面向現(xiàn)代物流的長鋼軌專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉飛，張義川，胡淦，何濤

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

0 引言

《國鐵集團(tuán)關(guān)于加快鐵路現(xiàn)代物流體系建設(shè)的意見》中的《推進(jìn)物流信息數(shù)智化改造工程實(shí)施方案》，指出推動(dòng)專業(yè)管理數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)裝卸管理、自備車管理、路用車管理、超限超重貨物運(yùn)輸管理、抑塵防凍管理、裝載加固管理全鏈條數(shù)字化貫通。裝載加固器材作為實(shí)現(xiàn)貨物安全運(yùn)輸?shù)闹匾ＷC，與貨物裝卸、運(yùn)行接送、交付等環(huán)節(jié)密切相關(guān)，是實(shí)現(xiàn)貨物全流程、全要素在線化、數(shù)字化和網(wǎng)聯(lián)化的重要載體之一。因此，利用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)提升裝載加固器材的數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化水平，同時(shí)建立基于物流信息數(shù)字化的倉儲(chǔ)、使用及回送管理模式，對(duì)于推進(jìn)數(shù)字鐵路建設(shè)具有重要支撐作用[1-3]。

與貨車、集裝箱、集裝單元等鐵路貨物載運(yùn)器具日新月異的發(fā)展相比，裝載加固器材以《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》(鐵總運(yùn)〔2015〕296號(hào))附件5《常用裝載加固材料及裝置》為主，主要為一次性使用的鍍鋅鐵線、盤條、鐵絲繩緊固器，可循環(huán)使用的卷鋼座架、長鋼軌座架等[4-6]，在物流信息技術(shù)應(yīng)用上，與鐵路貨運(yùn)物流的數(shù)智化發(fā)展要求存在較大差距。以長鋼軌專用座架為例，使用次數(shù)、狀態(tài)等需要在發(fā)送環(huán)節(jié)進(jìn)行人工記錄，無法實(shí)時(shí)跟蹤座架使用狀態(tài)和確認(rèn)貨物加固狀態(tài)，缺乏有效的在線監(jiān)控手段和物流管理信息系統(tǒng)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 長鋼軌專用座架監(jiān)測(cè)需求分析

長鋼軌專用座架主要在鋼廠及焊軌基地使用，專用座架使用流程如圖1所示。100 m長鋼軌采用專用座架從生產(chǎn)鋼廠運(yùn)輸至焊軌基地[7]，焊接成500 m長鋼軌后運(yùn)輸至工程局鋪軌基地。在座架使用周期內(nèi)，包括運(yùn)輸狀態(tài)和非運(yùn)輸狀態(tài)。運(yùn)輸狀態(tài)下，涉及專用座架空重2種狀態(tài)，即承載、非承載工況。非運(yùn)輸狀態(tài)下，涉及專用座架庫存、安裝、拆除、維保等工況。

圖1 專用座架使用流程Fig.1 Use process of special supports

專用座架監(jiān)測(cè)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)采集位置信息，同時(shí)應(yīng)具備空、重、庫存、安裝等狀態(tài)識(shí)別功能，并向使用者提供座架預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，為物流計(jì)劃、庫存、維保等提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)物流、信息流一體化管理，具體如下。

（1）實(shí)時(shí)位置信息，專用座架實(shí)時(shí)位置信息采集，靈活切換的衛(wèi)星定位與基站定位雙定位模式，衛(wèi)星定位應(yīng)支持北斗、GPS等系統(tǒng)，并能遠(yuǎn)程進(jìn)行開啟與關(guān)閉。

（2）使用狀態(tài)信息，專用座架的空、重、庫存、安裝與拆除狀態(tài)信息化管理，其中空、重狀態(tài)應(yīng)具備自判斷能力。

（3）數(shù)據(jù)傳輸能力，采用無線通信方式將專用座架實(shí)時(shí)位置信息和使用狀態(tài)信息傳輸至系統(tǒng)平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)滿足系統(tǒng)平臺(tái)通信協(xié)議要求。

