鐵路貨運裝備智能化技術(shù)應(yīng)用

李 冬，胡小平,李 琰,林結(jié)良

(1.中車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，四川 眉山 620010； 2.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司 眉山車輛監(jiān)造項目部，四川 成都 610031)

當(dāng)前新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，數(shù)據(jù)驅(qū)動、人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能經(jīng)濟(jì)形態(tài)開始顯現(xiàn)，中國鐵路業(yè)務(wù)模式、管理模式和組織模式將發(fā)生深刻變革。國際重載協(xié)會(IHHA)指出：未來世界重載技術(shù)將進(jìn)一步向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。2017年國際重載大會首次提出了“國際重載4.0”理念，即搭建現(xiàn)代化數(shù)字網(wǎng)絡(luò)平臺，廣泛應(yīng)用傳感器、大數(shù)據(jù)計算、信息通信、人工智能等技術(shù)，大幅提升貨運技術(shù)裝備智能化水平，提高運輸效率和安全性。

目前我國各類鐵路貨車總保有量大約有89.67萬輛[1]，確保貨車運行安全可靠，并以最小維護(hù)維修成本發(fā)揮車輛壽命期內(nèi)最大的經(jīng)濟(jì)效益，是鐵路運維部門極具挑戰(zhàn)性的問題。近年來，隨著大數(shù)據(jù)分析、互聯(lián)網(wǎng)、信息處理及傳感等技術(shù)的快速發(fā)展，故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技術(shù)在航空工業(yè)、電子工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果[2]?；赑HM理論基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代先進(jìn)的傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息處理技術(shù)開展提高鐵路貨車智能化、信息化水平的研究，依靠先進(jìn)科學(xué)技術(shù)來保證車輛運用安全性、可靠性，實現(xiàn)精準(zhǔn)化 “狀態(tài)修”，這是未來鐵路貨車發(fā)展的方向。本文將分析貨運裝備信息化、智能化發(fā)展的必要性，并闡述鐵路貨車智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)(以下簡稱智能系統(tǒng))的基本設(shè)想、主要功能、總體架構(gòu)以及系統(tǒng)組成。

1 鐵路貨物運輸市場對智能化貨運裝備的影響

現(xiàn)代物流發(fā)展呈現(xiàn)物流體系綜合化、物流管理智能化、物流資源社會化以及三流一體化四大趨勢。鐵路運輸是現(xiàn)代物流中必不可少的一環(huán)，又是公認(rèn)的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型運輸方式，在國民經(jīng)濟(jì)、國防、民生等建設(shè)方面發(fā)揮著極其重要的作用。以前鐵路主要以運輸煤炭、鋼材等關(guān)系國計民生的大宗貨物(黑貨)為主，對運輸車輛信息化的要求不高。然而，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)增速趨穩(wěn)放緩，經(jīng)濟(jì)制度的調(diào)整帶來經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，鐵路在大宗物資運輸上的優(yōu)勢正隨著運輸市場需求結(jié)構(gòu)的變化而受到嚴(yán)重沖擊，“黑貨”運輸需求驟減，貨運市場面臨挑戰(zhàn)。如圖1所示，2016年與2013年相比，鐵路貨運量總體下降17.7%，貨物周轉(zhuǎn)量下降20.8%[3]。

圖1 中國鐵路貨運總量及總周轉(zhuǎn)量統(tǒng)計圖

現(xiàn)代物流市場倒逼鐵路貨運改革，信息化 智能化是貨運改革的重要技術(shù)手段。隨著我國貨運市場需求結(jié)構(gòu)的變化，以消費品為主的快捷貨運需求存在巨大的潛在市場，因此鐵路貨運需轉(zhuǎn)變觀念，重新培育新的運輸市場，以適應(yīng)現(xiàn)代物流運輸發(fā)展的需要。近年來，在“黑貨”運輸市場逐步萎縮的同時，電子商務(wù)興起帶動“零擔(dān)白貨”運輸市場快速增長，這類貨物多品種、小批量、多批次的特點對運輸?shù)目旖菪?、機(jī)動性、準(zhǔn)確性、安全性方面提出了較高要求。因此，鐵路貨運應(yīng)以“智能運輸、精準(zhǔn)運輸、高效運輸”為導(dǎo)向，運用傳感器信息采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、存儲技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和自動控制技術(shù)，圍繞裝卸車、集疏運、列車線上運行等運輸全過程，開展集疏運一體化、智能運輸組織模式、精準(zhǔn)化列車開行方案、貨場智能管理等方面的智能化研究，發(fā)展更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能環(huán)保的智慧鐵路運輸系統(tǒng)。

