裝至 CompactRIO 裝置，並且搭配正確的設定檔案。

TCompactRIO 佈署工具不但簡化了系統的啟用程序、提高安裝效率，還可以讓我們在中央管理位置執行 CompactRIO 裝置的遠端佈署、設定、更新作業。 當倫敦地下鐵和 Simplicity AI 的工程師組成聯合團隊，在開發階段中分別處理該專案的不同部分時，證實了這種遠端單鍵設定真的非常有幫助。

結論

我們準時完成專案，開發時間只花了一年，其中包含設計、保證、採購和安裝作業。 此外，當初的預算規劃還綽綽有餘。 我們使用一系列 FPGA 和即時功能，打造出穩固的系統架構，可做為多功能平台並佈署於倫敦地下鐵網路。 這是一個穩定的遠端狀態監控系統，可協助維護人員在事發之前主動回應故障狀況，同時幫助管理階層深入掌握設備的生命週期。

引進此狀態監控系統之後，我們便可以更深入了解 JTC 的真實行為。 這樣一來，我們還可以深入掌握關鍵設備、得知不正常的軌道電路行為、判斷故障機率，並且在事前警告維護人員。

Author Information:
Sam Etchell
London Underground Limited
London
United Kingdom
Tel: 020 7038 3146
sam.etchell@tube.tfl.gov.uk