（4）數(shù)據(jù)緩沖能力，能夠在通信不暢的情況下將相關(guān)信息緩存于設(shè)備內(nèi)置存儲(chǔ)器中，當(dāng)通信條件具備時(shí)設(shè)備能夠自動(dòng)補(bǔ)傳數(shù)據(jù)。

（5）通信制式要求，支持2G/3G/4G通信，支持LTE FDD，LTE TDD，WCDMA HSPA+，TDSCDMA，GSM/GPRS/EDGE等滿足技術(shù)要求的制式。

（6）預(yù)報(bào)警能力，能夠判斷專用座架與車輛分離狀態(tài)，并自動(dòng)報(bào)警提示。

（7）適應(yīng)環(huán)境能力，數(shù)據(jù)采集模塊能在工作溫度-40℃~+80℃，濕度5%~95%條件下正常工作，防護(hù)等級(jí)不低于IP66。

（8）監(jiān)測(cè)設(shè)備要求，電源使用時(shí)間不低于3年，加速度傳感器量程不小于4 g、抗沖擊能力不低于1 000 g。

1.2 長鋼軌專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖2所示，系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)、集中部署，主要由監(jiān)測(cè)查詢及管理應(yīng)用(外部接入)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中心、前端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集服務(wù)、對(duì)外數(shù)據(jù)接口和監(jiān)測(cè)設(shè)備等不同模塊組成。在監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊中，主要用于物理數(shù)據(jù)采集，包括專用座架實(shí)時(shí)位置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和加速度值等，需要根據(jù)專用座架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于集中式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中心，可用于客戶信息、訂單信息及專用座架狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理。其中專用座架位置及使用狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，主要通過前端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集服務(wù)實(shí)現(xiàn)。依托集中式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中心，可通過Webservice或Restful等成熟的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口[8]實(shí)現(xiàn)相關(guān)外部企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的信息共享交換，實(shí)現(xiàn)企業(yè)實(shí)物流、信息流一體化管理。

圖2 專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架Fig.2 General framework of monitoring system for special supports

系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)部管理及外部服務(wù)模塊。通過數(shù)據(jù)處理，內(nèi)部管理模塊可實(shí)現(xiàn)用戶及權(quán)限管理、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝及更換管理、庫存管理、訂單管理等功能，對(duì)內(nèi)提供各種基礎(chǔ)信息登記查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析的內(nèi)部管理服務(wù)。在外部服務(wù)模塊中，通過監(jiān)測(cè)查詢及管理應(yīng)用可向企業(yè)提供專用座架位置查詢、實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢、報(bào)警通知等基礎(chǔ)查詢服務(wù)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的挖掘分析，系統(tǒng)可提供專用座架分布、運(yùn)到時(shí)限分析等服務(wù)。

1.3 長鋼軌專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

長鋼軌專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過功能設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集管理、信息管理和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理。其中信息管理模塊包括基礎(chǔ)信息管理、用戶管理、訂單管理、庫存管理、統(tǒng)計(jì)分析、安裝及更換管理、監(jiān)控及告警管理、設(shè)備管理和接口管理9部分，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理包括位置查詢服務(wù)、運(yùn)到時(shí)限分析、報(bào)警通知和設(shè)備分布服務(wù)4部分。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System function structure

數(shù)據(jù)采集管理包括數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)解密、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)入庫，在對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備按照通信協(xié)議和加密規(guī)則發(fā)送的原始信息進(jìn)行數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和解密的基礎(chǔ)上，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)體內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)和位置解析，并將解析后的數(shù)據(jù)調(diào)用相關(guān)接口存入數(shù)據(jù)庫表單，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理功能。

