機(jī)器人與LoRa 的普鐵接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

于惠鈞，肖宇韜，江志輝

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué) 軌道交通工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

鐵路建設(shè)事業(yè)深受國(guó)家社會(huì)的支持、重視，《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》中指出國(guó)家要大力推進(jìn)5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)與鐵路各領(lǐng)域的深度融合，提升鐵路智能化水平[1]。目前我國(guó)擁有世界上規(guī)模最大的電氣化普速鐵路網(wǎng)，由于其采用帶回流線直接供電方式[2]，因此檢修作業(yè)時(shí)接觸網(wǎng)與回流線都需要掛接地線，使得檢修工作愈發(fā)繁重[3]，在作業(yè)中進(jìn)行接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)作業(yè)員人身安全的重要保障。

目前智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在電網(wǎng)中，對(duì)變電站的變電設(shè)備進(jìn)行帶電檢修，這種機(jī)器人集數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和預(yù)警決策于一體，取代傳統(tǒng)人工檢修方式，有效提升電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量[4]。鐵路接觸網(wǎng)同為高壓電環(huán)境，且很多時(shí)候檢修作業(yè)會(huì)面臨對(duì)向仍有列車通行的情況即接觸網(wǎng)V 型(V 停)天窗作業(yè)[5]，利用智能機(jī)器人代替人工去完成該操作可以降低安全風(fēng)險(xiǎn)[6]。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)及通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)接地狀態(tài)信息有很大的幫助，利用ZigBee 技術(shù)的接觸網(wǎng)接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，擬解決通信盲區(qū)問(wèn)題即無(wú)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋時(shí)的通信[7]，但該技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無(wú)線通信技術(shù)，在V 型天窗作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電壓[8]，存在一定的電磁干擾，ZigBee 設(shè)備在干擾下的效果會(huì)有所減弱。

針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)一種機(jī)器人與遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio,LoRa）的普鐵接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，利用人工智能機(jī)器人作為數(shù)據(jù)采集裝置在鐵路上代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工完成驗(yàn)電與接地操作，不僅可以降低發(fā)生人身安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，亦可實(shí)時(shí)采集驗(yàn)電與接地狀態(tài)信息；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中應(yīng)用廣泛的LoRa 通信技術(shù)來(lái)解決鐵路這類非完美環(huán)境對(duì)于通信的干擾問(wèn)題[9]，并及時(shí)將信息傳遞至云端服務(wù)器，最后通過(guò)PC 端顯示機(jī)器人采集的狀態(tài)信息，完成檢修作業(yè)時(shí)對(duì)普鐵接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由充當(dāng)數(shù)據(jù)采集裝置的接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地機(jī)器人、LoRa 自組網(wǎng)、云端服務(wù)器平臺(tái)組成。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)即鐵路上用來(lái)代替人工作業(yè)的接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地機(jī)器人作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置，該智能機(jī)器人具有驗(yàn)電、掛接地線、掛接回流線以及采集這幾項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能，通過(guò)內(nèi)置的LoRa 節(jié)點(diǎn)模塊將信息傳遞至作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)外裝載在作業(yè)車上的LoRa 網(wǎng)關(guān)；采用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，利用LoRa 網(wǎng)關(guān)將信息通過(guò)4G/5G 網(wǎng)絡(luò)傳遞至云服務(wù)器，云服務(wù)器可以將信息整理、分析，經(jīng)過(guò)處理后的信息可在調(diào)度中心的PC 端用直觀方式呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)接地狀態(tài)信息的可視化。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 普鐵接觸網(wǎng)接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要分為機(jī)器人的驗(yàn)電接地狀態(tài)采集模塊硬件以及LoRa 自組網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)。接地狀態(tài)采集機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)采集并發(fā)送驗(yàn)電與掛接地線的狀態(tài)數(shù)據(jù)，LoRa 自組網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收與上傳至云端服務(wù)器。

2.1 狀態(tài)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地狀態(tài)采集機(jī)器人的主體為電動(dòng)伸縮桿，頭部的帶抓手電動(dòng)桿將完成對(duì)接觸網(wǎng)的先驗(yàn)電再接地的操作，側(cè)邊的帶回流線接地夾直桿將完成回流線的接地操作，其整體外觀模型設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地機(jī)器人整體外觀模型

該機(jī)器人最核心的部件就是驗(yàn)電接地狀態(tài)采集模塊，主要由MCU 微處理器單元、驗(yàn)電器單元、接地?cái)嗦菲鲉卧?、回流線接地控制器單元、LoRa 通信節(jié)點(diǎn)單元、電源單元組成，驗(yàn)電接地狀態(tài)采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 驗(yàn)電接地狀態(tài)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 LoRa 自組網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)

LoRa 技術(shù)是一種擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，也稱為Chirp 調(diào)制[10]。擴(kuò)頻技術(shù)是一種用帶寬換取靈敏度的技術(shù)，Wi-Fi、ZigBee 等都使用了擴(kuò)頻技術(shù)。根據(jù)香農(nóng)定理：

