譚 平,盧從安,毛江峰,Tambominyi Eliasu,丁 進(jìn)
(浙江科技學(xué)院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,杭州 310023)
截至2020年,全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到14.63萬(wàn)km,其中,高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3.8萬(wàn)km,電氣化率達(dá)到72.8%[1],在此背景下,實(shí)現(xiàn)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)綜合檢測(cè)監(jiān)測(cè)顯得愈加重要。作為高速鐵路牽引供電系統(tǒng)重要組成部分之一的接觸網(wǎng)定位器,能夠保持接觸線(xiàn)處于正確位置,保證列車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中受電弓的平滑受流,起到減少接觸網(wǎng)硬點(diǎn)的作用[2-3]。通過(guò)監(jiān)測(cè)受電弓抬升量,可以判斷當(dāng)前弓-網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),從而有效指導(dǎo)弓-網(wǎng)系統(tǒng)的維修[4]。
目前定位器的監(jiān)測(cè)主要有接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)和基于圖像處理和深度學(xué)習(xí)等算法的定位器狀態(tài)監(jiān)測(cè)2種方法。其中,幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x等監(jiān)測(cè)是在列車(chē)非運(yùn)行期間對(duì)定位器參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量。該方法雖然能得到高精度和強(qiáng)穩(wěn)定性的測(cè)量數(shù)據(jù),但存在人工成本高、效率低,以及無(wú)法獲得列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)[5-6]。而基于圖像處理和深度學(xué)習(xí)等算法是通過(guò)在列車(chē)頂部安裝光學(xué)傳感器,采集定位器的狀態(tài),對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和分析。該方法雖然能有效提高效率,但只能獲得列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)間段的定位器狀態(tài)數(shù)據(jù),而在其他時(shí)間段的數(shù)據(jù)獲取有所缺失[7-9]。與此同時(shí),無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(wireless sensor network,WSN)的快速發(fā)展,使得通過(guò)搭建定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)定位器實(shí)時(shí)狀態(tài)具有可行性。李裕智[10]提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things,NB-IoT)來(lái)搭建的定位器狀態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)定位器狀態(tài)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控。定位器機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)所需的高采樣頻率、高數(shù)據(jù)傳輸速率等所產(chǎn)生的功耗,比監(jiān)測(cè)其他緩慢變化物理量的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的功耗高[11-12]。曾超等[13]、舒云龍等[14]雖然在硬件選型、存儲(chǔ)方式等方面對(duì)機(jī)械振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì),但在具體的工作環(huán)境、傳輸方式和使用需求等方面與定位器振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)存在一定的差異,并不適用于對(duì)定位器振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的設(shè)計(jì)。
在前人研究的基礎(chǔ)上,本研究提出了一種低功耗定位器振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案,在保證節(jié)點(diǎn)高精度、高穩(wěn)定性、高性能工作的前提下,進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)的功耗,延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。
本研究采用具有高繞射能力、高穿透能力和遠(yuǎn)距離通信等特點(diǎn)的433 MHz頻段RF(radio frequency,射頻)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)組合GPRS/4G來(lái)構(gòu)成定位器振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),其框架如圖1所示。
圖1 433 MHz低功耗定位器振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)框架
