軌道衡超偏載檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊峰濤， 羅永春， 王書真

(1．石家莊益通科技有限公司，河北 石家莊 050091;2．石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

長(zhǎng)期以來，由于客觀條件限制及經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，鐵路貨車超載、偏載現(xiàn)象嚴(yán)重，造成車輛設(shè)備損傷，大大降低使用壽命，甚至危及行車安全。因?yàn)槌d問題不能在裝車現(xiàn)場(chǎng)被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成鐵路運(yùn)輸成本增加［1］。裝車后貨物重心的投影應(yīng)位于貨車縱橫中心線的交叉點(diǎn)上。必須偏離時(shí)，橫向偏移量不得超過100 mm，超過時(shí)，視為偏載［2］。裝車后貨物重心在車輛縱向方向上的過量偏離——即兩轉(zhuǎn)向架所承受重量之差大于10 t 時(shí)，視為偏重。在鐵路貨物運(yùn)輸過程中，貨車超、偏載、偏重危害極大，不僅對(duì)車輛、機(jī)車、線路、道岔的損害嚴(yán)重，而且極易造成車輛燃軸、切軸及車輛顛覆等重大事故。

目前，鐵路貨物超載主要依靠軌道衡稱重來判別，而且由于車輛在軌道衡上位置的差異，導(dǎo)致車輛的稱重?cái)?shù)據(jù)不一致，存在嚴(yán)重的人為干擾因素。另一方面，為了解決偏載問題，鐵路部門在線路上安裝了偏載檢測(cè)裝置，對(duì)運(yùn)輸途中的貨車車輛進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)偏載車輛，鐵路部門就會(huì)把該車甩到編組站進(jìn)行處理，處理完畢后才能上線運(yùn)行。

為了從源頭上避免超偏載問題，很有必要研制具有貨物稱重和車輛超偏載檢測(cè)檢測(cè)功能的綜合系統(tǒng)，使裝車過程中保證貨車不超載不偏載，從根本上保證了行車安全。

1 軌道衡超偏載檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軌道衡超偏載檢測(cè)系統(tǒng)主要由車號(hào)識(shí)別、車輛定位、車輛稱重及超偏載檢測(cè)、裝車監(jiān)控等子系統(tǒng)組成，超偏載檢測(cè)系統(tǒng)與裝車調(diào)度管理中心通過企業(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)連接，使裝車生產(chǎn)信息快速流通，提高工礦企業(yè)的信息化管理水平。其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1 所示。

(1) 軌道衡車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)。利用非接觸式ID 卡讀取技術(shù)，自動(dòng)獲取車輛的屬性碼、車種、車型、車號(hào)信息;利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將車型、車號(hào)等參數(shù)信息傳輸給超偏載檢測(cè)系統(tǒng)。各車型相關(guān)的自重、允重等車輛技術(shù)參數(shù)信息，被用于超偏載計(jì)算。

(2) 車輛定位子系統(tǒng)。利用車輪定位器和車輪計(jì)數(shù)算法，在車輛進(jìn)入稱重狀態(tài)( 上衡) 后，進(jìn)行在衡位置檢測(cè)。只有在車輛處于軌道衡居中位置時(shí)才允許進(jìn)行載重計(jì)量。

(3) 稱重?cái)?shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。采用柱式壓力傳感器，傳感器將壓力值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào);當(dāng)車輛到達(dá)計(jì)量位置時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊通過將傳感器傳過來的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，得到離散的采樣數(shù)據(jù)。

圖1 軌道衡車輛定位與超偏載檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

(4) 超偏載檢測(cè)子系統(tǒng)。根據(jù)采集系統(tǒng)得到的稱重?cái)?shù)據(jù)離散數(shù)據(jù)，采用數(shù)字濾波算法及數(shù)據(jù)計(jì)算處理，得到車重及超偏載信息。

(5) 裝車顯示子系統(tǒng)。分為裝車現(xiàn)場(chǎng)大屏幕顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)顯示大屏幕實(shí)時(shí)顯示裝車過程中車輛在衡上的位置、每個(gè)車輪的質(zhì)量及貨物總重，使裝車操作人員隨時(shí)了解車輛超偏載情況，當(dāng)超偏載值超過預(yù)設(shè)參數(shù)時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示。遠(yuǎn)程監(jiān)控則通過局域網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)裝車畫面、裝車數(shù)據(jù)和偏載信息實(shí)時(shí)傳送到企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，遠(yuǎn)端的裝車調(diào)度管理計(jì)算機(jī)通過瀏覽器登陸服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)裝車情況。超偏載檢測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

