多重通訊重型貨車微功耗在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

文 / 丁源 王蒙 張俊林 李玉丹 王旭陽

引言

在貨運列車運行過程中，通常采用地面監(jiān)測的方式對運行狀態(tài)進行檢測，而這種傳統(tǒng)的監(jiān)測方式需要在軌道兩側(cè)建立大型的網(wǎng)聯(lián)設備，不僅成本較高，而且難以維修，更難以實現(xiàn)貨車運行狀態(tài)的實時監(jiān)管。

重載貨車運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)功能以及組成原理

監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

本文所研究的重型貨車運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、CPS（信息物理系統(tǒng))、MEMS(微機電系統(tǒng))、微功耗等先進技術的結(jié)合，能夠?qū)ω涇嚨倪\行狀態(tài)進行有效地識別與監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)問題。

鐵路貨車車載智能監(jiān)測系統(tǒng)特點：

1.集成性高

系統(tǒng)采用智能電源管理策略，統(tǒng)一監(jiān)控、管理各節(jié)點的功耗，使系統(tǒng)達到低功耗的目的，延長系統(tǒng)使用壽命。此外，系統(tǒng)采用低功耗設計思路的同時采用智能電源管理、智能睡眠等低功耗策略及硬件電路設計，保證集中電池組供電監(jiān)測系統(tǒng)能在相當長時間內(nèi)仍能完成正常工作。

2.功耗低

系統(tǒng)采用體積小、靈敏度高、低功耗的MEMS傳感器，便于設備無損安裝至車輛，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠。

3.通信干擾性小

系統(tǒng)采用智能通訊技術能夠監(jiān)聽周圍環(huán)境的通訊條件，并做出相應的通訊策略，盡可能保證數(shù)據(jù)傳輸通道暢通。智能監(jiān)測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)處理策略前置于終端設備，終端設備采集特征信息后，可就地進行運算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸負載的輕量化，降低數(shù)據(jù)傳輸負載壓力、低時延。方案中傳感器采集各監(jiān)測點狀態(tài)后通過CAN總線傳輸至網(wǎng)關，網(wǎng)關經(jīng)專用4G網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺。CAN總線通訊抗干擾能力強，通信速率高，安全可靠，大規(guī)模部署時可控性更好，通信效率更高，避免無線通信時信號碰撞、擁堵問題。

4.供電穩(wěn)定

傳感器電源采用集中電池組供電，后期維護更方便，同時傳感器體積可減少70%以上，占用空間更小，安裝、維護方便快捷。

監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計

監(jiān)測系統(tǒng)主要由智慧車輛節(jié)點傳感器，ISS車載信息站(車載網(wǎng)關)以及智慧車輛智能監(jiān)測平臺組成。

節(jié)點傳感器：包括頂蓋監(jiān)測傳感器、底門監(jiān)測傳感器、列車管及制動缸壓力傳感器、鞲鞴行程傳感器、車體及轉(zhuǎn)向架振動傳感器等15個節(jié)點傳感器，各傳感器經(jīng)前端計算后通過車載CAN總線局域網(wǎng)傳輸至車載網(wǎng)關。

ISS車載信息站（網(wǎng)關）：收集感知層傳感器數(shù)據(jù)、通過參數(shù)計算分析、數(shù)據(jù)耦合后將結(jié)果傳輸至云端。

智慧車輛智能監(jiān)測平臺：負責車輛信息管理、車載設備管理、報警管理、用戶管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

監(jiān)測系統(tǒng)的組成原理

監(jiān)測系統(tǒng)圍繞關鍵零部件狀態(tài)監(jiān)測、故障預測等需求確定技術路線，采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、CPS、MEMS、微功耗等先進技術。

通過MEMS傳感器提取物理特征，進行前端邊緣運算、分析、就地存儲、將分析結(jié)果經(jīng)CAN總線發(fā)送至車載信息站（車載網(wǎng)關）進行霧層運算，進行各節(jié)點的數(shù)據(jù)記錄、分析、決策、報警等任務。

