孟憲國

(國能鐵路裝備有限責任公司，北京 100120)

隨著交通運輸?shù)闹悄芑瑢囕v安全性能的要求越來越高[1]，需要更好地實時監(jiān)控車廂的各種工況狀態(tài)，確保維修部門能夠對問題車輛及時檢測和處置，以及對不良車輛進行重點監(jiān)控和跟蹤等。貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)通過升級特殊貨車車輛內置物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，對車輛的檢測修程進行預測，動態(tài)監(jiān)測車輛的運行[2]。特殊貨車車輛指2軸至3軸的壓力容器半掛車車廂，用于裝載易燃易爆液體或有毒化學品。貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)覆蓋車廂部分，即半掛車連接盤之后的車輛系統(tǒng)(不包含牽引車)，不包含車輛驅動系統(tǒng)和駕駛系統(tǒng)，但包含車輛底盤懸掛系統(tǒng)、輔助制動系統(tǒng)、罐體溫度壓力保障系統(tǒng)等[3]。

貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)研究方向及創(chuàng)新點是為貨車特殊車輛修程預測計算需求構建大數(shù)據(jù)模型，并研究其實現(xiàn)模式，特別研究貨車特殊車輛車廂大數(shù)據(jù)與牽引車大數(shù)據(jù)的對接模式[4]。該研究將打破以往車廂監(jiān)測系統(tǒng)與牽引車檢修系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)屏障，實現(xiàn)貨車狀態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)的集中管理。

1 貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)的基本構成及數(shù)據(jù)來源

特殊車輛車廂系統(tǒng)由2個主要子系統(tǒng)構成，分別為車板系統(tǒng)和罐體系統(tǒng)，其中車板系統(tǒng)控制車板結構，包含懸掛、制動、牽引連接、信號燈等子系統(tǒng)；罐體系統(tǒng)用于保障貨物安全，包括罐體的壓力、溫度、惰性氣體環(huán)境、靜電環(huán)境等控制子系統(tǒng)[5]。特殊車輛基本結構如圖1所示。

圖1 特殊車輛基本結構示意圖

傳統(tǒng)模式下，受制于車輛設計、制造、改裝工藝，車輛車板系統(tǒng)和罐體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分開進行管理，其監(jiān)測數(shù)據(jù)主要為：1)車板系統(tǒng)中，連接盤強度、懸掛強度、車軸強度、胎壓等數(shù)據(jù)一般通過電壓型傳感器獲得，為電壓模擬信號，制動系統(tǒng)特別是剎車片磨損數(shù)據(jù)一般通過電容型傳感器獲得，為電容模擬信號轉化得到的電壓模擬信號；2)罐體系統(tǒng)中，罐體壓力、溫度、靜電等數(shù)據(jù)通過電壓型傳感器獲得，惰性氣體容器中的壓力、溫度等數(shù)據(jù)也通過電壓型傳感器獲得，為電壓模擬信號；3)其他傳感器(如車燈、空壓機工況等)獲得的數(shù)據(jù)為電流信號[6]。由此可知，在大數(shù)據(jù)分析視角下，貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)的功能是進行電壓、電流型模擬信號的數(shù)字化及后續(xù)分析處理。

將上述數(shù)據(jù)分為2大類，其一是可以直接反映出系統(tǒng)壽命的數(shù)據(jù)，如剎車片磨損數(shù)據(jù)、連接盤磨損數(shù)據(jù)等；其二是反映設備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，如車軸溫度、承壓罐體壓力等。對該2大類數(shù)據(jù)進行管理的邏輯如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)管理邏輯

由圖2可以看出，系統(tǒng)共提供了2種壽命評估方式：1)制動機構、連接盤、罐體管理系統(tǒng)等能夠直接獲得檢測數(shù)據(jù)的部分，經(jīng)過曲線估計后形成壽命評估數(shù)據(jù)；2)其他運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如檢測的狀態(tài)數(shù)據(jù)1～狀態(tài)數(shù)據(jù)n，在使用線性投影算法分別進行去量綱同構化處理、使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行系統(tǒng)狀態(tài)評估后，對狀態(tài)評估結果執(zhí)行曲線估計算法，再輸出車輛壽命評估結果[7]。