信息管理模塊中基礎(chǔ)信息管理能夠提供系統(tǒng)相關(guān)的通知公告的編輯、發(fā)布及刪除等功能，提供與系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)字典數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一維護(hù)與更新功能，以及平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置維護(hù)和個(gè)性化定義功能。用戶管理主要用于為各級(jí)用戶分類提供用戶創(chuàng)建、刪除、修改、查詢以及權(quán)限分配等用戶管理基本功能。訂單管理、庫存管理、安裝及更換管理、統(tǒng)計(jì)管理，主要用于專用座架的購置、倉儲(chǔ)、使用及報(bào)廢的全過程管理，提供下單、接單、簽收、入庫、出庫、安裝、更換和報(bào)廢等功能，并能對(duì)專用座架使用狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)專用座架使用時(shí)位置分布、是否處于滯留狀態(tài)、庫存狀態(tài)等進(jìn)行分析計(jì)算。設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)及告警管理，主要用于向用戶提供對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)情況，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備電量、位置、時(shí)間等狀態(tài)參量以及其他參量，向用戶顯示遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)歷史履歷信息及報(bào)警事件，同時(shí)提供監(jiān)測(cè)設(shè)備基礎(chǔ)信息維護(hù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信息采集間隔參數(shù)及電池電量閾值設(shè)置等功能。接口管理主要用于與其他外部系統(tǒng)的接口管理，主要包括與社會(huì)物流企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)接口、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備廠家系統(tǒng)接口以及基站解析服務(wù)提供方接口。

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理中設(shè)備分布服務(wù)可為客戶提供設(shè)備采購相關(guān)信息、設(shè)備制造相關(guān)信息、設(shè)備安裝相關(guān)信息、設(shè)備狀態(tài)相關(guān)信息、設(shè)備位置屬性、設(shè)備明細(xì)信息等。位置查詢服務(wù)能夠?yàn)榭蛻籼峁Ｓ米軐?shí)時(shí)位置查詢服務(wù)，可根據(jù)設(shè)備編號(hào)等條件查看所在國家、省份、車站/區(qū)間等信息，并提供位置軌跡信息。運(yùn)到時(shí)限分析能夠提供不同OD間的運(yùn)輸完成時(shí)長分布、趨勢(shì)分析、最短時(shí)長分析、最長時(shí)長分析等服務(wù)，并可根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息、地理基礎(chǔ)信息以及客戶提供的運(yùn)輸發(fā)到相關(guān)信息進(jìn)行異常滯留分析服務(wù)。報(bào)警通知主要針對(duì)專用座架使用過程中的異常拆除信息進(jìn)行分析，為用戶提供自動(dòng)報(bào)警通知服務(wù)。

2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊組成

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架中，監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊主要用于專用座架位置及使用狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，包括專用座架實(shí)時(shí)位置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和加速度值等，需要根據(jù)專用座架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊包括定位終端主機(jī)和監(jiān)測(cè)傳感器2個(gè)部分，監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊組成圖如圖4所示。定位終端主機(jī)包括主控模塊、通信模塊、衛(wèi)星定位模塊、藍(lán)牙通信模塊、計(jì)時(shí)模塊、外置FLASH存儲(chǔ)、可觸發(fā)式NFC、庫侖計(jì)、電源管理以及加速度傳感器、天線等部分。監(jiān)測(cè)傳感器包括主控模塊、電源模塊、藍(lán)牙通信模塊、傳感器等組成。其中傳感器為壓力傳感器，能夠采集專用座架承載情況，判斷座架空、重狀態(tài)，并通過藍(lán)牙廣播模式對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行廣播。定位終端主機(jī)定期掃描處于廣播狀態(tài)的監(jiān)測(cè)傳感器，建立連接后定位終端主機(jī)獲取數(shù)據(jù)值，通過互聯(lián)網(wǎng)將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中心。