“5G+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的快速發(fā)展正在引領(lǐng)軌道交通邁入智能化發(fā)展新時代。互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域深度融合正有力地推動經(jīng)濟(jì)社會多種方式的改革創(chuàng)新,促進(jìn)各行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展，構(gòu)建萬物互聯(lián)的新時代。從“中國制造2025”到“中國智能制造‘十三五’規(guī)劃”，鐵路貨運技術(shù)及其裝備只有與互聯(lián)網(wǎng)深度融合才能衍生嶄新的自動化、智能化新技術(shù)，推動技術(shù)進(jìn)步和組織變革，從而大幅提升創(chuàng)新力和生產(chǎn)力?；诟咧悄芑?G+互聯(lián)網(wǎng)”的PHM技術(shù)必將使得鐵路貨車及運營的管理機(jī)制、生產(chǎn)方式、維護(hù)維修體系發(fā)生根本變化，智能化是未來鐵路貨車生產(chǎn)、運營、維修發(fā)展的必然趨勢。

2 智能系統(tǒng)方案構(gòu)想

2.1 鐵路貨車技術(shù)特征

鐵路貨車技術(shù)特征對智能系統(tǒng)的可行性及可靠性均提出了苛刻的要求。

(1) 運速快，安全性要求高，時速160 km以上的快捷貨車需配備電子防滑器、軸溫監(jiān)測等監(jiān)測設(shè)備；

(2) 無隨車機(jī)械師和電氣師，人控條件有限，因此對系統(tǒng)的安全性和可靠性要求高，對智能監(jiān)測和遠(yuǎn)程實時預(yù)警有迫切需求；

(3) 貨車運用條件靈活，需經(jīng)常編組和解編，因此由機(jī)車供電困難，且現(xiàn)有貨車均無車載供電裝置，需解決貨車自身發(fā)電問題；

(4) 鐵路管理部門和客戶有實時了解貨車運行狀態(tài)、地理位置等信息的需求；

(5) 貨車配屬于中國國家鐵路集團(tuán)有限公司，全國范圍內(nèi)跨局運行，運行管理、運維等部門接口多，對貨車信息化有較大的挑戰(zhàn)；

(6) 貨車之間無通信電纜連接，對貨車間的無線通信可靠性要求高；

(7) 貨車運行地域跨度大，條件較為惡劣，對車載電子電氣設(shè)備的可靠性要求高。

2.2 設(shè)計原則

分析梳理上述鐵路貨車技術(shù)特征確定了智能系統(tǒng)的設(shè)計原則。

(1) 高可靠性：確保7×24 h不間斷運行，需考慮足夠冗余與備份；

(2) 低功耗：開發(fā)和選用低功耗設(shè)備，延長系統(tǒng)續(xù)航時間；

(3) 結(jié)構(gòu)緊湊：不改變現(xiàn)有車體結(jié)構(gòu)，節(jié)省空間，易于安裝、檢修；

(4) 模塊化、可擴(kuò)展：預(yù)留擴(kuò)展接口，根據(jù)需求添加防盜、制動、運行狀態(tài)、煙火、車門及功能機(jī)構(gòu)狀態(tài)及運輸介質(zhì)溫度等監(jiān)測設(shè)備；

(5) 兼容性強：采用開放性的系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)接口，方便和DMIS、TMIS、HMIS和95306等現(xiàn)有鐵路信息系統(tǒng)對接。