低功耗高鐵接觸網(wǎng)定位器振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心等組成。其中終端節(jié)點(diǎn)采集當(dāng)前定位器的實(shí)時(shí)狀態(tài),并按實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組包,通過(guò)433 MHz頻段傳輸至網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器選用GPRS/4G通信技術(shù)組成廣域網(wǎng),網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS/4G鏈路將終端節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心相連接,將組包好的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心;遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心接收到終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后,通過(guò)GPRS/4G對(duì)接觸網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程響應(yīng)及下行命令配置等操作。
定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)主要由微控制器(microcontroller unit,MCU)、數(shù)據(jù)采集、Si446x收發(fā)器、天線(xiàn)增益和電源管理等功能模塊組成,其硬件框架如圖2所示。
圖2 定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件框架
終端節(jié)點(diǎn)采用較節(jié)能的32位MCU,在非工作期內(nèi)設(shè)置為低電流模式,以降低節(jié)點(diǎn)功耗;同時(shí)MCU也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的濾波、解算,并將處理后的數(shù)據(jù)按給定的通信協(xié)議組包,通過(guò)Si446x收發(fā)器傳輸至網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)采集模塊利用集成陀螺儀加速度計(jì)MPU6050來(lái)檢測(cè)當(dāng)前定位器的狀態(tài),獲取加速度、角速度的數(shù)據(jù),利用串口通信(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter,USART)以200 Hz的回傳速率將測(cè)得的定位器狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至MCU,由MCU解算出抬升量、頻率等數(shù)據(jù)。
電池管理模塊采用鋰亞硫酰氯電池(Li/SOCl2)作為終端節(jié)點(diǎn)供電電源。為了較大程度延長(zhǎng)電池的使用壽命,建立阻值為100 Ω的負(fù)載電阻、頻率為0.1 Hz的脈沖放電仿真模型。仿真驗(yàn)證電池在電池電容器作用下的電氣特性,得到不同電路下的電池放電電流對(duì)比圖,如圖3(a)所示。由于電池電容器的介入,電池2和并聯(lián)的電池電容器共同放電,在同一負(fù)載電阻下的實(shí)際電流低于使用電池電容器的電池1;而在長(zhǎng)周期使用中(如圖3(b)所示),雖然電池2在對(duì)電池電容器進(jìn)行充電時(shí)的電流要遠(yuǎn)高于電池1,但在電池電容器完全介入放電后,電池2的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)在2 144 s后高于電池1。因此,在使用電池電容器后,其高功率和高能量密度等特性延長(zhǎng)了電池的使用壽命。
圖3 電池電容器對(duì)電池的影響
電池管理模塊電路如圖4所示。供電方式采用標(biāo)稱(chēng)電壓為3.6 V、放電電流為5 mA、電池容量為17 A·h的高容量Li/SOCl2電池。電源管理模塊具有不小于90 mA的峰值電流輸出。同時(shí)使用5節(jié)并聯(lián)的Li/SOCl2電池,將終端節(jié)點(diǎn)所需的電流分散到每節(jié)電池上,從而降低單節(jié)電池在負(fù)載節(jié)點(diǎn)的耗電量,在每條分支電路上串聯(lián)肖特基二極管,實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。采用低壓差穩(wěn)壓器NCP4682,可以使終端節(jié)點(diǎn)在工作模式中獲得最低的靜態(tài)電流。為了延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)在實(shí)際接觸網(wǎng)工作環(huán)境中的使用壽命,通過(guò)并聯(lián)標(biāo)稱(chēng)電壓為3.6 V、標(biāo)稱(chēng)容量為140 mA·h的電池電容器SPC1520,實(shí)現(xiàn)高功率和高能量密度的結(jié)合,并且可以確保電源提供大電流脈沖[15]。終端節(jié)點(diǎn)對(duì)電池的低壓監(jiān)測(cè)功能由MCU內(nèi)部ADC(analog to digital converter,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換通道(ADC0_CH1)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖4 電池管理模塊電路
利用定位器振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件,來(lái)處理數(shù)據(jù)采集模塊所傳輸?shù)亩ㄎ黄鳡顟B(tài)數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)按協(xié)議組包、發(fā)送,同時(shí)接收網(wǎng)關(guān)所發(fā)出的配置指令和模式切換指令等,主函數(shù)流程圖如圖5所示。響應(yīng)報(bào)文解析函數(shù)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)接收到的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行解析,可以對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)備ID、初始角度等初始參數(shù)設(shè)置。電池電壓監(jiān)測(cè)函數(shù)周期性對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)據(jù)采集處理函數(shù)通過(guò)USART來(lái)讀取數(shù)據(jù)采集部分所上傳的定位器狀態(tài)數(shù)據(jù),讀取加速度和角度,利用角度來(lái)計(jì)算振幅、頻率和抬升量。采用一階滯后濾波算法進(jìn)行濾波,計(jì)算加速度。將得到的新的傾角、加速度、頻率、抬升量和電池電壓按照協(xié)議進(jìn)行組包,通過(guò)發(fā)送函數(shù)將完成組包的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。
