LNG鐵路運(yùn)輸車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置

黃圣 何遠(yuǎn)新 岳勝娥

摘 要：本文首先闡述了LNG鐵路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)和在鐵路運(yùn)輸設(shè)備上采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的必要性，并分析了車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的需求。其次，對(duì)車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置用到的關(guān)鍵技術(shù)和試驗(yàn)驗(yàn)證情況進(jìn)行了講解。最后，對(duì)車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向作出展望。

關(guān)鍵詞：鐵路運(yùn)輸;物聯(lián)網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù);試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：U272.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 背景及意義

天然氣是一種清潔、優(yōu)質(zhì)燃料，具有性能高、熱值大、高效、綠色、廉價(jià)等優(yōu)勢(shì)，正漸漸取代其他能源，成為人們?nèi)粘Ｉ罴肮I(yè)能源的主導(dǎo)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，向天然氣轉(zhuǎn)型已是世界的潮流。LNG（液化天然氣）是將天然氣凈化深冷液化而成的液體，主要成分是甲烷，其體積約為氣態(tài)時(shí)的1/625，因此天然氣以液態(tài)進(jìn)行運(yùn)輸與儲(chǔ)存具有良好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，LNG具有易燃、易爆、低溫的危險(xiǎn)特性。鐵路運(yùn)輸與公路運(yùn)輸相比，具有運(yùn)能大、運(yùn)輸成本低、全天候、安全、準(zhǔn)時(shí)、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，中長(zhǎng)途貨運(yùn)是鐵路最大的優(yōu)勢(shì)所在，這是交通部門(mén)和社會(huì)各界早已形成的共識(shí)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，鐵路運(yùn)輸正朝著遠(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)人值守的方向發(fā)展。為保障LNG鐵路運(yùn)輸安全，我們必須引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置采集鐵路運(yùn)輸裝備的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將信息準(zhǔn)確的傳遞到地面調(diào)度中心的后臺(tái)服務(wù)器上，應(yīng)用管理系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)服務(wù)器接提供的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)LNG鐵路運(yùn)輸遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和智能管理。

2 車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置需求分析

LNG是一種易燃易爆的危險(xiǎn)介質(zhì)，在LNG鐵路罐車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中，我們可能會(huì)遇到下列危險(xiǎn)情況：（1）安全閥在危險(xiǎn)區(qū)域（如電氣化鐵路、隧道等地區(qū)）自動(dòng)排放，可能會(huì)引發(fā)燃燒、爆炸;（2）列車(chē)脫軌、側(cè)翻事故、閥門(mén)箱和外管路被人為破壞，造成LNG泄漏，從而引發(fā)冰凍、燃燒、爆炸等事故;（3）鐵路罐車(chē)在運(yùn)輸過(guò)程中，貨主違規(guī)操作，采用半罐運(yùn)輸（裝載量為20%～80%），導(dǎo)致罐車(chē)側(cè)翻，引發(fā)事故;（4）在裝液時(shí)，貨主有意超裝，引起運(yùn)輸過(guò)程中安全閥起跳甚至內(nèi)罐破裂等事故。

因此，為了保障LNG鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，需要遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的LNG運(yùn)輸裝備的內(nèi)罐壓力、介質(zhì)液位、介質(zhì)溫度、三軸加速度、定位追蹤等信息，合理安排運(yùn)輸?shù)男谐蹋M量去預(yù)防可能發(fā)生的危險(xiǎn)，或是在發(fā)生事故時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取應(yīng)急措施，減小損失。

3 系統(tǒng)框圖

從圖1中我們可以看到車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置主要分為遠(yuǎn)程通信模塊、CPU、數(shù)據(jù)輸入模塊、電源模塊。數(shù)據(jù)輸入模塊包括三軸加速度傳感器、衛(wèi)星定位模塊、I/O模塊、溫度傳感器和壓力傳感器，其中溫度傳感器和壓力傳感器通過(guò)I/O模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU中。數(shù)據(jù)輸入模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU中進(jìn)行處理打包，通過(guò)通信模塊上傳到網(wǎng)絡(luò)中。