ISS霧層運算的分析結(jié)果通過4G專網(wǎng)或RDSS北斗短報文上傳至云端服務器，同時通過北斗定位實時獲取車輛位置。智能監(jiān)測平臺收集并對各個車輛頂蓋開閉、底門開閉、制動缸鞲鞴行程、制動缸壓力、列車管壓力、車體及轉(zhuǎn)向架等關鍵部件情況進行有效監(jiān)控，可以提前發(fā)現(xiàn)故障并及時處理，保障裝卸車完畢后和車輛運行期間關鍵部件工作狀態(tài)正常，減少運輸事故和經(jīng)濟損失。

車輛智能監(jiān)測平臺遠程監(jiān)測車輛狀態(tài)信息，具有報警管理、設備管理、用戶管理、統(tǒng)計分析等功能，實現(xiàn)智慧車輛遠程感知監(jiān)測，保障智慧車輛高效、快速地運行。

重載貨車運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)應用

基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要流程如下：貨車在運行過程中，傳感器內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊采集貨車上各監(jiān)測點原始信號，所采集的信號通過信號調(diào)理電路，經(jīng)過必要放大、濾波等處理后通過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并通過IIC串行總線與MCU進行通訊。MCU是傳感器進行前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心，最終將處理好后的數(shù)據(jù)通過CAN總線控制器轉(zhuǎn)換為符合CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)形式，在CAN接口處發(fā)送至總線從而與總線上各節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互。

基于數(shù)據(jù)節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器微功耗設計

對于數(shù)據(jù)節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)微功耗設計，關鍵的步驟為車載網(wǎng)關、微功耗傳感器的設計選型及能源管理策略研究開發(fā)。

1.車載網(wǎng)關

車載網(wǎng)關從不同的傳感器設備獲取數(shù)據(jù)并接入網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換、將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝后通過4G轉(zhuǎn)發(fā)至平臺，在4G信號不佳無法完成發(fā)送時可自動切換為北斗短報文通訊（衛(wèi)星通訊）。

車載網(wǎng)關是傳感器網(wǎng)絡和上層平臺進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與通訊的通道，主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊、協(xié)議變換和管控、設備定位（北斗定位）的功能。從不同的傳感器設備獲取數(shù)據(jù)并接入網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換、將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝后通過4G或北斗短報文轉(zhuǎn)發(fā)至平臺。本設計采用的車載網(wǎng)關必須能通過專用網(wǎng)絡收發(fā)數(shù)據(jù)，能夠正確的接收到傳感器網(wǎng)絡向上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并正確傳達監(jiān)控系統(tǒng)向下發(fā)送的命令。

2.微功耗傳感器

本設計采用MEMS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)、易于集成等特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。本設計所選用的MEM傳感器主要有頂蓋傳感器、車體及轉(zhuǎn)向架振動傳感器、鞲鞴及底門行程監(jiān)測傳感器、列車管及制動缸壓力監(jiān)測傳感器等。傳感器在硬件PCB電路優(yōu)化及前端算法支持下，能源消耗進一步降低。其中微功耗壓力傳感器可以甚至實現(xiàn)電池供電條件下的實時在線監(jiān)測，為后續(xù)車輛運維管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

3.能源管理策略

本系統(tǒng)基于列車運行業(yè)務流程及列車自身運行機理，在滿足監(jiān)測需求的前提下設計能源供給策略，并與前端算法有機結(jié)合。通過設計不同的喚醒機制及數(shù)據(jù)運算策略降低系統(tǒng)功耗，從而使系統(tǒng)在有限電池能源供給下運行更長時間。在能源管理策略及前端算法的支持下，傳感器可自主篩選數(shù)據(jù)，減少非必要數(shù)據(jù)的發(fā)送，網(wǎng)關可根據(jù)CAN總線活動狀態(tài)自主休眠、喚醒，保證數(shù)據(jù)通道暢通的同時降低功耗。

