文 / 丁源 王蒙 張俊林 李玉丹 王旭陽

引言

在貨運(yùn)列車運(yùn)行過程中，通常采用地面監(jiān)測(cè)的方式對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，而這種傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式需要在軌道兩側(cè)建立大型的網(wǎng)聯(lián)設(shè)備，不僅成本較高，而且難以維修，更難以實(shí)現(xiàn)貨車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

重載貨車運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能以及組成原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能

本文所研究的重型貨車運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、CPS（信息物理系統(tǒng))、MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))、微功耗等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，能夠?qū)ω涇嚨倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效地識(shí)別與監(jiān)視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

鐵路貨車車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)：

1.集成性高

系統(tǒng)采用智能電源管理策略，統(tǒng)一監(jiān)控、管理各節(jié)點(diǎn)的功耗，使系統(tǒng)達(dá)到低功耗的目的，延長系統(tǒng)使用壽命。此外，系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)思路的同時(shí)采用智能電源管理、智能睡眠等低功耗策略及硬件電路設(shè)計(jì)，保證集中電池組供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)仍能完成正常工作。

2.功耗低

系統(tǒng)采用體積小、靈敏度高、低功耗的MEMS傳感器，便于設(shè)備無損安裝至車輛，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

3.通信干擾性小

系統(tǒng)采用智能通訊技術(shù)能夠監(jiān)聽周圍環(huán)境的通訊條件，并做出相應(yīng)的通訊策略，盡可能保證數(shù)據(jù)傳輸通道暢通。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)處理策略前置于終端設(shè)備，終端設(shè)備采集特征信息后，可就地進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載的輕量化，降低數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載壓力、低時(shí)延。方案中傳感器采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)后通過CAN總線傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)經(jīng)專用4G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺(tái)。CAN總線通訊抗干擾能力強(qiáng)，通信速率高，安全可靠，大規(guī)模部署時(shí)可控性更好，通信效率更高，避免無線通信時(shí)信號(hào)碰撞、擁堵問題。

4.供電穩(wěn)定

傳感器電源采用集中電池組供電，后期維護(hù)更方便，同時(shí)傳感器體積可減少70%以上，占用空間更小，安裝、維護(hù)方便快捷。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由智慧車輛節(jié)點(diǎn)傳感器，ISS車載信息站(車載網(wǎng)關(guān))以及智慧車輛智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成。

節(jié)點(diǎn)傳感器：包括頂蓋監(jiān)測(cè)傳感器、底門監(jiān)測(cè)傳感器、列車管及制動(dòng)缸壓力傳感器、鞲鞴行程傳感器、車體及轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感器等15個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器，各傳感器經(jīng)前端計(jì)算后通過車載CAN總線局域網(wǎng)傳輸至車載網(wǎng)關(guān)。

ISS車載信息站（網(wǎng)關(guān)）：收集感知層傳感器數(shù)據(jù)、通過參數(shù)計(jì)算分析、數(shù)據(jù)耦合后將結(jié)果傳輸至云端。

智慧車輛智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)：負(fù)責(zé)車輛信息管理、車載設(shè)備管理、報(bào)警管理、用戶管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圍繞關(guān)鍵零部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)等需求確定技術(shù)路線，采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、CPS、MEMS、微功耗等先進(jìn)技術(shù)。

通過MEMS傳感器提取物理特征，進(jìn)行前端邊緣運(yùn)算、分析、就地存儲(chǔ)、將分析結(jié)果經(jīng)CAN總線發(fā)送至車載信息站（車載網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行霧層運(yùn)算，進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄、分析、決策、報(bào)警等任務(wù)。

ISS霧層運(yùn)算的分析結(jié)果通過4G專網(wǎng)或RDSS北斗短報(bào)文上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)通過北斗定位實(shí)時(shí)獲取車輛位置。智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)收集并對(duì)各個(gè)車輛頂蓋開閉、底門開閉、制動(dòng)缸鞲鞴行程、制動(dòng)缸壓力、列車管壓力、車體及轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件情況進(jìn)行有效監(jiān)控，可以提前發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理，保障裝卸車完畢后和車輛運(yùn)行期間關(guān)鍵部件工作狀態(tài)正常，減少運(yùn)輸事故和經(jīng)濟(jì)損失。