圖2 超偏載檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)主要功能模塊

2．1 車號(hào)識(shí)別

車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)的目的是把貨車的信息讀入到軌道衡超偏載檢測(cè)系統(tǒng)。其工作原理是基于射頻識(shí)別( RFID) 技術(shù)，每個(gè)車輛都配備一個(gè)存有車號(hào)及車輛的技術(shù)參數(shù)信息的RFID 標(biāo)簽，車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)則由地面天線設(shè)備和標(biāo)簽信息處理設(shè)備組成，主要包括:地面天線、射頻( RF) 讀卡器等。

當(dāng)安裝有標(biāo)簽的車輛經(jīng)過天線作用范圍時(shí)，標(biāo)簽根據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行反射調(diào)制，天線接收到標(biāo)簽調(diào)制信息后，傳送給地面設(shè)備主機(jī)箱中的射頻讀卡器，射頻讀卡器對(duì)已調(diào)制的標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大等處理后，進(jìn)一步進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)處理，從而完成對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取。車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)將獲取的貨車車輛的車型、自重、允重、車長(zhǎng)、軸距、換長(zhǎng)等信息，通過通訊接口傳輸?shù)杰壍篮獬d檢測(cè)系統(tǒng)。

2．2 車輛定位

貨車在軌道衡上的位置對(duì)稱重精度影響很大，為了保證高精度的稱重采用了車輛定位子系統(tǒng)。即只有貨車轉(zhuǎn)向架在設(shè)定的位置時(shí)才允稱重計(jì)量。車輛在軌道衡上的稱重位置示意圖如圖3 所示。

圖3 靜態(tài)軌道衡稱重示意圖

4 臺(tái)傳感器在稱重軌上的位置均勻分布。軌道衡中部是車輛理想稱重位置( 前、后車輪以黑色表示) ，稱重軌作用到4 臺(tái)傳感器上的重量應(yīng)該相等，稱重軌處于剛性狀態(tài)，未變形。當(dāng)車輛位于兩個(gè)極端稱重位置( 圖3 中分別以紅色和藍(lán)色表示車輪) 時(shí)，稱重軌將產(chǎn)生彈性變形。造成稱重點(diǎn)的受力不一致。為了保證稱重位置的科學(xué)性和合理性，在軌道一側(cè)安裝了車輪定位裝置。圖4 所示為6 個(gè)定位器示意圖。

安裝的定位器的總長(zhǎng)度小于任意兩個(gè)車輪的間距，即某一時(shí)刻只可能有一個(gè)車輪在定位器上，并且車輪只能使一個(gè)定位器得到感應(yīng)。在轉(zhuǎn)向架上衡后對(duì)車輪進(jìn)行計(jì)數(shù)累加，并進(jìn)行模4 運(yùn)算，當(dāng)余數(shù)為0 時(shí)，表明當(dāng)前在衡為一節(jié)貨車車廂?？筛鶕?jù)定位器“真”“假”順序判斷車廂的行駛方向，當(dāng)車廂正向行駛時(shí)，計(jì)數(shù)加1;當(dāng)車廂逆向行駛時(shí)，計(jì)數(shù)減1。根據(jù)車號(hào)子系統(tǒng)獲取的貨車類型，計(jì)算出車輪在理想稱重點(diǎn)時(shí)的計(jì)數(shù)器數(shù)值，并啟動(dòng)稱重子模塊工作。

圖4 車輛定位

2．3 超偏載檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)根據(jù)定位器數(shù)值，判斷出貨車到達(dá)中間位置時(shí)，啟動(dòng)軌道衡的數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)軌道衡下方安裝的8 個(gè)壓力傳感器信號(hào)采用，并分別形成轉(zhuǎn)向架單軸兩側(cè)稱重信號(hào)，即兩側(cè)前后4 個(gè)質(zhì)量信號(hào)，為整車稱重、超偏載檢測(cè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2．3．1 數(shù)字濾波

貨車車輛在過衡過程中，壓力傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)值較小，容易受到接觸網(wǎng)電弧、車輛擺動(dòng)、臺(tái)面震動(dòng)、工頻及電磁干擾等多方面因素的干擾，因此，有效地濾除噪聲對(duì)于獲得真實(shí)的車輛載重信息至關(guān)重要。由于數(shù)據(jù)采集模塊的濾波電路不能完全去掉干擾信號(hào)，需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，以減少干擾信號(hào)，提高后續(xù)處理的運(yùn)算精度［6］。