其中，Cx為信道容量，單位為b/s；Bx為信道帶寬，單位為Hz；Sx為信號(hào)功率，單位為W；n0為噪聲功率譜密度，單位為W/Hz；Nx為噪聲功率，單位為W。

相比于Wi-Fi、ZigBee 等，LoRa 調(diào)制的特點(diǎn)就是接近香農(nóng)定理的極限，最大效率地提高靈敏度。LoRa 是一種成本花費(fèi)較低的無(wú)線通信技術(shù)，特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)、功耗損耗低、連接節(jié)點(diǎn)多、抗干擾性強(qiáng)，同時(shí)LoRa 傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是低速率、小數(shù)據(jù)。因此，利用LoRa 節(jié)點(diǎn)來(lái)傳輸接觸網(wǎng)接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的相關(guān)數(shù)據(jù)信息在理論上是適應(yīng)鐵路作業(yè)環(huán)境的。本系統(tǒng)采用的LoRa 模塊是Ebyte 生產(chǎn)的E22-400 型，將該模塊放置于機(jī)器人內(nèi)部，用來(lái)與傳感器連接，可以將傳感器采集的各種狀態(tài)信息發(fā)送出去，并由MCU 控制。其電路圖如圖4 所示。

圖4 LoRa 模塊電路圖

為了與LoRa 模塊完美適配，同樣采用Ebyte 生產(chǎn)的GATEWAY E90-DTU 型LoRa 網(wǎng)關(guān)，只需通過(guò)配置軟件的進(jìn)行射頻設(shè)置就可以將多個(gè)LoRa 模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)連接起來(lái)，構(gòu)成一套LoRa 自組網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)LoRa 模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)配置完成并且成功連接后，LoRa 模塊就可以將從傳感器接收到的信息數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa 網(wǎng)關(guān)；利用網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的4G 或5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊將信息數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。

云服務(wù)器可以幫助使用者更加便捷地處理與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，只需要有網(wǎng)絡(luò)就可以隨時(shí)隨地連接云端服務(wù)器[11]。尤其是在鐵路進(jìn)行大小檢修作業(yè)時(shí)，鐵路調(diào)度中心的工作人員只需用一臺(tái)PC 端就可以連接云端服務(wù)器，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地狀態(tài)采集機(jī)器人傳輸?shù)男畔⒖梢詫?shí)時(shí)查看，一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常可以馬上聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人并且可以及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急方案的啟動(dòng)。

LoRa 通信的一種應(yīng)用模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于其他各種工業(yè)場(chǎng)景中，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)提升，應(yīng)用范圍在未來(lái)會(huì)不斷擴(kuò)展。該模型如圖5 所示。

圖5 LoRa 通信應(yīng)用模型圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要分為機(jī)器人的驗(yàn)電接地狀態(tài)采集模塊控制程序以及LoRa 自組網(wǎng)部分的軟件設(shè)計(jì)。驗(yàn)電接地狀態(tài)采集機(jī)器人的控制程序主要控制機(jī)器人進(jìn)行驗(yàn)電、掛接地線與回流線等操作，并向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)指令；LoRa 自組網(wǎng)連接云端服務(wù)器需要編寫建立一個(gè)TCP 服務(wù)端[12]，同時(shí)還需要編寫監(jiān)測(cè)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的基本可視化。

3.1 狀態(tài)采集機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

狀態(tài)采集機(jī)器人的控制程序?qū)⒋鎯?chǔ)到MCU 微處理器中，由C 語(yǔ)言編寫。機(jī)器人先驗(yàn)電自檢，該步驟主要是為了驗(yàn)證該機(jī)器人的驗(yàn)電器工作性能是否良好，是否能夠檢測(cè)到自身產(chǎn)生的高壓信號(hào)；驗(yàn)電自檢正常后主伸縮桿開(kāi)始向上伸展，自檢如果不正常將直接報(bào)警，提示作業(yè)人員進(jìn)行干預(yù)；檢測(cè)有到位信號(hào)就會(huì)停止伸展，否則將繼續(xù)伸展直到檢測(cè)有到位信號(hào)。隨后頭部的帶抓手電動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)90°后垂直向上觸碰接觸網(wǎng)進(jìn)行驗(yàn)電操作，檢測(cè)到無(wú)高壓信號(hào)，確認(rèn)該段接觸網(wǎng)已經(jīng)停電，否則主伸縮桿將向下縮回并報(bào)警提示作業(yè)人員，起到安全防護(hù)作用；確定停電后，閉合斷路器同時(shí)接地線導(dǎo)通，隨即開(kāi)啟驗(yàn)電與接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)。驗(yàn)電與接地操作完成后，側(cè)邊帶回流線接地夾的直桿旋轉(zhuǎn)90°后觸碰回流線，開(kāi)始進(jìn)行回流線接地操作，同樣檢測(cè)有無(wú)到位信號(hào)，到位后將開(kāi)啟回流線接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)。待收到作業(yè)完成指令后，將關(guān)閉所有監(jiān)測(cè)，然后先縮回側(cè)桿再收回帶抓手電動(dòng)桿，斷開(kāi)斷路器和接地線，最后縮回主伸縮桿，完成所有操作。其程序流程如圖6 所示。