圖5 主函數(shù)流程圖
模式切換函數(shù)在終端節(jié)點(diǎn)解決低功耗問(wèn)題中起著至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)采集模塊一直處于工作狀態(tài),但在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)列車(chē)通過(guò)時(shí),采集數(shù)據(jù)的傳感器一直工作會(huì)造成大量的功耗損失,故模式切換函數(shù)盡可能地在非必要的工作期間,極大程度地延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)在低功耗模式的停留時(shí)間,利用定位器在列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生非有效機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的2個(gè)時(shí)間段,即列車(chē)的夜間非運(yùn)行時(shí)段和追蹤間隔時(shí)段,來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠模式切換指令配置,關(guān)閉數(shù)據(jù)采集模塊,并設(shè)置MCU進(jìn)入低電流模式。終端節(jié)點(diǎn)的模式切換模式函數(shù)主要分為根據(jù)高鐵垂直天窗設(shè)計(jì)的長(zhǎng)休眠和追蹤間隔的短休眠這2種情況。具體模式切換函數(shù)流程圖如圖6所示。
圖6 模式切換函數(shù)流程圖
模式切換函數(shù)的長(zhǎng)休眠和短休眠具體過(guò)程如下。
1)根據(jù)高鐵垂直天窗設(shè)計(jì)的長(zhǎng)休眠。國(guó)內(nèi)高鐵的垂直天窗一般在凌晨0點(diǎn)到6點(diǎn)之間,在此期間,線(xiàn)路處于停電檢修狀態(tài),高鐵在雙方向上均沒(méi)有任何列車(chē)通過(guò)。在垂直天窗期間,終端節(jié)點(diǎn)在收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心發(fā)出的模式切換標(biāo)志符后,使用傳感器休眠函數(shù)來(lái)使數(shù)據(jù)采集模塊斷電,并使用EMU_EnterEM1()函數(shù)來(lái)使MCU進(jìn)入低電流模式,同時(shí)周期性使用響應(yīng)報(bào)文解析函數(shù)來(lái)詢(xún)問(wèn)當(dāng)前高鐵是否在垂直天窗期間。若是,則通過(guò)傳感器解除休眠函數(shù)來(lái)喚醒數(shù)據(jù)采集模塊,使其開(kāi)始工作;否則,繼續(xù)通過(guò)EMU_EnterEM1()函數(shù)進(jìn)入低功耗模式,直到下次被喚醒。
2)根據(jù)列車(chē)受電弓經(jīng)過(guò)定位器時(shí)的振動(dòng)特性和線(xiàn)路的最短追蹤間隔來(lái)設(shè)計(jì)的短休眠。設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)在列車(chē)追蹤間隔內(nèi),并且定位器在處于靜止?fàn)顟B(tài)下的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行短休眠。根據(jù)線(xiàn)路的最短追蹤間隔休眠,即在終端節(jié)點(diǎn)判斷當(dāng)前列車(chē)駛過(guò)后,定位器連續(xù)多次抬升量和頻率同時(shí)低于所設(shè)定閾值時(shí),則通過(guò)傳感器休眠函數(shù)和EMU_EnterEM1()函數(shù)使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式。由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心配置指令,設(shè)定當(dāng)前線(xiàn)路的最短休眠間隔函數(shù)t的值。在經(jīng)過(guò)最短追蹤間隔的短休眠后,喚醒數(shù)據(jù)采集模塊,再次對(duì)當(dāng)前定位器狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),并等待進(jìn)入下次追蹤間隔。最短休眠間隔函數(shù)的設(shè)定值根據(jù)當(dāng)前線(xiàn)路的最短追蹤間隔和接觸網(wǎng)波動(dòng)特性計(jì)算得出。在接觸網(wǎng)波動(dòng)中,定位器會(huì)隨著接觸線(xiàn)的波動(dòng)而產(chǎn)生垂向振動(dòng),通過(guò)對(duì)定位器的加速度、抬升量和頻率的監(jiān)測(cè)可以描述當(dāng)前列車(chē)通過(guò)接觸網(wǎng)的波動(dòng)現(xiàn)象[16]。在受到列車(chē)通過(guò)帶來(lái)的振動(dòng)激勵(lì)后,接觸線(xiàn)的波動(dòng)帶動(dòng)定位器進(jìn)入自由振動(dòng)狀態(tài),由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)阻尼比的存在,定位器會(huì)繞著初始角度位置做自由衰減振動(dòng)。定位器自由衰減振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致定位器的抬升量不斷衰減。定位器相鄰抬升量之比為常數(shù),即減縮因數(shù)η,通常用對(duì)數(shù)縮減率Λ來(lái)計(jì)算η:
(1)
式(1)中:An、An+1為相鄰抬升量;ωn為角頻率;Td為周期;ζ為阻尼比。
n次震蕩后,定位器的抬升量比為
(2)
將式(2)代入式(1)后,得到:
(3)
通過(guò)式(3)可以計(jì)算出從初始抬升量A1到設(shè)定抬升量An+1的衰減周期n。
結(jié)合式(3)和當(dāng)前線(xiàn)路主頻計(jì)算出定位器衰減至設(shè)定抬升量的時(shí)間t1。通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心設(shè)置當(dāng)前線(xiàn)路列車(chē)最高運(yùn)行速度下最短間隔時(shí)間的0.7倍[17],作為節(jié)點(diǎn)的最短休眠時(shí)間t2,t2=0.7t0。最短休眠間隔函數(shù)的休眠時(shí)間t則由t=t2-t1得到。
