王新平，王 蒙， 歐東方，楊建平， 吳吉恒

(1.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100010；2.眉山中車制動(dòng)科技股份有限公司，四川 眉山 620010)

制動(dòng)系統(tǒng)是列車安全運(yùn)行的重要保障，制動(dòng)系統(tǒng)故障將給列車的安全運(yùn)行埋下嚴(yán)重的安全隱患。實(shí)時(shí)掌握制動(dòng)系統(tǒng)的性能狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除制動(dòng)系統(tǒng)故障是保證列車運(yùn)行安全的有效手段。近年來，智能監(jiān)測(cè)在各行各業(yè)迅速發(fā)展，監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)除了數(shù)據(jù)的采集以外，就是數(shù)據(jù)的可靠傳輸。根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)群體數(shù)量、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的不同，數(shù)據(jù)傳輸方案也有各自的特性[1]。由于鐵路貨車既無通信電纜，也無供電電纜等原因，運(yùn)行線路存在隧道、橋梁等特殊運(yùn)用環(huán)境，沿線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難、維護(hù)成本高等原因，目前，鐵路貨車制動(dòng)還沒有成熟的監(jiān)測(cè)方案。基于鐵路貨車現(xiàn)狀和當(dāng)今的技術(shù)背景，本文介紹了一種鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方案，通過一系列的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定技術(shù)手段和低功耗傳輸技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)貨物列車制動(dòng)故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用終端，為鐵路貨車制動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了一種思路和選擇[2-3]。

1 研究目標(biāo)

研究一種無線數(shù)據(jù)傳輸方案，在既有鐵路貨運(yùn)環(huán)境下，將鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)車載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠地傳送到應(yīng)用終端。

2 方案介紹

為實(shí)現(xiàn)當(dāng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能找出故障發(fā)生的車輛、及時(shí)自動(dòng)將制動(dòng)故障信息傳輸?shù)綉?yīng)用終端的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集→故障判斷→數(shù)據(jù)傳輸→報(bào)警顯示的工作流程。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸方案選用

在通信技術(shù)領(lǐng)域，有多種數(shù)據(jù)傳輸方案供選用。如有線列車網(wǎng)絡(luò)、每輛車都采用GPRS獨(dú)立傳輸、無線自組網(wǎng)等。有線列車網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)。其缺點(diǎn)是每輛車必須有貫通的通信電纜，既有車輛的改造成本高，編組的列車中不能有斷點(diǎn)，貫通的電纜出現(xiàn)斷點(diǎn)，斷點(diǎn)后部的車輛數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)椒?wù)器。如果每輛車都采用GPRS獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)，從技術(shù)上來說是一個(gè)很好的解決方案，但使用成本較高。無線自組網(wǎng)方案既能解決數(shù)據(jù)傳輸問題，使用維護(hù)成本也比較低。綜合考慮，最終選用無線自組網(wǎng)用于空氣制動(dòng)智能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸方案。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)架

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。在列車的每輛車上安裝有一個(gè)具有數(shù)據(jù)采集功能和網(wǎng)絡(luò)連接功能的車載裝置，列車編組計(jì)劃完成后，將編組信息通過GPRS傳送到監(jiān)控儀，監(jiān)控儀根據(jù)編組計(jì)劃將對(duì)應(yīng)的每一輛車的車載裝置連接到一個(gè)指定的網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)特定的列車網(wǎng)絡(luò)(自組網(wǎng))，每個(gè)車載裝置都是自組網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)架

在每列車中選一輛車的節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)控儀，所有車輛節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過列車自組網(wǎng)集中到監(jiān)控儀進(jìn)行匯總，監(jiān)控儀再將匯總后的數(shù)據(jù)通過GPRS信號(hào)傳送到服務(wù)器。應(yīng)用終端可以通過給定的賬號(hào)經(jīng)Internet查詢服務(wù)器數(shù)據(jù)。

2.3 穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)方案介紹

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)架中，Internet、GPRS網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)營(yíng)商管理和維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)很成熟。自組網(wǎng)是根據(jù)用戶的特定應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。為適應(yīng)貨物列車的運(yùn)用環(huán)境，在該貨物列車自組網(wǎng)的運(yùn)用中，主要研究了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分群組網(wǎng)方案、通信路徑選優(yōu)方案、網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)方案等適應(yīng)鐵路貨運(yùn)環(huán)境的專有技術(shù)，各專有技術(shù)介紹如下。

