基于無線的計(jì)軸監(jiān)測系統(tǒng)

張偉

摘 要：針對鐵路信號計(jì)軸設(shè)備特點(diǎn)和軌道工況的特殊性，在現(xiàn)有的計(jì)軸維護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于無線的計(jì)軸監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)分為計(jì)軸監(jiān)測單元、無線網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器、監(jiān)測客戶端4部分，闡述了總體設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)說明了計(jì)軸監(jiān)測單元的軟件實(shí)現(xiàn)和云端服務(wù)器的架構(gòu)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)部署簡單，不影響現(xiàn)有鐵路信號裝備的布置，為實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維提供了方向。

關(guān)鍵詞：計(jì)軸;無線通信;LoRa;智能維護(hù)

1 引言

鐵路信號計(jì)軸設(shè)備是鐵路信號系統(tǒng)中列車空閑/占用檢測設(shè)備的重要組成部分。計(jì)軸設(shè)備通過車輪傳感器、車輪電子檢測器記錄和比較駛?cè)?、駛出軌道區(qū)段軸數(shù)，來確定軌道區(qū)段處于占用狀態(tài)，還是空閑狀態(tài)。

目前，國內(nèi)計(jì)軸監(jiān)測系統(tǒng)大多比較分散，無法對室外設(shè)備的信號波形進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看也比較繁瑣，對于設(shè)備的診斷與維護(hù)經(jīng)常處于滯后的狀態(tài)，缺乏對軌道數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)功能。因此本文以低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LP-WAN）LoRa技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于無線的計(jì)軸監(jiān)測系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn)對計(jì)軸室外室內(nèi)設(shè)備的全方面數(shù)據(jù)集中監(jiān)測。

2 無線通信技術(shù)

鐵路軌道的工況比較惡劣、電磁干擾嚴(yán)重，選擇合理的無線通信方式對機(jī)無線控制裝置穩(wěn)定性十分必要。當(dāng)前，無線通信技術(shù)主要采用泄露通信、WiFi、蜂窩移動(dòng)通信（3G、4G）、Zig-Bee 和紅外通信等，部分鐵路站點(diǎn)已經(jīng)探索應(yīng)用 5G 技術(shù)并取得了顯著成果。這些通信技術(shù)在不同的應(yīng)用場景發(fā)揮著重要作用，具有帶寬高、延時(shí)低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在覆蓋范圍小、功耗高、繞射損耗大等不足。

LoRa（Long Range Radio）是近幾年發(fā)展起來了無線通信技術(shù)[1]，是一種擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，主要運(yùn)行在免許可的ISM（Industrial Scientific Medical Band）開放頻段，包括 433、868、915 MHz等，具有功耗低、通信距離遠(yuǎn)、速率低、成本低等特點(diǎn)，符合本無線控制裝置的使用要求。

3 整體設(shè)計(jì)方案

無線傳輸?shù)挠?jì)軸監(jiān)測系統(tǒng)是無線傳輸技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合的系統(tǒng)，包含室外計(jì)軸監(jiān)測單元、室內(nèi)計(jì)軸監(jiān)測單元、無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備、云端服務(wù)器、監(jiān)測客戶端等模塊。

該系統(tǒng)的監(jiān)測單元模塊可以按照軌道現(xiàn)場呈分布式部署，每個(gè)監(jiān)測單元有唯一的地址，每個(gè)車站按照區(qū)段分布情況部署一個(gè)或多個(gè)無線網(wǎng)關(guān)， 負(fù)責(zé)將監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。每個(gè)監(jiān)測單元的監(jiān)測類型、車站、傳感器名、區(qū)段名、等信息可以在服務(wù)器端配置。

云端服務(wù)器實(shí)時(shí)收集計(jì)軸設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)[3]后將計(jì)軸設(shè)備或軌道的故障、異常、預(yù)警等信息存儲(chǔ)至服務(wù)器。

監(jiān)測客戶端按照車站為單位從云端獲取數(shù)據(jù)繪制站場圖后，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠通過云端服務(wù)器實(shí)時(shí)展示在客戶端，包括區(qū)段狀態(tài)、軸數(shù)、傳感器信號波形、報(bào)警、預(yù)警等數(shù)據(jù)，并有歷史數(shù)據(jù)查詢等功能方便進(jìn)行故障診斷與定位。

本設(shè)計(jì)方案示意圖如下，見圖1。

4 計(jì)軸監(jiān)測單元的設(shè)計(jì)

計(jì)軸監(jiān)測單元由電源模塊、微處理器、數(shù)據(jù)采集、LoRa射頻等模塊組成，監(jiān)測單元通過CAN總線，UART、ADC模擬采集等方式采集現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后模塊通過一定頻率將實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至無線網(wǎng)關(guān)，該監(jiān)測單元的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

5 云端服務(wù)器的設(shè)計(jì)

在本方案中，云端服務(wù)器的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵[2]，該服務(wù)器分為LoRaWanServer 層、HttpServer層、機(jī)器學(xué)習(xí)層，數(shù)據(jù)層四層，LoRaWanServer層通過LoRaWan協(xié)議將室外的監(jiān)測數(shù)據(jù)接收至云端，通過處理后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，HttpServer層則通過訪問數(shù)據(jù)庫為監(jiān)測客戶端提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)，機(jī)器學(xué)習(xí)層則通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)后輸出預(yù)警信息至數(shù)據(jù)庫。為了能夠支持跨平臺多端數(shù)據(jù)展示，此處采用Http協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，客戶端可以為瀏覽器、電腦、手機(jī)、小程序等，提高了用戶體驗(yàn)，服務(wù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖3所示。

結(jié)束語

本系統(tǒng)可以通過無線方式將室外傳感器信號數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器，并能對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)，能夠發(fā)掘未知的設(shè)備故障與風(fēng)險(xiǎn)，用預(yù)警的方式展現(xiàn)設(shè)備或區(qū)段狀態(tài)。本系統(tǒng)部署簡單，不影響現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)，并能通過服務(wù)器集中處理，并支持多端客戶端設(shè)備，數(shù)據(jù)展示簡單友好。為計(jì)軸設(shè)備安全運(yùn)行和智能運(yùn)維有推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙靜，蘇光添.LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動(dòng)通信，2016，（21）：50-57.

[2] 慈健，黃強(qiáng).計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，（32）：88-88.

[3]何清，李寧，羅文娟，等.大數(shù)據(jù)下的機(jī)器學(xué)習(xí)算法綜述[J].模式識別與人工智能，2014.