2.3 智能系統(tǒng)主要功能

(1) 自主發(fā)電、蓄電及智能用電管理。推廣應(yīng)用以信息化、數(shù)字化為基礎(chǔ)的新技術(shù)需首先解決鐵路貨車車輛的電源問題。系統(tǒng)包含了一種軸端發(fā)電裝置，利用車輪車軸的滾動進(jìn)行發(fā)電，并配以一定容量的蓄電池。軸端發(fā)電裝置供電和蓄電池儲供電可進(jìn)行智能化無縫轉(zhuǎn)換，確保智能系統(tǒng)工作時不間斷供電。

(2) 性能數(shù)據(jù)監(jiān)測及預(yù)警。車輛在運行過程中關(guān)鍵零部件的技術(shù)狀態(tài)直接影響車輛運行的安全性、可靠性和平穩(wěn)性。零部件技術(shù)狀態(tài)可通過溫度、位移、速度、力、加速度等指標(biāo)得以體現(xiàn)，故利用傳感技術(shù)，在不同零部件上安裝不同類型的傳感器可監(jiān)視零部件運用狀態(tài)和檢測零部件運行指標(biāo)數(shù)據(jù)。同時，基于車輛運用維修大數(shù)據(jù)分析結(jié)果給技術(shù)指標(biāo)設(shè)置一定限度，當(dāng)超過限度值時，系統(tǒng)可及時預(yù)警。

(3) 防火防盜安全監(jiān)控及預(yù)警。在車輛上安裝聲光傳感器以及視頻儀等設(shè)備進(jìn)行煙霧、防火、防盜等監(jiān)視、預(yù)警，實時監(jiān)控車輛運行過程中車輛和運輸貨物的狀況，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、盜竊行為等異常情況時可及時報警。

(4) 導(dǎo)航定位、測速及授時。實現(xiàn)車輛的衛(wèi)星定位、衛(wèi)星導(dǎo)航、測速和授時，貨主和管理部門可以利用電腦、手機(jī)等終端隨時了解車輛及貨物的運輸過程狀態(tài)。

(5) 系統(tǒng)設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控。對系統(tǒng)自身硬件設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視，并利用各級人機(jī)管理界面可隨時觀察設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或異常時，人機(jī)管理界面能及時顯示設(shè)備異常信息。

(6) 機(jī)車通過車輛間無線通信實時監(jiān)控所有車輛信息。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，可實現(xiàn)列車編組自動識別、無線自組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)修復(fù)。每輛車所有信息集成在車輛監(jiān)視主機(jī)上，車輛與車輛之間、列車和機(jī)車之間通過ZigBee無線通信技術(shù)傳輸信息和數(shù)據(jù)。機(jī)車配備監(jiān)測主機(jī)和聲光報警，可實時查看整列車運行狀態(tài)，并在無隨車機(jī)械師和電氣師的情況下指導(dǎo)司機(jī)采取應(yīng)急措施。

(7) 車地?zé)o線通信實現(xiàn)地面實時監(jiān)控所有車輛信息。列車數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星GPRS網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至地面信息處理中心，再通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至各級控制、管理部門，車輛運維各級部門可通過地圖和列表實時查看所有列車信息，包括車輛當(dāng)前位置、運行狀態(tài)等，出現(xiàn)異常情況時可做出準(zhǔn)確、及時的處置。

(8) 車輛、機(jī)車、地面中心等多級用戶設(shè)置監(jiān)控軟件和人機(jī)界面。車輛、機(jī)車以及地面各級運營、管理和維修部門可通過計算機(jī)軟件進(jìn)行人機(jī)對話，隨時監(jiān)測和調(diào)閱車輛的運行狀態(tài)。

(9) 歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢、下載。系統(tǒng)支持在Wi-Fi等模式下進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲、查詢和下載，便于對車輛狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。

2.4 智能系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能系統(tǒng)全面覆蓋貨車運行安全、快捷檢修和物流信息化等多方面業(yè)務(wù)，可為鐵路貨車提供整體一站式服務(wù)，其總體架構(gòu)如圖2所示。智能系統(tǒng)主要包括車載子系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)及車地數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)3個部分。車載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息采集和列車無線組網(wǎng)通信，地面數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理和人機(jī)接口，車地數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)負(fù)責(zé)車載子系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。圖3為貨車智能監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)軟硬件組成，圖中黑色字體代表硬件模塊，紅色字體代表軟件模塊。