2 特殊車輛車廂監(jiān)測維修系統(tǒng)的軟硬件構成

牽引車車載監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)較為完善，而車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)在近10余年才逐漸得到發(fā)展和應用。由于每次運輸任務有差異，牽引車與車廂的車載系統(tǒng)需要獨立配置且需要隨時進行整合，因此車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)和車輛大數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要同時具備獨立性和兼容性[8]。牽引車車載監(jiān)測系統(tǒng)運行在CAN總線上，為了實現(xiàn)車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性，應該設計專用的CAN總線以實現(xiàn)其通信功能，該總線通信模式如圖3所示。

圖3 車廂監(jiān)測系統(tǒng)CAN總線邏輯圖

車廂監(jiān)測系統(tǒng)：1)用于大宗數(shù)據(jù)采集的CAN總線，該總線由3組接入點數(shù)據(jù)芯片串聯(lián)構成，每個接入點數(shù)據(jù)芯片設定1個專用地址碼，由嵌入主機控制的時鐘控制器向各個接入點芯片的數(shù)模轉換器授時，使其按照固定時序周期產(chǎn)生并報送數(shù)據(jù)；2)剎車片磨損數(shù)據(jù)、軸溫、軸轉速、連接盤疲勞磨損數(shù)據(jù)等經(jīng)過數(shù)模轉換器直接報送到嵌入主機的專用接口，其數(shù)模轉換器的授時受嵌入主機的授時模塊管理；3)嵌入主機的上傳數(shù)據(jù)一路經(jīng)過車載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接口報送到牽引車CAN總線上，然后由牽引車監(jiān)測系統(tǒng)集中處理后上傳移動互聯(lián)網(wǎng)，另外一路檢測數(shù)據(jù)直接通過移動互聯(lián)網(wǎng)接口上傳，實現(xiàn)與中央機房的數(shù)據(jù)互動，中央機房服務系統(tǒng)直接向車廂監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出指令，或向公司管理信息系統(tǒng)發(fā)出預警數(shù)據(jù)[9]。

在系統(tǒng)硬件的設計中，對數(shù)據(jù)接入點芯片的設計是其非標準化零件設計的核心任務之一。接入點芯片如圖4所示。

圖4 接入點芯片架構示意圖

接入點芯片需要調用主控芯片的4組32位檢測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集通訊模塊輸入后，完成接口數(shù)據(jù)的傳輸[10]。1)將右側32位接口接收的下行系統(tǒng)數(shù)據(jù)直接向上行系統(tǒng)轉發(fā)，實現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)直通分時共享功能；2)加載地址碼向上行系統(tǒng)報送，上行系統(tǒng)接收到該數(shù)據(jù)后，同樣會直接向其上行系統(tǒng)報送；3)第4組32位總線用作系統(tǒng)管理接口。前文所述的車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)由嵌入主機負責，并不在該接入點芯片中部署。

3 嵌入主機系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)模型

嵌入主機系統(tǒng)應滿足2個核心需求：1)系統(tǒng)應有基本的數(shù)據(jù)輸入、輸出及離線分析功能，即在系統(tǒng)外網(wǎng)(移動互聯(lián)網(wǎng))出現(xiàn)故障時，應保證系統(tǒng)實現(xiàn)基本功能[11]；2)大部分數(shù)據(jù)處理任務應在云端完成，即利用云端資源分擔車載系統(tǒng)的大部分運算需求[12]。因為一般中高端嵌入式硬件系統(tǒng)僅可提供4～6個高速并行數(shù)據(jù)接口，所以該系統(tǒng)應包含1個中央處理器、1個數(shù)據(jù)橋接處理器和1個浮點處理器，3個處理器之間通過高速數(shù)據(jù)連接且各有分工，其數(shù)據(jù)拓撲架構如圖5所示。