圖4 監(jiān)測(cè)設(shè)備模塊組成圖Fig.4 Components of monitoring equipment

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備電源方案

由專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求可知，監(jiān)測(cè)設(shè)備使用時(shí)間不低于3年。同時(shí)考慮到需要有短時(shí)間大電流脈沖放電的能力，定位終端主機(jī)選擇常用于物聯(lián)網(wǎng)追蹤定位場(chǎng)景的容量型鋰亞硫酰氯電池配合電池電容器的供電方案[9-10]，采用2節(jié)ER26500(鋰亞硫酰氯電池)加1個(gè)SPC1550(電池電容器)，能夠適應(yīng)-40℃~+85℃的溫度范圍，安全性能高、可靠性強(qiáng)。

統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)設(shè)備平均單周期耗電量低于3 mAh。以3 mAh計(jì)算，根據(jù)長鋼軌專用座架的使用頻次和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，座架按照動(dòng)態(tài)6 h，靜態(tài)24 h定位一次，一年動(dòng)靜比為1∶2情況下，平均一天定位次數(shù)為2次，因此可知終端年消耗容量C1如下。

其中ER26500電芯年自放電損耗約為1%，電池電容器SPC1550日自放電損耗約為0.24 mAh，終端年自放電消耗容量C2為電芯和電池電容器2部分自損耗之和。

電池使用時(shí)環(huán)境溫度、放電電流大小，電池散布系數(shù)Kd、可靠性系數(shù)Kg，以及存儲(chǔ)自放電容量C耗等，都會(huì)影響電池容量C?？紤]上述影響因素，電池預(yù)計(jì)放電條件下有效容量為

式中：N為電池?cái)?shù)量，取值為2；Kd為電池散布系數(shù)，取值為0.85；Kg為電池可靠性系數(shù)，取值為0.95。

自放電能耗計(jì)算如表1所示。

表1 自放電能耗計(jì)算表Tab.1 Self-discharge energy consumption calculation

該電源方案使用時(shí)長為5.6年，滿足專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備使用時(shí)間不低于3年的要求，使用時(shí)長計(jì)算如表2所示。

表2 使用時(shí)長計(jì)算Tab.2 Calculation of service time

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝方案

監(jiān)測(cè)設(shè)備的定位終端主機(jī)和監(jiān)測(cè)傳感器(從機(jī))2個(gè)部分獨(dú)立安裝。其中定位終端主機(jī)安裝于專用座架底部適當(dāng)空間內(nèi)，保證主機(jī)頭部朝外能夠接受天線信號(hào)；監(jiān)測(cè)傳感器安裝于不影響鋼軌裝載的隔梁內(nèi)側(cè)，專用座架結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示[5]。充分考慮到斜支撐底部結(jié)構(gòu)的尺寸、管內(nèi)部焊點(diǎn)情況以及采用的電池尺寸，監(jiān)測(cè)設(shè)備主機(jī)的尺寸為長方體為主，尺寸根據(jù)不同座架型號(hào)而進(jìn)一步確定。定位終端主機(jī)內(nèi)部采用灌膠方式固定，外殼跟斜支撐結(jié)構(gòu)膠接固定，監(jiān)測(cè)傳感器采用焊接方式固定在隔梁內(nèi)側(cè)，定位終端主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖5 專用座架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of special supports

圖6 定位終端主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of position terminal host

圖7 監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of monitoring sensor

3 結(jié)束語

長鋼軌專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)座架使用狀態(tài)的解決方案，充分利用現(xiàn)代物流信息技術(shù)，同時(shí)通過壓力、加速度傳感器的使用，在實(shí)時(shí)采集位置信息的基礎(chǔ)上，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備座架空、重、庫存、安裝等狀態(tài)識(shí)別功能，集實(shí)物流、信息流和安全管理于一身。專用座架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提高我國鐵路貨物裝載加固器材數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化水平的有益探索，可為鐵路貨物裝載加固管理數(shù)字化提供技術(shù)支撐。