2.3.1節(jié)點(diǎn)分群組網(wǎng)方案

由于鐵路貨車編組較長(zhǎng)，朔黃鐵路線運(yùn)營(yíng)的C80型車輛編組的萬t列車，編組數(shù)量為108輛，2萬t列車的編組數(shù)量為216輛。如果每個(gè)車載裝置作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接組網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)必須逐個(gè)逐級(jí)往監(jiān)控儀傳送，網(wǎng)絡(luò)速度將會(huì)很慢甚至造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。為減輕自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送壓力，采用了節(jié)點(diǎn)分群組網(wǎng)技術(shù)(圖2)。為確保在鐵路沿線各種復(fù)雜環(huán)境條件下，網(wǎng)關(guān)與相鄰節(jié)點(diǎn)群內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在穩(wěn)定可靠的通信距離范圍內(nèi)，將全部節(jié)點(diǎn)以每3個(gè)分成一群，在每個(gè)群中選定一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)收集下一個(gè)群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)以及本網(wǎng)關(guān)作為節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)缴弦痪W(wǎng)關(guān)，節(jié)點(diǎn)群內(nèi)部的其他節(jié)點(diǎn)，僅僅需要將采集到的數(shù)據(jù)提交給上一群選定的網(wǎng)關(guān)，不對(duì)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。這樣，數(shù)據(jù)逐群往監(jiān)控儀傳送，大大降低了自組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送壓力，避免列車自組網(wǎng)數(shù)據(jù)堵塞。

圖2 節(jié)點(diǎn)分群組網(wǎng)示意圖

2.3.2通信路徑選優(yōu)方案

在組網(wǎng)初始階段，監(jiān)控儀根據(jù)列車編組信息向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送分群組網(wǎng)指令，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的監(jiān)控儀指令找到自己所在的節(jié)點(diǎn)群，并向監(jiān)控儀反饋狀態(tài)信息。監(jiān)控儀再根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的反饋信息，將各節(jié)點(diǎn)群最先反饋信息的節(jié)點(diǎn)選定為每個(gè)節(jié)點(diǎn)群的網(wǎng)關(guān)，達(dá)到自組網(wǎng)最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳遞能力。一旦被選為網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的屬性就相對(duì)固定，確保自組網(wǎng)的暢通與穩(wěn)定。只有在網(wǎng)絡(luò)中斷或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)本身出現(xiàn)故障的情況下，才會(huì)重新選擇網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)承擔(dān)起下一級(jí)節(jié)點(diǎn)群內(nèi)數(shù)據(jù)收集和與上一級(jí)節(jié)點(diǎn)群的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的任務(wù)。

2.3.3網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)方案

自組網(wǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，監(jiān)控儀會(huì)定期向下一群發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)會(huì)逐級(jí)下傳，一直傳遞到最后一個(gè)群的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)會(huì)及時(shí)回復(fù)響應(yīng)信號(hào)并逐級(jí)上報(bào)至監(jiān)控儀。如果監(jiān)控儀連續(xù)3次沒有收到某一級(jí)群之后的節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)，即認(rèn)為自組網(wǎng)意外中斷。此時(shí)，監(jiān)控儀會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)程序。監(jiān)控儀會(huì)向無響應(yīng)信號(hào)的節(jié)點(diǎn)群內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送呼喚信號(hào)，各節(jié)點(diǎn)收到呼喚信號(hào)后立即向監(jiān)控儀發(fā)送響應(yīng)信號(hào)。監(jiān)控儀會(huì)將該節(jié)點(diǎn)群內(nèi)最先回復(fù)響應(yīng)信號(hào)的節(jié)點(diǎn)選為該群的新網(wǎng)關(guān)，替代原來的網(wǎng)關(guān)，恢復(fù)自組網(wǎng)的正常運(yùn)行。原來的網(wǎng)關(guān)則自動(dòng)恢復(fù)為群內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的屬性。

2.4 供電方案

為解決監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問題，利用承載鞍的結(jié)構(gòu)，在不改變既有車輛的承載鞍和車輛結(jié)構(gòu)的前提下，將發(fā)電裝置通過安裝座固定在車軸軸端，將永磁鐵制成轉(zhuǎn)子并與安裝座相連，將線圈制成定子并通過U型桿插入到承載鞍底部進(jìn)行限位和固定(圖3)。車輛運(yùn)行時(shí)，通過橋接式安裝座驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、發(fā)電。發(fā)出的電流經(jīng)過智能電源管理模塊進(jìn)行整流和穩(wěn)壓給蓄電池充電，同時(shí)滿足車載裝置的用電需求，當(dāng)車輛停止運(yùn)行時(shí)，蓄電池自動(dòng)為車載裝置供電，并根據(jù)運(yùn)用場(chǎng)景需要讓車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)喚醒或休眠，確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在需要工作的時(shí)候有足夠的電源供應(yīng)。