車輛智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)信息，具有報(bào)警管理、設(shè)備管理、用戶管理、統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)現(xiàn)智慧車輛遠(yuǎn)程感知監(jiān)測(cè)，保障智慧車輛高效、快速地運(yùn)行。

重載貨車運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要流程如下：貨車在運(yùn)行過程中，傳感器內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊采集貨車上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)原始信號(hào)，所采集的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過必要放大、濾波等處理后通過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并通過IIC串行總線與MCU進(jìn)行通訊。MCU是傳感器進(jìn)行前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心，最終將處理好后的數(shù)據(jù)通過CAN總線控制器轉(zhuǎn)換為符合CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)形式，在CAN接口處發(fā)送至總線從而與總線上各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

基于數(shù)據(jù)節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器微功耗設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)據(jù)節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)微功耗設(shè)計(jì)，關(guān)鍵的步驟為車載網(wǎng)關(guān)、微功耗傳感器的設(shè)計(jì)選型及能源管理策略研究開發(fā)。

1.車載網(wǎng)關(guān)

車載網(wǎng)關(guān)從不同的傳感器設(shè)備獲取數(shù)據(jù)并接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、將下層的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝后通過4G轉(zhuǎn)發(fā)至平臺(tái)，在4G信號(hào)不佳無法完成發(fā)送時(shí)可自動(dòng)切換為北斗短報(bào)文通訊（衛(wèi)星通訊）。

車載網(wǎng)關(guān)是傳感器網(wǎng)絡(luò)和上層平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與通訊的通道，主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊、協(xié)議變換和管控、設(shè)備定位（北斗定位）的功能。從不同的傳感器設(shè)備獲取數(shù)據(jù)并接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、將下層的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝后通過4G或北斗短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至平臺(tái)。本設(shè)計(jì)采用的車載網(wǎng)關(guān)必須能通過專用網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)，能夠正確的接收到傳感器網(wǎng)絡(luò)向上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并正確傳達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)向下發(fā)送的命令。

2.微功耗傳感器

本設(shè)計(jì)采用MEMS傳感器，與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成等特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。本設(shè)計(jì)所選用的MEM傳感器主要有頂蓋傳感器、車體及轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感器、鞲鞴及底門行程監(jiān)測(cè)傳感器、列車管及制動(dòng)缸壓力監(jiān)測(cè)傳感器等。傳感器在硬件PCB電路優(yōu)化及前端算法支持下，能源消耗進(jìn)一步降低。其中微功耗壓力傳感器可以甚至實(shí)現(xiàn)電池供電條件下的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為后續(xù)車輛運(yùn)維管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

3.能源管理策略

本系統(tǒng)基于列車運(yùn)行業(yè)務(wù)流程及列車自身運(yùn)行機(jī)理，在滿足監(jiān)測(cè)需求的前提下設(shè)計(jì)能源供給策略，并與前端算法有機(jī)結(jié)合。通過設(shè)計(jì)不同的喚醒機(jī)制及數(shù)據(jù)運(yùn)算策略降低系統(tǒng)功耗，從而使系統(tǒng)在有限電池能源供給下運(yùn)行更長時(shí)間。在能源管理策略及前端算法的支持下，傳感器可自主篩選數(shù)據(jù)，減少非必要數(shù)據(jù)的發(fā)送，網(wǎng)關(guān)可根據(jù)CAN總線活動(dòng)狀態(tài)自主休眠、喚醒，保證數(shù)據(jù)通道暢通的同時(shí)降低功耗。

重載貨車運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

底門、頂蓋監(jiān)測(cè)目標(biāo)