4 車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵技術(shù)

車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置總體來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到了傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、通信技術(shù)，它們通過(guò)STM32微控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整個(gè)功能。

4.1 STM32微控制器技術(shù)

單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)走過(guò)近40多年的歷史，其間雖然有很多處理器以自己的特點(diǎn)占據(jù)著應(yīng)用的某個(gè)領(lǐng)域，但是單片機(jī)以小巧靈活、性?xún)r(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域仍然有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)的形式已經(jīng)由當(dāng)時(shí)的4位、8位，發(fā)展到現(xiàn)在的32位的高速單片機(jī)，而本文采用的單片機(jī)的內(nèi)核就是現(xiàn)在非常流行的Cortex-M3內(nèi)核技術(shù)。

STM32單片機(jī)是ST（意法半導(dǎo)體）公司使用arm公司的cortex-M3為核心生產(chǎn)的32bit系列單片機(jī)，STM32系列是基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM cortex-M3內(nèi)核。它是目前應(yīng)用最為廣泛的一款單片機(jī)系列，以低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)得到了工程師們的喜愛(ài)。

4.2 傳感器技術(shù)

為了獲取LNG運(yùn)輸裝備的內(nèi)罐壓力、介質(zhì)液位、介質(zhì)溫度、三軸加速度信息，我們用了壓力傳感器、差壓傳感器、溫度傳感器、三軸加速度傳感器。

4.2.1 壓力傳感器

壓力傳感器和差壓傳感器采用的是單晶硅壓力傳感器，這種傳感器具有高精度、耐高溫、高過(guò)載、高穩(wěn)等特點(diǎn)，非常適用于鐵路工況。

4.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用的是鉑電阻傳感器，鉑電阻具有高精度、高穩(wěn)定性、抗氧化性好、測(cè)溫范圍廣、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，非常適用于鐵路工況。

4.2.3 三軸加速度傳感器

三軸加速度傳感器采用的是MEMS傳感器。MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。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)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。我們采用的這款MEMS三軸加速度傳感器量程范圍可達(dá)-8 g～8 g，分辨率不小于11位;零偏值小于±50 mg。

4.3 衛(wèi)星定位技術(shù)

為了保證車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的通用性和可靠性，衛(wèi)星定位模塊兼容了GPS和BD衛(wèi)星定位功能。

4.3.1 GPS衛(wèi)星定位

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）是美國(guó)以空間為基地的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。美國(guó)從上個(gè)世紀(jì)70年代開(kāi)始研制GPS系統(tǒng)，在1994年全面建成。一開(kāi)始只為軍方使用，但是其強(qiáng)大的實(shí)用性讓其迅速在民用各個(gè)行業(yè)運(yùn)用的越來(lái)越廣泛。GPS定位系統(tǒng)可以為全球用戶(hù)提供連續(xù)、精確的經(jīng)緯度和時(shí)間等信息，并在任何氣候條件下，提供定位，導(dǎo)航等服務(wù)。GPS主要由三部分組成：空間星座部分（空間部分）、地面支撐系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）和GPS接收機(jī)（用戶(hù)部分）。GPS空間部分使用了24顆衛(wèi)星組成的星座，衛(wèi)星高度約20 200公里，分布在六條升交點(diǎn)互隔60度的軌道面上，每條軌道上均勻分布4顆衛(wèi)星，相鄰兩軌道上的衛(wèi)星相隔40度，使得地球上任何地方至少可以同時(shí)看到4顆衛(wèi)星，通過(guò)這4顆衛(wèi)星可以計(jì)算出用戶(hù)的位置。