圖2 貨車智能監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3 貨車智能監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)軟硬件組成

2.4.1 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)安裝于車輛上，主要由車輛供電系統(tǒng)、車輛監(jiān)測主機(jī)(簡稱“車輛主機(jī)”)及機(jī)車主機(jī)組成(圖4)，一個以上的車輛主機(jī)加上與其連接的無線局域網(wǎng)構(gòu)成一個列車級監(jiān)測主機(jī)(簡稱“列車級主機(jī)”)，一列車可由一個或若干個列車級主機(jī)構(gòu)成。車載子系統(tǒng)實時采集被監(jiān)測對象的狀態(tài)數(shù)據(jù)，全列集中顯示、報警，全程記錄數(shù)據(jù)，車載子系統(tǒng)的機(jī)車主機(jī)框架、列車級主機(jī)框架分別如圖5、圖6所示。

圖4 車載子系統(tǒng)總體組成框架

圖5 機(jī)車主機(jī)框架

圖6 列車級主機(jī)框架

車輛供電系統(tǒng)由軸端發(fā)電機(jī)、電源管理主機(jī)和蓄電池組成，為車載監(jiān)測系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供電。電源管理主機(jī)對發(fā)電機(jī)的供電輸出進(jìn)行處理，并管理蓄電池充放電，實時監(jiān)測電池電量和發(fā)電機(jī)功率。供電系統(tǒng)外置充電端子，方便在發(fā)/儲電不足時外接電源進(jìn)行充電。

車輛主機(jī)包括車輛零部件狀態(tài)監(jiān)測模塊(根據(jù)功能設(shè)置不同監(jiān)測內(nèi)容)、導(dǎo)航定位模塊、車輛間通信模塊、車地數(shù)據(jù)傳輸(GPRS)模塊、人機(jī)交互模塊、記錄儀、中央控制單元。根據(jù)地面配置，車輛主機(jī)可實現(xiàn)主控主機(jī)和普通主機(jī)兩種功能，普通主機(jī)功能是采集本節(jié)車輛狀態(tài)信息及設(shè)備信息，主控主機(jī)除和普通主機(jī)一樣的功能外，還發(fā)起整列車的車輛之間無線組網(wǎng)，并將所有普通主機(jī)監(jiān)測信息匯總后通過車輛間無線通信方式將整列車監(jiān)測信息發(fā)送給機(jī)車，供司機(jī)參考，同時利用GPRS通信系統(tǒng)方式將整列車的監(jiān)測信息發(fā)送給地面子系統(tǒng)(地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng))。

2.4.2 地面子系統(tǒng)

地面子系統(tǒng)主要是為各級貨運車站、列檢所、車輛段等安全行車、維護(hù)維修部門服務(wù)，提供實時、高效、穩(wěn)定可靠的安全行車監(jiān)測及預(yù)警。地面子系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，分析車載子系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，綜合評價車輛運用狀態(tài)，實施車輛故障預(yù)測和健康管理，提出維修管理建議的專家系統(tǒng)。地面子系統(tǒng)軟件框架如圖7所示，數(shù)據(jù)可以接入既有5T系統(tǒng)，或者接入編組站、運調(diào)中心、車站及95306網(wǎng)站等，可通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器實時訪問列車運行狀態(tài)信息，并在獲得授權(quán)后進(jìn)行列車運行狀態(tài)信息歷史數(shù)據(jù)下載。

圖7 地面子系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)圖(鐵路貨運局/站段信息系統(tǒng))

2.4.3 車地數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

車地數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)是車載子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，采用GPRS公網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行實時通信。

2.4.4 系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)接口

本系統(tǒng)采用開放式的軟硬件頂層架構(gòu)，可實現(xiàn)與多個現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遷移和共享，如DMIS、TMIS、HMIS系統(tǒng)和95306網(wǎng)站等,圖8為外部數(shù)據(jù)接口示意圖。