圖6 狀態(tài)采集機(jī)器人控制程序流程圖

3.2 TCP 服務(wù)端及監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

C#語(yǔ)言綜合了Visual Basic 和C++簡(jiǎn)單的可視化操作以及高運(yùn)行效率[13]，同時(shí)考慮到網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器之間采用TCP/IP 傳輸協(xié)議連接，而且需要一個(gè)界面式的服務(wù)端方便查看數(shù)據(jù)接收情況，因此利用C#語(yǔ)言編寫一個(gè)TCP 服務(wù)端程序[14]；考慮到Python 語(yǔ)言易于擴(kuò)展[15]，因此利用Python 語(yǔ)言編寫設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序。在云服務(wù)器上開(kāi)啟編寫好的TCP 服務(wù)端程序以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序，其程序流程如圖7 所示。

圖7 TCP 服務(wù)端及監(jiān)測(cè)程序流程圖

4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模擬測(cè)試

4.1 狀態(tài)采集模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)通信測(cè)試

首先進(jìn)行狀態(tài)采集模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)通信測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用中，不論是在城市中還是在鐵路作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，很多因素都能產(chǎn)生一定的干擾；利用高壓發(fā)生器可以模擬產(chǎn)生高壓信號(hào)，狀態(tài)采集模塊的驗(yàn)電器單元將開(kāi)始作業(yè)，狀態(tài)信息將通過(guò)LoRa 模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，狀態(tài)采集模塊的驗(yàn)電器單元實(shí)物如圖8 所示。

圖8 狀態(tài)采集模塊的驗(yàn)電器單元實(shí)物圖

利用在不同環(huán)境下的幾段距離來(lái)測(cè)試LoRa 通信的信號(hào)強(qiáng)弱?？紤]到在實(shí)際作業(yè)中，放置于檢修人員乘坐車輛上的LoRa 網(wǎng)關(guān)離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的距離不超過(guò)3 km（通常情況，距離會(huì)在1 km 范圍內(nèi)），因此測(cè)試3 km 范圍內(nèi)幾種場(chǎng)景下?tīng)顟B(tài)采集模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)在幾段距離的信號(hào)強(qiáng)弱。在各場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行一定次數(shù)的收發(fā)信息測(cè)試，信號(hào)越強(qiáng)，信息收發(fā)速度越快，綜合測(cè)試結(jié)果，分析得出采用LoRa 通信的狀態(tài)采集模塊可以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果，信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)試結(jié)果分析如表1 所示。

表1 信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)試結(jié)果分析

4.2 LoRa 網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

可以自主搭建一個(gè)云服務(wù)器，也可以在任意云平臺(tái)上注冊(cè)申請(qǐng)一個(gè)。然后測(cè)試LoRa 網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸效果。例如在調(diào)度中心的PC 端登錄云服務(wù)器，在界面打開(kāi)LoRa 網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)試軟件，建立一個(gè)TCP Server，與在網(wǎng)關(guān)中配置一樣，配置好相應(yīng)的地址與端口；在所有步驟無(wú)誤后，可以在LoRa 網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)試軟件中查看到連接已建立的提示，即表示網(wǎng)關(guān)連接云服務(wù)器成功。連接成功后即可接收來(lái)自LoRa 網(wǎng)關(guān)的Modbus數(shù)據(jù)指令。程序界面如圖9 所示。

圖9 TCP 服務(wù)端界面圖

同時(shí)PC 端在接收到驗(yàn)電與接地狀態(tài)信息的相關(guān)指令后，將自動(dòng)將指令儲(chǔ)存到本地日志中，由Python 編寫的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序?qū)⒃诤笈_(tái)自動(dòng)讀取日志中的Modbus 數(shù)據(jù)指令，當(dāng)接收到的指令表示驗(yàn)電器正常、接觸網(wǎng)接地正常、回流線接地正常，可以在PC 端的設(shè)備信號(hào)監(jiān)測(cè)窗口看到表示正常的三盞綠燈亮起，如圖10(a)所示；當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中突然接收到的表示驗(yàn)電器異常的指令，設(shè)備信號(hào)監(jiān)測(cè)窗口的驗(yàn)電器將亮起表示異常的紅燈，如圖10(b)所示。

圖10 狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面圖

5 結(jié)論

將人工智能機(jī)器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于鐵路的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)中構(gòu)建一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這既符合國(guó)家對(duì)于鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃中提升鐵路智能化水平的要求，同時(shí)該接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用智能機(jī)器人代替人工進(jìn)行驗(yàn)電與掛接地線的操作也能夠提升作業(yè)時(shí)的安全性；相比傳統(tǒng)的信息傳輸手段，利用物聯(lián)網(wǎng)中的主流通信技術(shù)，不僅能夠有效提升抗干擾性，并且一定程度上可以解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋時(shí)信息的有效傳輸問(wèn)題。