采用模式切換函數(shù)能在非必要工作狀態(tài)下,最大限度地延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)處于低功耗模式的時(shí)間,能降低節(jié)點(diǎn)的功耗浪費(fèi),有效延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。采用模式切換函數(shù)后定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)序如圖7所示,節(jié)點(diǎn)的短休眠和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)交叉存在,每次短休眠間隔時(shí)間根據(jù)當(dāng)前線(xiàn)路的最短追蹤間隔休眠來(lái)設(shè)置,一般以分鐘(min)為單位,而節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)休眠是根據(jù)列車(chē)非運(yùn)行時(shí)間來(lái)決定的,一般為凌晨0點(diǎn)至6點(diǎn),以小時(shí)(h)為單位。
圖7 定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)序示意
搭建模擬接觸網(wǎng)定位器機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)以驗(yàn)證終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可行性。通過(guò)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的匯總,得出定位器坡度和抬升量的測(cè)試結(jié)果,如圖8(a)所示,這能較精確地反映定位器當(dāng)前的狀態(tài)。從測(cè)試結(jié)果可以看出,從波峰到波谷的幅值變化為3.8°,與試驗(yàn)臺(tái)模擬的擺動(dòng)角度誤差為0.21°。同時(shí)由圖8(a)可知,在試驗(yàn)臺(tái)的2次擺動(dòng)過(guò)程內(nèi),抬升量隨坡度的變化而變化,所測(cè)節(jié)點(diǎn)最大抬升量為3 mm,最小為-73 mm,與試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際輸出幅值相差1.15 mm。試驗(yàn)臺(tái)輸出加速度和通過(guò)濾波處理后節(jié)點(diǎn)輸出的加速度對(duì)比,如圖8(b)所示,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了終端節(jié)點(diǎn)能夠精準(zhǔn)表述定位器在振動(dòng)狀態(tài)下的坡度和抬升量的變化。
圖8 定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)匯總
以定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)際使用線(xiàn)路溫福鐵路的某段為例來(lái)得出衰減時(shí)間。該線(xiàn)路的設(shè)計(jì)速度為250 km/h,在運(yùn)行速度為200 km/h時(shí)線(xiàn)路主頻為1.32 Hz,阻尼比為0.003 6。該線(xiàn)路的最短列車(chē)追蹤間隔為5 min,列車(chē)的受電弓通過(guò)定位器造成最大抬升量為60 mm,設(shè)定進(jìn)入最短休眠期抬升量為5 mm,通過(guò)式(3)可得定位器衰減振動(dòng)的周期數(shù)為109.856,結(jié)合主頻1.32 Hz,可以得出抬升量的衰減時(shí)間為83.22 s,這與文獻(xiàn)[18-19]中得出的實(shí)際衰減時(shí)間基本上吻合。測(cè)量某日23點(diǎn)到次日6點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)在不同模式下每小時(shí)所需功耗,如圖9所示,在短休眠模式下,節(jié)點(diǎn)每小時(shí)需要的功耗比未采用短休眠模式時(shí)降低了18.07%。定位器機(jī)械振動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用到高鐵接觸網(wǎng)上后,遠(yuǎn)程設(shè)置節(jié)點(diǎn)的休眠周期為20 min,0點(diǎn)到6點(diǎn)無(wú)列車(chē)通過(guò)期間,由于SPC1520的作用,單節(jié)電池的電流持續(xù)下降,最高可以達(dá)到1.69 mA,單節(jié)電池每小時(shí)損失的電容量持續(xù)降低,最高可以減少電池77.12%的功耗損失。這驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)在利用無(wú)列車(chē)經(jīng)過(guò)定位器期間進(jìn)行節(jié)點(diǎn)休眠,能夠降低不必要的電池容量消耗,進(jìn)一步延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用壽命,降低了后期維護(hù)成本。
圖9 終端節(jié)點(diǎn)在不同模式下每小時(shí)所需功耗
綜合考慮硬件選型、電池管理電路設(shè)計(jì)、休眠優(yōu)化方案等因素,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn),用于高鐵接觸網(wǎng)定位器機(jī)械振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本研究提出的方案,可實(shí)現(xiàn)對(duì)定位器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與傳輸,并且整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)低功耗模式下的功耗低至5.58 mW。使用休眠優(yōu)化方案的研究設(shè)計(jì),能夠使終端節(jié)點(diǎn)電池日消耗量降低31.12%,電池使用壽命提升45.18%,節(jié)點(diǎn)理論生命周期達(dá)到192.5 d。本研究在定位器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面,仍有待進(jìn)一步的功耗優(yōu)化。