基于北斗衛(wèi)星導航的大機關(guān)鍵零部件數(shù)據(jù)采集及通信系統(tǒng)的研制

張世紅 高春雷 何國華 周佳亮 徐濟松

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

0 引言

根據(jù)國家鐵路局發(fā)布的《2020 年鐵道統(tǒng)計公報》中指出，截至2020 年12 月底，全國鐵路營業(yè)里程達到14.63 萬公里，其中高鐵3.8 萬公里，穩(wěn)居世界第一。目前，我國250km/h 及以下時速主要使用有砟軌道結(jié)構(gòu)，具有鋪設(shè)簡便、造價低廉、易于維修等優(yōu)點，對有砟鐵路線路的養(yǎng)護維修，主要通過大型養(yǎng)路機械進行作業(yè)，有效減輕了傳統(tǒng)養(yǎng)護工作的負擔，基本能滿足日常的線路維護需求，使軌道線路滿足線路設(shè)計標準和線路維修規(guī)則的要求，保障線路的運營安全。

隨著我國鐵路運輸規(guī)模的提高、列車運行速度的提高、運營密度的增大，使得線路養(yǎng)護維修作業(yè)量不斷增加， 而允許的養(yǎng)護施工作業(yè)時間卻越來越緊湊。因此，一方面，需要投入更多數(shù)量的大型養(yǎng)路機械按時完成規(guī)定的作業(yè)量；另一方面，對大機作業(yè)效率和可靠性的要求越來越高。 隨著大型養(yǎng)路機械的大規(guī)模使用，作業(yè)區(qū)間范圍不斷擴大，鐵路工務(wù)段對鐵路大型養(yǎng)路機械的監(jiān)控管理的難度日益增大，尤其是在高原、山區(qū)、戈壁灘等人煙稀少的地區(qū)，很難通過2G/3G/4G 等基于地面基站的公共網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，同時，大型養(yǎng)路機械各系統(tǒng)時間不一致和定位精度不高也影響著行車組織、系統(tǒng)安全和故障等數(shù)據(jù)的分析。 2020 年6 月23 日北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已正式完成全球組網(wǎng)，并提供定位、授時及短報文通信等基礎(chǔ)服務(wù)。 研究北斗衛(wèi)星定位、授時和短報文通信技術(shù)應(yīng)用于鐵路大型養(yǎng)路機械，對實現(xiàn)遠程管理，輔助大型養(yǎng)路機械精細化、智能化管理具有十分重要的意義。

1 總體設(shè)計方案

總體技術(shù)設(shè)計方案主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分，如圖1 所示。 感知層主要包括數(shù)據(jù)感知傳感器、位置定位設(shè)備、MCU 單元、北斗發(fā)送模塊、公網(wǎng)發(fā)送模塊等； 網(wǎng)絡(luò)層主要是指北斗RDSS 短報文通信網(wǎng)絡(luò)和4G 無線網(wǎng)絡(luò)； 應(yīng)用層主要是指大型養(yǎng)路機械作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺。

圖1 總體設(shè)計方案

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 感知層—時空信息采集

2.1.1 時空信息分析

目前廣泛使用的大型養(yǎng)路機械設(shè)備類別主要包括清篩機、配砟整形車、搗固車、穩(wěn)定車、打磨車等設(shè)備，且每臺作業(yè)機械擁有唯一的設(shè)備編號。 為了提高線路養(yǎng)護維修作業(yè)效率，在天窗點作業(yè)期間，多種類型大機械設(shè)備會同時在鐵路線路開展施工作業(yè)，對于管理部門而言，需要動態(tài)掌握大機作業(yè)設(shè)備的實時數(shù)量、作業(yè)位置、作業(yè)正常/故障狀態(tài)、核心零部件運行參數(shù)等重要設(shè)備信息。

以QS-650 全斷面道砟清篩機為例， 目前全路共有120 多臺，已經(jīng)成為道砟清篩主力機型。 工作原理是通過柴油機驅(qū)動、全液壓傳動的方式，利用挖掘鏈的扒齒切割道床上的道砟，并進行道砟振動篩分。 為了對清篩機的作業(yè)狀態(tài)進行分析， 依據(jù)GB 25330—2019《道砟清篩機》國標要求，選擇其關(guān)鍵零部件性能參數(shù)進行實時監(jiān)測。 具體監(jiān)測參數(shù)如表1 所示。

表1 QS-650 全斷面道砟清篩機監(jiān)測參數(shù)

2.1.2 時空信息采集

BDS 具有兩種工作模式，衛(wèi)星無線電導航業(yè)務(wù)（Radio Navigation Satellite System，RNSS）模式雖只能進行定位，但可實現(xiàn)每秒定位，衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（Radio Determination Satellite Service，RDSS） 模式可同時進行定位和雙向短報文通信，詳見圖2。

圖2 時空信息采集方案

慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS），是一種以陀螺儀和加速度計為敏感設(shè)備求解導航參數(shù)的系統(tǒng)，解算得到運載體的位置、速度等信息，優(yōu)點是不依賴外部信息，不向外界傳遞信息，工作時不會被信號或無線電干擾，短時間內(nèi)精度較高，解算時間快，缺點是誤差隨時間而累積。