該部分的監(jiān)測(cè)分為底門開閉及鞲鞴行程監(jiān)測(cè)以及頂蓋開閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.底門監(jiān)測(cè)目標(biāo)

通過底門轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)煤炭漏斗車底門開啟、關(guān)閉狀態(tài)：行程傳感器獲取傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)行程，通過參數(shù)對(duì)比判斷傳動(dòng)軸是否已通過雙連桿機(jī)械機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置反映底門開啟與閉合的狀態(tài)。

鞲鞴行程傳感器監(jiān)測(cè)制動(dòng)缸鞲鞴行程，反映制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)：通過安裝在制動(dòng)缸上的行程傳感器，監(jiān)測(cè)制動(dòng)缸制動(dòng)、緩解是否正常，該部分與制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)相互配合，通過鞲鞴行程來間接反映列車制動(dòng)性能是否正常。

2.頂蓋監(jiān)測(cè)目標(biāo)

該部分主要監(jiān)測(cè)頂蓋的開閉狀態(tài)。監(jiān)測(cè)頂蓋在裝、卸煤時(shí)的開啟與閉合狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，異常打開進(jìn)行監(jiān)測(cè)：通過在密合點(diǎn)安裝部署的TMR(隧道磁阻)傳感器對(duì)兩側(cè)頂蓋是否運(yùn)行至閉合點(diǎn)收入槽的感知方式判斷頂蓋密貼狀態(tài)。

制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)

目前，重載貨物列車制動(dòng)過程中機(jī)車的鞲鞴行程過長的現(xiàn)象普遍存在，因此，制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)主要為鞲鞴行程，其與列車管壓力、制動(dòng)缸壓力有直接聯(lián)系。

鞲鞴行程的變化主要受到制動(dòng)缸壓力的影響，如下式所示：

其中，P為列車制動(dòng)后制動(dòng)缸的壓力；3.25是副風(fēng)缸溶劑與制動(dòng)缸容積的比值，在這里取3.25(以GK型制動(dòng)缸為例，其鞲鞴行程為160mm，其他型制動(dòng)缸為200mm)。r表示列車管的減壓量。

因此，通過智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)收集的制動(dòng)缸鞲鞴行程、制動(dòng)缸壓力數(shù)據(jù)信息就能夠判斷目前列車制動(dòng)的狀態(tài)，具體而言，在車輛行駛過程中，監(jiān)測(cè)空氣制動(dòng)系統(tǒng)單車列車管及制動(dòng)缸壓力值。采用安裝在列車管及制動(dòng)缸處的氣體壓力傳感器采集相應(yīng)內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，通過車載網(wǎng)關(guān)傳至智慧車輛綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)，在車輛運(yùn)行過程中，可以通過平臺(tái)監(jiān)測(cè)掌握車輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)。

車體及轉(zhuǎn)向架振動(dòng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)

列車在行駛過程中會(huì)產(chǎn)生三個(gè)方向的振動(dòng)，分別是平行于列車行駛方向的振動(dòng)，垂直于列車行駛方向的縱向振動(dòng)，以及垂直于列車的垂向振動(dòng)。通常，影響車輛運(yùn)行平穩(wěn)性較大的振動(dòng)為橫向振動(dòng)，因此利用加速度傳感器，能夠有效地對(duì)列車進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪軌振動(dòng)進(jìn)行分析，為列車運(yùn)行狀態(tài)分析提供有效數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)語

本系統(tǒng)充分考慮了傳統(tǒng)貨運(yùn)列車地面監(jiān)測(cè)存在監(jiān)測(cè)位置分散、數(shù)據(jù)不連續(xù)等問題，設(shè)計(jì)了體積小、靈敏度高、低功耗的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用智能電源管理策略，統(tǒng)一監(jiān)控、管理各節(jié)點(diǎn)的功耗，并根據(jù)工況與策略對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能源分配，使系統(tǒng)達(dá)到低功耗的目的，延長系統(tǒng)使用壽命，更好的保證鐵路貨運(yùn)的安全運(yùn)行。