浮點處理器與中央處理器之間使用前端總線直接連接，用于運行小規(guī)模卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、曲線估計、線性投影等去量綱計算、決策樹、決策矩陣浮點程序，數(shù)據(jù)輸入輸出處理器中使用1個專用32位接口連接圖3與圖4中展示的CAN總線設備，1個專用32位接口與中央處理器專用32位接口連接，用于兩個處理器之間的數(shù)據(jù)共享，其他32位接口拆分成4個8位接口，直連高速探頭的D/A數(shù)模轉換器[13]。中央處理器用于協(xié)調數(shù)據(jù)輸入輸出處理器和浮點處理器的數(shù)據(jù)處理任務，同時管理車輛控制回路，負責與移動互聯(lián)網(wǎng)通信。車載浮點處理器無法完成的計算任務，通過移動互聯(lián)網(wǎng)提交到云端，由云端中央機房處理后將結果通過移動物聯(lián)網(wǎng)回傳到中央處理器中。需要執(zhí)行的報警信息等，通過控制鏈路上傳到駕駛室報警系統(tǒng)。

4 特殊車輛車廂狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)的應用效果

某危化品物流公司擁有易燃易爆品運輸車186輛，腐蝕性危險品運輸車64輛，所有車輛均按照交通管理部門、安全監(jiān)察部門、公共安全部門、質量技術管理部門、公路管理部門、運輸管理部門等有關部門的要求部署了各種成熟的特殊車輛車廂狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)，對其中32輛易燃易爆品運輸車和24輛腐蝕性危險品運輸車部署本文系統(tǒng)，部署過程中保證改裝后原有系統(tǒng)仍能獨立、高可靠、高可用運行[14]。比較原系統(tǒng)與本文系統(tǒng)對剎車片、連接盤、車軸、軸承、彈簧片磨損程度的監(jiān)測誤差結果。

本文系統(tǒng)監(jiān)測結果與成熟技術條件下的車輛重要安全結構磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，誤差略有下降，如：剎車片磨損監(jiān)測誤差下降4.71%，連接盤磨損監(jiān)測誤差下降3.19%，車軸磨損監(jiān)測誤差下降5.84%，軸承磨損監(jiān)測誤差下降7.61%，彈簧片磨損監(jiān)測誤差下降2.23%[15]。敏感度指系統(tǒng)給出故障檢修報警的真性數(shù)據(jù)在所有實際故障數(shù)據(jù)中的占比[16]。對比惰性氣體注入閥和罐體結構密封性、輪胎氣密性、剎車氣動系統(tǒng)穩(wěn)定性的報警數(shù)據(jù)[17]，結果顯示，本文系統(tǒng)敏感度較原系統(tǒng)敏感度有所提高，惰性氣體注入閥報警敏感度提高了0.72%，罐體結構密封性報警敏感度提高了0.61%，輪胎氣密性報警敏感度提高了0.82%，剎車氣動系統(tǒng)穩(wěn)定性報警敏感度提高了0.40%[18]。該敏感度提升幅度與測量誤差下降幅度相比較小，其根本原因是原系統(tǒng)的報警敏感度已經(jīng)達到97%以上。

5 結束語

使用大數(shù)據(jù)模型驅動的貨車特殊車輛車廂監(jiān)測維修系統(tǒng)與有關部門推廣的成熟技術體系支持的貨車特殊車輛車廂狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)相比，監(jiān)測的磨損數(shù)據(jù)誤差有所下降，挖掘數(shù)據(jù)間接監(jiān)測數(shù)據(jù)的敏感度有所提升，解決了監(jiān)控成本高、誤判率高的問題。但系統(tǒng)需要較為全面的特殊車輛車廂系統(tǒng)內物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的支持，系統(tǒng)的部署成本較高，推廣使用經(jīng)濟性不足。在后續(xù)研究中，將充分利用貨車車廂監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)有硬件資源，減少新系統(tǒng)的硬件改動量，以降低部署成本并提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率。