所謂數(shù)字濾波是通過一定的計(jì)算程序來對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，提取其有用信號(hào)，消除和減少各種干擾和噪聲，以保證計(jì)算和控制的準(zhǔn)確性［7］。本系統(tǒng)采用中值濾波算法，對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個(gè)采樣信號(hào)，對(duì)于異常偏大或偏小的數(shù)據(jù)，用其前一個(gè)數(shù)和后一個(gè)數(shù)的中間值代替。與其它常用數(shù)字濾波算法相比較，中值濾波不僅能濾除不正常的采樣值，而且可以有效地減少偏載計(jì)算的計(jì)算量。

2．3．2 偏載計(jì)算數(shù)學(xué)模型

在衡車輛定位于軌道衡居中稱重位置，某一側(cè)稱重軌的受力示意圖如圖5 所示。設(shè)車輛在這一側(cè)的前轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)車輪W1、W2輪位于傳感器S1、S2之間。其中各變量含義為:Xi為傳感器Si的壓力讀數(shù);Nj為車輪Wj的壓力，是判斷是否偏載而需要計(jì)算的變量。

由圖5 可知，L1+ L2= L3+ L4= L。

通過稱重軌受力分析，可推導(dǎo)得到如下各個(gè)車輪壓力計(jì)算公式

同理，可以計(jì)算同側(cè)后轉(zhuǎn)向架兩個(gè)車輪的壓力N3、N4以及車輛另一側(cè)每個(gè)車輪的壓力N5、N6、N7、N8。

根據(jù)《鐵道貨車超偏載檢測(cè)裝置》中規(guī)定的車輛偏載測(cè)試最大允許誤差［8］，判斷車輛是否偏載。若車輛偏載超出允許范圍，則在裝車現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平車處理。

圖5 稱重軌受力示意圖

2．3．3 超偏載報(bào)警

在裝車控制室外安裝大屏幕，實(shí)時(shí)顯示在衡車輛的超偏載信息?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員可以隨時(shí)觀察車輛超偏載情況，當(dāng)超載或偏載值超過預(yù)設(shè)參數(shù)時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示。

2．4 裝車遠(yuǎn)程監(jiān)控

偏載檢測(cè)信息由裝車現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)通過企業(yè)局域網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的裝車遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)，內(nèi)嵌的WEB服務(wù)器實(shí)時(shí)將包括在裝車輛信息( 車型、車號(hào)、目標(biāo)質(zhì)量、當(dāng)前質(zhì)量) 、車輛在衡位置、現(xiàn)場(chǎng)視頻、偏載情況等發(fā)布，在調(diào)度室內(nèi)對(duì)裝車情況的遠(yuǎn)處監(jiān)控。

3 軟件開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)

軌道衡超偏載檢測(cè)核心軟件系統(tǒng)的主要功能是協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的工作、完成對(duì)稱重及偏載數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫操作、實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌WEB 頁面的實(shí)時(shí)更新等。車號(hào)識(shí)別、車輛定位、稱重?cái)?shù)據(jù)采集、超偏載檢測(cè)、大屏輸出顯示、信息發(fā)布等子系統(tǒng)具有相互的獨(dú)立性和完整性，核心軟件系統(tǒng)與各子系統(tǒng)之間采用實(shí)時(shí)通信模式。軟件系統(tǒng)開發(fā)中主要采用了如下技術(shù):

3．1 Flex 技術(shù)的應(yīng)用

Flex 是Adobe 公司推出的一個(gè)高效、免費(fèi)的開源框架，通過其特有的ActionScript 語言，可以實(shí)現(xiàn)Flex應(yīng)用程序和其它應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交互以及Flex 畫面顯示的動(dòng)態(tài)控制。

在本系統(tǒng)的開發(fā)中，采用Flex 提供的HttpService 組件，通過標(biāo)準(zhǔn)的Http 協(xié)議向J2EE 服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，查詢當(dāng)前車輛的在衡位置和偏載狀態(tài)，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示車輛的在衡位置和偏載信息。利用Flex 提供的Timer 組件，設(shè)置定時(shí)器每隔一定的時(shí)間( 設(shè)定為200 ms) 向J2EE 服務(wù)器請(qǐng)求一次當(dāng)前的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車輛在衡運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

由于Flex 應(yīng)用程序不能直接查詢數(shù)據(jù)庫來獲得車輛的位置信息和偏載信息，以J2EE 作為數(shù)據(jù)查詢的中間層應(yīng)用。在J2EE 應(yīng)用程序中，采用了JSP 動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)和JDBC 數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)。利用Flex 調(diào)用由JSP 提供的標(biāo)準(zhǔn)Http 服務(wù)，在JSP 中通過JDBC 與車輛信息數(shù)據(jù)庫建立連接來查詢當(dāng)前數(shù)據(jù)，然后通過Http 協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送給Flex 應(yīng)用程序。