圖3 軸端發(fā)電裝置

2.5 節(jié)能方案介紹

鐵路貨車因無供電電纜，依靠車輛的運(yùn)行過程自發(fā)電給車輛供電，電能的供給較小。故監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案采用了網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)休眠、智能喚醒、電源節(jié)能管理等節(jié)能技術(shù)方案。

2.5.1自動(dòng)休眠方案

根據(jù)鐵路貨車的運(yùn)用以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)架特點(diǎn)，列車在運(yùn)行過程中，一方面車載裝置編入了自組網(wǎng)，另一方面列車管壓力大于350 kPa。故利用自組網(wǎng)信息和列車管壓力信息設(shè)計(jì)了自動(dòng)休眠方案。車載裝置只有在網(wǎng)并且監(jiān)測(cè)到列車管壓力大于350 kPa時(shí)，才處于工作狀態(tài)，其他時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，大大降低了車載裝置電能的消耗。

2.5.2智能喚醒方案

收到來自監(jiān)控儀的組網(wǎng)信號(hào)或是列車管壓力變化，且列車管壓力高于350 kPa時(shí)，車載裝置自動(dòng)喚醒。智能喚醒與自動(dòng)休眠配合，讓車載裝置大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，大幅度降低車載裝置的電能消耗。

3 方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸方案的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)、列車定置試驗(yàn)和超過1年時(shí)間的裝車運(yùn)行試驗(yàn)。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)

進(jìn)行了大量的室內(nèi)和線路靜態(tài)測(cè)試，并開展了多次線路動(dòng)態(tài)通信測(cè)試。靜置測(cè)試在室內(nèi)和線路測(cè)試了組網(wǎng)可靠性，在線路測(cè)試了車輛靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸速率、傳輸距離以及通信可靠性等參數(shù)；在線路動(dòng)態(tài)測(cè)試了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和有效傳輸距離等，結(jié)果表明，無線自組網(wǎng)通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間視距通信有效傳輸距離大于100 m，動(dòng)態(tài)通信效果穩(wěn)定可靠。

組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)完成后，分別在試驗(yàn)室和線路上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。列車網(wǎng)絡(luò)都能夠按照架構(gòu)設(shè)計(jì)，快速完成組網(wǎng)。

用廠區(qū)的SQ6型車(車輛長(zhǎng)度約26 m)進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試不同距離的數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)完整性，結(jié)果顯示單點(diǎn)通信可靠，無數(shù)據(jù)丟失。圖4為傳輸距離試驗(yàn)。

圖4 傳輸距離試驗(yàn)

在成昆線客貨車、神朔線和朔黃線C80型貨車進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)測(cè)試(圖5)，通信正常。

圖5 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

3.2 列車定置試驗(yàn)

在列車定置試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了模擬故障監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，模擬1萬t貨物列車制動(dòng)系統(tǒng)，在每輛車制動(dòng)系統(tǒng)上安裝一套車載裝置。在列車不同的編組位置模擬了自然制動(dòng)、關(guān)門車、無制動(dòng)、意外緊急、自然緩解等故障(圖6)，將故障報(bào)警信息(圖7)經(jīng)自組網(wǎng)傳送到監(jiān)控儀，再由監(jiān)控儀傳送到服務(wù)器進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警信息與設(shè)置故障情況完全吻合[4]。

圖6 模擬主閥故障緩解不良

圖7 相應(yīng)的報(bào)警信息

3.3 裝車運(yùn)行試驗(yàn)

利用該數(shù)據(jù)傳輸方案研制了空氣制動(dòng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2020年6月在朔黃鐵路線的試驗(yàn)列車上開始運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)列車列檢發(fā)現(xiàn)與空氣制動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的故障，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用終端都能查到相關(guān)的故障報(bào)警信息[5]。報(bào)警信息包括車輛編號(hào)、車輛在列車中的位置、故障名稱、故障發(fā)生時(shí)間等(圖8)。

圖8 關(guān)門車報(bào)警信息

4 結(jié)論

鐵路貨車制動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方案的系統(tǒng)構(gòu)建采用了分群組網(wǎng)、通信路徑選優(yōu)以及網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)等穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并采用了自動(dòng)休眠、智能喚醒、電源管理等節(jié)能技術(shù)，能適應(yīng)鐵路貨物列車車載監(jiān)測(cè)的運(yùn)用環(huán)境。