重載貨車運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設計目標

底門、頂蓋監(jiān)測目標

該部分的監(jiān)測分為底門開閉及鞲鞴行程監(jiān)測以及頂蓋開閉狀態(tài)監(jiān)測。

1.底門監(jiān)測目標

通過底門轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測傳感器監(jiān)測煤炭漏斗車底門開啟、關閉狀態(tài)：行程傳感器獲取傳動軸轉(zhuǎn)動行程，通過參數(shù)對比判斷傳動軸是否已通過雙連桿機械機構(gòu)死點位置反映底門開啟與閉合的狀態(tài)。

鞲鞴行程傳感器監(jiān)測制動缸鞲鞴行程，反映制動系統(tǒng)的運行狀態(tài)：通過安裝在制動缸上的行程傳感器，監(jiān)測制動缸制動、緩解是否正常，該部分與制動系統(tǒng)監(jiān)測目標相互配合，通過鞲鞴行程來間接反映列車制動性能是否正常。

2.頂蓋監(jiān)測目標

該部分主要監(jiān)測頂蓋的開閉狀態(tài)。監(jiān)測頂蓋在裝、卸煤時的開啟與閉合狀態(tài)進行監(jiān)測，異常打開進行監(jiān)測：通過在密合點安裝部署的TMR(隧道磁阻)傳感器對兩側(cè)頂蓋是否運行至閉合點收入槽的感知方式判斷頂蓋密貼狀態(tài)。

制動系統(tǒng)監(jiān)測目標

目前，重載貨物列車制動過程中機車的鞲鞴行程過長的現(xiàn)象普遍存在，因此，制動系統(tǒng)的監(jiān)測目標主要為鞲鞴行程，其與列車管壓力、制動缸壓力有直接聯(lián)系。

鞲鞴行程的變化主要受到制動缸壓力的影響，如下式所示：

其中，P為列車制動后制動缸的壓力；3.25是副風缸溶劑與制動缸容積的比值，在這里取3.25(以GK型制動缸為例，其鞲鞴行程為160mm，其他型制動缸為200mm)。r表示列車管的減壓量。

因此，通過智能監(jiān)測平臺收集的制動缸鞲鞴行程、制動缸壓力數(shù)據(jù)信息就能夠判斷目前列車制動的狀態(tài)，具體而言，在車輛行駛過程中，監(jiān)測空氣制動系統(tǒng)單車列車管及制動缸壓力值。采用安裝在列車管及制動缸處的氣體壓力傳感器采集相應內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，通過車載網(wǎng)關傳至智慧車輛綜合監(jiān)測平臺，在車輛運行過程中，可以通過平臺監(jiān)測掌握車輛空氣制動系統(tǒng)狀態(tài)。

車體及轉(zhuǎn)向架振動監(jiān)測目標

列車在行駛過程中會產(chǎn)生三個方向的振動，分別是平行于列車行駛方向的振動，垂直于列車行駛方向的縱向振動，以及垂直于列車的垂向振動。通常，影響車輛運行平穩(wěn)性較大的振動為橫向振動，因此利用加速度傳感器，能夠有效地對列車進行振動監(jiān)測，對輪軌振動進行分析，為列車運行狀態(tài)分析提供有效數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)語

本系統(tǒng)充分考慮了傳統(tǒng)貨運列車地面監(jiān)測存在監(jiān)測位置分散、數(shù)據(jù)不連續(xù)等問題，設計了體積小、靈敏度高、低功耗的車載智能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用智能電源管理策略，統(tǒng)一監(jiān)控、管理各節(jié)點的功耗，并根據(jù)工況與策略對節(jié)點進行能源分配，使系統(tǒng)達到低功耗的目的，延長系統(tǒng)使用壽命，更好的保證鐵路貨運的安全運行。