3．2 連接池技術(shù)的應(yīng)用

Flex 程序向J2EE 服務(wù)器請(qǐng)求查詢數(shù)據(jù)的頻率非常高，每次查詢請(qǐng)求都需要通過JSP 和數(shù)據(jù)庫建立一次連接，查詢處理完畢后關(guān)閉該連接。在同時(shí)顯示多個(gè)裝車信息頁面時(shí)，頻繁的數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)查詢、釋放連接操作會(huì)大量增加數(shù)據(jù)庫的開銷，從而降低數(shù)據(jù)庫的處理能力。

為了解決這種問題，在J2EE 應(yīng)用程序中使用了連接池技術(shù)。J2EE 程序初始化時(shí)，首先和數(shù)據(jù)庫建立一定數(shù)量的連接，每次JSP 處理查詢請(qǐng)求時(shí)，不再與數(shù)據(jù)庫直接建立新的連接，而是從連接池內(nèi)取一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接，當(dāng)查詢處理完畢后再將這個(gè)連接歸還到連接池中供其它JSP 處理程序使用，這樣可以使數(shù)據(jù)庫連接得到重復(fù)利用，大大提高了數(shù)據(jù)庫的響應(yīng)速度。開源的JAVA 連接池程序Proxool 能夠提供一個(gè)健壯、易用的連接池，最為關(guān)鍵的是這個(gè)連接池提供監(jiān)控的功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)控連接池中連接的使用情況，便于合理調(diào)配使用。

3．3 Socket 通信技術(shù)的應(yīng)用

為了滿足服務(wù)器端( 即遠(yuǎn)程監(jiān)控) 對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求，在系統(tǒng)開發(fā)中采用了Socket 通信技術(shù)。

監(jiān)控服務(wù)啟動(dòng)時(shí)，建立服務(wù)器端的Socket，偵聽網(wǎng)絡(luò)中的連接請(qǐng)求。當(dāng)檢測(cè)到來自裝車現(xiàn)場(chǎng)客戶端的請(qǐng)求時(shí)，Socket 向客戶端發(fā)送收到連接請(qǐng)求的信息，建立與客戶端之間的連接，與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，完成通信后，關(guān)閉與客戶端的Socket 連接。

Socket 通信技術(shù)的應(yīng)用保證了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的延時(shí)小于1 s( 一般在600 ms 左右) ，滿足了實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決現(xiàn)場(chǎng)問題創(chuàng)造了條件。

3．4 Ajax 技術(shù)的應(yīng)用

監(jiān)控系統(tǒng)軟件需要實(shí)時(shí)刷新監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，由于整個(gè)頁面實(shí)時(shí)刷新會(huì)對(duì)服務(wù)器造成很大的負(fù)荷，因此采用Ajax 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁面的局部刷新。

Ajax 是一種獨(dú)立于Web 服務(wù)器軟件的瀏覽器技術(shù)。通過Ajax，JavaScript 可使用XMLHttpRequest 對(duì)象來直接與服務(wù)器進(jìn)行通信。利用XMLHttpRequest，JavaScript 可在不重載頁面的情況與Web 服務(wù)器交換數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在監(jiān)控系統(tǒng)中采用Ajax 技術(shù)，可使CPU 的使用率下降30%左右( 具體數(shù)值視服務(wù)器配置不同而有所改變) 。

4 結(jié)語

為加強(qiáng)鐵路貨車車輛裝載安全管理，在源頭上克服貨車車輛的超載、偏載或偏重等問題，減少在鐵路運(yùn)輸過程中出現(xiàn)因超偏載報(bào)警導(dǎo)致的扣車、甩車現(xiàn)象，提出了適用于工礦企業(yè)裝車現(xiàn)場(chǎng)且經(jīng)濟(jì)可行的軌道衡車輛超偏載檢測(cè)系統(tǒng)，并深入介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案。

提出的軌道衡車輛超偏載檢測(cè)系統(tǒng)已在某個(gè)大型煤礦集團(tuán)成功實(shí)施，經(jīng)過近1 a 的應(yīng)用，效果非常明顯。以前每年因超偏載造成許多車輛被扣、甩到車站，現(xiàn)在無一節(jié)車輛因?yàn)槌d被扣、甩，從根本上解決了源頭裝車時(shí)的超偏載問題，實(shí)現(xiàn)了裝車計(jì)量過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)控制及超偏載情況的原始圖像記錄，集貨車車輛裝載管理、過程監(jiān)控、調(diào)度指揮等功能為一體，有效地減少了裝車造成的虧漲噸賠款和鐵路運(yùn)輸途中的車輛超偏載報(bào)警現(xiàn)象，提高了工礦企業(yè)裝載管理信息化水平。該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，不僅有利于確保鐵路行車安全，而且可以為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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