組合導航關(guān)鍵技術(shù)是將不同系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù)以最優(yōu)的濾波算法進行有機融合，衛(wèi)星導航的高精度可以彌補慣性導航誤差迅速發(fā)散的問題，慣性導航的自主性也可以填補衛(wèi)星導航易受干擾、穩(wěn)定性差等的不足。 尤其在衛(wèi)星信號被遮擋導致接收機無法定位的情況下，如隧道、峽谷等特殊區(qū)域，慣性導航能夠繼續(xù)輸出定位結(jié)果，直至信號恢復。 在無法接收衛(wèi)星信號和低信噪比等環(huán)境下，組合導航可以提供比單獨任何一種系統(tǒng)更精確的導航結(jié)果， 再融合數(shù)據(jù)差分技術(shù)，獲得更高精度的定位。

2.2 感知層—時空信息處理

運用嵌入式技術(shù)和現(xiàn)代濾波技術(shù)，對時空信息進行采集和處理， 因北斗短報文通訊傳輸頻率為1 次/min，單次只能傳輸78 個字節(jié)， 因此為了傳輸所有采集時空信息，需采用分包處理。根據(jù)谷軍霞進行的北斗短報文丟包試驗結(jié)果顯示，當分包數(shù)量為2 個時，實際測試數(shù)據(jù)傳輸成功率為88.8%，且分包數(shù)量越多，傳輸成功率越低。 為了提高數(shù)據(jù)傳輸成功率，減少分包數(shù)量，采用數(shù)據(jù)壓縮的方法。 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的原理本質(zhì)上是利用數(shù)據(jù)的冗余性。將數(shù)據(jù)的冗余壓縮到最小的同時，盡可能地減少數(shù)據(jù)的失真程度，從而達到節(jié)約存儲空間、提高傳輸效率的目的。 按照壓縮后的數(shù)據(jù)是否存在信息損失， 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)是否存在信息損失， 分為有損壓縮和無損壓縮兩種。

大型養(yǎng)路機械時空信息包含時間特性， 屬于工業(yè)過程數(shù)據(jù)的范疇， 需要結(jié)合自身數(shù)據(jù)特點選擇壓縮算法。 目前常用無損壓縮算法分為基于統(tǒng)計的壓縮算法（Huffman 編碼、動態(tài)哈夫曼編碼）和基于字典的壓縮算法（LZ77 算法、LZ78 算法、LZSS 算法、LZW 算法）。

2.2.1 Bool 類型狀態(tài)量無損壓縮

Bool 類型狀態(tài)量的無損壓縮是通過將多個狀態(tài)量移位到一個字節(jié)中，可以達到1:8 的高壓縮比。 如圖3 所示。

圖3 Bool 類型狀態(tài)量無損壓縮過程

2.2.2 Int 類型數(shù)據(jù)無損壓縮

Int 類型數(shù)據(jù)無損壓縮過程如圖4 所示。

圖4 Int 類型數(shù)據(jù)無損壓縮過程

無損壓縮和解壓縮過程互逆，實現(xiàn)Bool 類型狀態(tài)量數(shù)據(jù)和Int 類型數(shù)據(jù)的無損傳輸，傳輸數(shù)據(jù)不失真。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層—數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

采用北斗RDSS 短報文通信+4G 無線公網(wǎng)雙通道進行數(shù)據(jù)傳輸，RSDD 數(shù)傳終端內(nèi)部集成短報文通信模塊、4G 透傳模塊和BDS/GPS 雙模定位模塊。 在4G網(wǎng)絡(luò)信號較弱時，可以通過短報文進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案

北斗RDSS 短報文通信中， 每個數(shù)傳終端中都內(nèi)置一張北斗通信卡，擁有唯一的ID 編號。 數(shù)傳終端性能指標如表2 所示。

表2 RDSS 數(shù)傳終端性能指標

2.4 應(yīng)用層—作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺

大型養(yǎng)路機械作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺結(jié)構(gòu)

通過作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺， 可以實時查看大機作業(yè)位置、核心零部件關(guān)鍵性能參數(shù)、作業(yè)計劃等重要數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)基于QS-650 全斷面道砟清篩機， 完成了對影響清篩效果的核心機構(gòu)零部件的性能分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)顯示等內(nèi)容的研究，利用北斗/GPS 雙模定位技術(shù)融合慣性導航技術(shù)，在數(shù)據(jù)差分模式下，實現(xiàn)大機作業(yè)位置的準確定位。 采用北斗RDSS 短報文通信和4G 無線網(wǎng)絡(luò)雙通道方式完成公網(wǎng)信號未覆蓋區(qū)域或信號較弱區(qū)域的大機作業(yè)定位和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸。 通過大型養(yǎng)路機械作業(yè)數(shù)據(jù)管理中心平臺實現(xiàn)大機的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，為將來進一步運用大數(shù)據(jù)、云計算、5G 等先進技術(shù)平臺，實現(xiàn)智能大機編組、車輛調(diào)度、防碰撞預警、故障處理、核心零部件壽命預測等提供強有力的數(shù)據(jù)保障。