4.3.2 BD衛(wèi)星定位

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是繼GPS、GLONASS之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年，建成北斗三號(hào)系統(tǒng)，完成了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全部部署，已擁有55顆衛(wèi)星，可向全球提供服務(wù)。其實(shí)北斗系統(tǒng)只需要35顆衛(wèi)星，因?yàn)槲覈?guó)北斗組網(wǎng)衛(wèi)星需要升級(jí)，而在軌的衛(wèi)星也因?yàn)槭褂弥芷趩?wèn)題需要更新?lián)Q代，因此總發(fā)射數(shù)量就會(huì)比目標(biāo)數(shù)量要多。北斗衛(wèi)星的定位原理與GPS相同，也是采用4顆衛(wèi)星來(lái)計(jì)算用戶(hù)的位置。

4.4 通信技術(shù)

車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的通訊模塊兼容了4/3/2G，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先選擇連接4G網(wǎng)絡(luò)，然后是3G網(wǎng)絡(luò)，4G和3G都連接不上時(shí)才會(huì)選擇連接2G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。因此，只要LNG運(yùn)輸裝備附近有通信基站，就能通過(guò)車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)LNG運(yùn)輸裝備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置還設(shè)置了斷點(diǎn)續(xù)傳功能，當(dāng)LNG運(yùn)輸裝備運(yùn)行到無(wú)信號(hào)區(qū)域時(shí)，車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置能存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，等到了有信號(hào)的區(qū)域，可以從失去信號(hào)的這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息補(bǔ)傳到后臺(tái)服務(wù)器上，從而保證運(yùn)輸數(shù)據(jù)的完整性和可追溯性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了保證車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置能在鐵路工況下正常使用，對(duì)車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了以下型式試驗(yàn)，并全部合格：

（1）符合GB/T 2423.22 規(guī)定的耐溫試驗(yàn);

（2）符合GB/T 4208規(guī)定的外殼防護(hù)等級(jí)試驗(yàn);

（3）符合GB/T 21563規(guī)定的振動(dòng)沖擊試驗(yàn);

（4）符合GB/T 3836.1和GB/T 3836.4規(guī)定的防爆認(rèn)證試驗(yàn);

（5）符合GB/T 2423.17規(guī)定的鹽霧環(huán)境試驗(yàn);

（6）符合GB/T 17626.5規(guī)定的雷擊浪涌試驗(yàn)。

6 結(jié)論和展望

6.1 結(jié)論

本文結(jié)合LNG鐵路運(yùn)輸?shù)臓顩r，提出了安裝車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的必要性和監(jiān)測(cè)項(xiàng)點(diǎn)的需求。介紹了車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置上用到的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并做了簡(jiǎn)單的講解。不僅如此，本文還介紹了車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的型式試驗(yàn)情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了它在鐵路工況上運(yùn)用的安全性和可靠性。

本文中的車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）采用了STM32的單片機(jī)，系統(tǒng)硬件性能高、功耗低、成本低;

（2）采用了高精度、高可靠性的傳感器，保證了設(shè)備的整體可靠性;

（3）采用了兼容4/3/2G的通訊模塊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?、?shù)據(jù)傳輸效率高;

（4）采用GPS、BD衛(wèi)星定位技術(shù)，定位精度高、可靠性好;

（5）通過(guò)了所有型式試驗(yàn)的驗(yàn)證，保證了在鐵路工況下使用的可靠性。

因此，該車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置能滿(mǎn)足LNG鐵路運(yùn)輸裝備在線路上的使用要求。

6.2 展望

為了進(jìn)一步加強(qiáng)LNG鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，我們還要在系統(tǒng)集成更多更好的定位和通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全路運(yùn)輸無(wú)盲區(qū)，讓鐵路運(yùn)輸裝備在線路上的任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)連續(xù)精準(zhǔn)的定位和無(wú)間斷的數(shù)據(jù)傳輸。讓該車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置成為L(zhǎng)NG鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩l(wèi)士。

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