圖8 外部數(shù)據(jù)接口

2.5 智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能邏輯層次

基于邏輯分層的管理思想，該智能系統(tǒng)根據(jù)基本數(shù)據(jù)在各階段的處理方式大致可以分為7種不同的功能層次(表1)[4]。智能系統(tǒng)采用頂層設(shè)計，依照不同邏輯層次設(shè)置不同的功能，低層次的功能作為高層次功能的基礎(chǔ)和依據(jù)。

表1 鐵路貨車智能在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能邏輯層次表

3 車載子系統(tǒng)在車輛上的安裝

由于車載子系統(tǒng)車輛狀態(tài)監(jiān)測模塊涉及的車輛零部件數(shù)量多、種類繁雜、型號各異，且不同零部件監(jiān)測內(nèi)容不同，需根據(jù)被監(jiān)測零部件的檢測內(nèi)容、結(jié)構(gòu)以及在車輛上的位置空間，在其周圍安裝不同類型的傳感器，以將監(jiān)測信號傳輸至車輛主機(jī)上。車載子系統(tǒng)硬件裝置均采用集成化、小型化設(shè)計，除通信天線安裝至車輛車體頂部適當(dāng)位置外，其余均可以安裝在貨車車體底架下端。

圖9所示為推薦的一種車載子系統(tǒng)在車輛上的安裝方式。

圖9 車載子系統(tǒng)在車輛上的安裝方式

4 智能系統(tǒng)實施的關(guān)鍵技術(shù)

(1) 車輛零部件性能監(jiān)測技術(shù)。對影響車輛安全性、可靠性以及運行品質(zhì)的零部件進(jìn)行識別，并對影響程度進(jìn)行評級，逐級進(jìn)行零部件監(jiān)測指標(biāo)的分類、量化。選取不同類別的傳感器或音頻、視頻監(jiān)視儀，在保證行車安全和系統(tǒng)正常運行前提下設(shè)計其安裝方式，確保獲得的數(shù)據(jù)具有及時性、準(zhǔn)確性、適用性。

(2) 故障診斷預(yù)測技術(shù)。對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理需要在車輛整車和零部件的設(shè)計、制造、試驗、運用、故障、維修等海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮車輛零部件的特性，選擇合理、適用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，利用專業(yè)的計算機(jī)軟件建立零部件影響車輛性能特征參數(shù)的模型，設(shè)置對零部件性能優(yōu)劣判斷的依據(jù)(限度)值，進(jìn)行零部件故障預(yù)測，評估零部件壽命期內(nèi)剩余壽命，為零部件健康管理提供依據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。實時數(shù)據(jù)傳輸需要進(jìn)一步與地面子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)與既有鐵路信息系統(tǒng)的兼容性、車輛在惡劣環(huán)境下通信方式及其可靠性急需進(jìn)行技術(shù)上的進(jìn)一步攻關(guān)和管理部門的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。

5 貨運裝備智能化技術(shù)展望

安全可靠、高效便捷、綠色環(huán)保和經(jīng)濟(jì)適用是鐵路貨車發(fā)展趨勢，圍繞信息感知、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、存儲記錄、智能分析和決策控制展現(xiàn)了貨運裝備智能化技術(shù)發(fā)展趨勢。貨運裝備智能化應(yīng)結(jié)合我國鐵路運輸實際情況，大力實施“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”戰(zhàn)略，廣泛應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、下一代通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等新技術(shù)，圍繞貨物列車智能運輸、智能控制、智能監(jiān)測、智能運維、智能制造等技術(shù)發(fā)展開展研究，推進(jìn)貨運車輛智能技術(shù)在裝備全生命周期范圍內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)新，打造中國鐵路貨車4.0。

通過對鐵路移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理和科學(xué)決策，高效綜合利用鐵路所有空間、時間和人力等資源，實現(xiàn)我國鐵路運輸全過程、全壽命周期的高度信息化、自動化、智能化，發(fā)展更加安全可靠、更加經(jīng)濟(jì)高效、更加節(jié)能環(huán)保的智慧鐵路運輸系統(tǒng)，打造綠色、安全、高效的智慧貨運裝備，為滿足未來市場需求、支撐國家“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”戰(zhàn)略實施提供強有力的技術(shù)保障。