LNG鐵路運輸車載監測裝置

黃圣 何遠新 岳勝娥

摘 要：本文首先闡述了LNG鐵路運輸的優勢和在鐵路運輸設備上采用物聯網技術的必要性，并分析了車載監測裝置的需求。其次，對車載監測裝置用到的關鍵技術和試驗驗證情況進行了講解。最后，對車載監測裝置進行了評價，并對未來發展方向作出展望。

關鍵詞：鐵路運輸;物聯網;關鍵技術;試驗驗證

中圖分類號：U272.4 文獻標識碼：A

1 背景及意義

天然氣是一種清潔、優質燃料，具有性能高、熱值大、高效、綠色、廉價等優勢，正漸漸取代其他能源，成為人們日常生活及工業能源的主導。根據國內外的市場現狀和發展趨勢，向天然氣轉型已是世界的潮流。LNG（液化天然氣）是將天然氣凈化深冷液化而成的液體，主要成分是甲烷，其體積約為氣態時的1/625，因此天然氣以液態進行運輸與儲存具有良好的經濟性。同時，LNG具有易燃、易爆、低溫的危險特性。鐵路運輸與公路運輸相比，具有運能大、運輸成本低、全天候、安全、準時、節能環保等特點，中長途貨運是鐵路最大的優勢所在，這是交通部門和社會各界早已形成的共識。隨著物聯網技術的進步，鐵路運輸正朝著遠程監控、無人值守的方向發展。為保障LNG鐵路運輸安全，我們必須引入物聯網技術，通過車載監測裝置采集鐵路運輸裝備的數據信息，通過各種電信網絡與互聯網的融合，將信息準確的傳遞到地面調度中心的后臺服務器上，應用管理系統通過后臺服務器接提供的數據信息，實現對LNG鐵路運輸遠程監測和智能管理。

2 車載監測裝置需求分析

LNG是一種易燃易爆的危險介質，在LNG鐵路罐車運輸過程中，我們可能會遇到下列危險情況：（1）安全閥在危險區域（如電氣化鐵路、隧道等地區）自動排放，可能會引發燃燒、爆炸;（2）列車脫軌、側翻事故、閥門箱和外管路被人為破壞，造成LNG泄漏，從而引發冰凍、燃燒、爆炸等事故;（3）鐵路罐車在運輸過程中，貨主違規操作，采用半罐運輸（裝載量為20%～80%），導致罐車側翻，引發事故;（4）在裝液時，貨主有意超裝，引起運輸過程中安全閥起跳甚至內罐破裂等事故。

因此，為了保障LNG鐵路運輸的安全，需要遠程監測的LNG運輸裝備的內罐壓力、介質液位、介質溫度、三軸加速度、定位追蹤等信息，合理安排運輸的行程，盡量去預防可能發生的危險，或是在發生事故時能及時發現并采取應急措施，減小損失。

3 系統框圖

從圖1中我們可以看到車載監測裝置主要分為遠程通信模塊、CPU、數據輸入模塊、電源模塊。數據輸入模塊包括三軸加速度傳感器、衛星定位模塊、I/O模塊、溫度傳感器和壓力傳感器，其中溫度傳感器和壓力傳感器通過I/O模塊將數據傳輸到CPU中。數據輸入模塊將采集到的數據傳輸到CPU中進行處理打包，通過通信模塊上傳到網絡中。

4 車載監測裝置的關鍵技術

車載監測裝置總體來說是一個比較復雜的系統，涉及到了傳感器技術、衛星定位技術、通信技術，它們通過STM32微控制器，實現系統的整個功能。

4.1 STM32微控制器技術

單片機的發展已經走過近40多年的歷史，其間雖然有很多處理器以自己的特點占據著應用的某個領域，但是單片機以小巧靈活、性價比高、抗干擾能力強等特點在工業控制領域仍然有自己獨特的優勢。單片機的形式已經由當時的4位、8位，發展到現在的32位的高速單片機，而本文采用的單片機的內核就是現在非常流行的Cortex-M3內核技術。

STM32單片機是ST（意法半導體）公司使用arm公司的cortex-M3為核心生產的32bit系列單片機，STM32系列是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM cortex-M3內核。它是目前應用最為廣泛的一款單片機系列，以低功耗、低成本、高性能等特點得到了工程師們的喜愛。

4.2 傳感器技術

為了獲取LNG運輸裝備的內罐壓力、介質液位、介質溫度、三軸加速度信息，我們用了壓力傳感器、差壓傳感器、溫度傳感器、三軸加速度傳感器。

4.2.1 壓力傳感器

壓力傳感器和差壓傳感器采用的是單晶硅壓力傳感器，這種傳感器具有高精度、耐高溫、高過載、高穩等特點，非常適用于鐵路工況。

4.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用的是鉑電阻傳感器，鉑電阻具有高精度、高穩定性、抗氧化性好、測溫范圍廣、長壽命等特點，非常適用于鐵路工況。

4.2.3 三軸加速度傳感器

三軸加速度傳感器采用的是MEMS傳感器。MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，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、易于集成和實現智能化的特點。我們采用的這款MEMS三軸加速度傳感器量程范圍可達-8 g～8 g，分辨率不小于11位;零偏值小于±50 mg。

4.3 衛星定位技術

為了保證車載監測裝置的通用性和可靠性，衛星定位模塊兼容了GPS和BD衛星定位功能。

4.3.1 GPS衛星定位

全球衛星定位系統GPS（Global Positioning System）是美國以空間為基地的無線電導航系統。美國從上個世紀70年代開始研制GPS系統，在1994年全面建成。一開始只為軍方使用，但是其強大的實用性讓其迅速在民用各個行業運用的越來越廣泛。GPS定位系統可以為全球用戶提供連續、精確的經緯度和時間等信息，并在任何氣候條件下，提供定位，導航等服務。GPS主要由三部分組成：空間星座部分（空間部分）、地面支撐系統（地面監控部分）和GPS接收機（用戶部分）。GPS空間部分使用了24顆衛星組成的星座，衛星高度約20 200公里，分布在六條升交點互隔60度的軌道面上，每條軌道上均勻分布4顆衛星，相鄰兩軌道上的衛星相隔40度，使得地球上任何地方至少可以同時看到4顆衛星，通過這4顆衛星可以計算出用戶的位置。

4.3.2 BD衛星定位

北斗導航系統是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛星導航系統。2020年，建成北斗三號系統，完成了全球衛星導航系統的全部部署，已擁有55顆衛星，可向全球提供服務。其實北斗系統只需要35顆衛星，因為我國北斗組網衛星需要升級，而在軌的衛星也因為使用周期問題需要更新換代，因此總發射數量就會比目標數量要多。北斗衛星的定位原理與GPS相同，也是采用4顆衛星來計算用戶的位置。

4.4 通信技術

車載監測裝置的通訊模塊兼容了4/3/2G，系統會優先選擇連接4G網絡，然后是3G網絡，4G和3G都連接不上時才會選擇連接2G網絡進行通訊。因此，只要LNG運輸裝備附近有通信基站，就能通過車載監測裝置實現對LNG運輸裝備的實時監測。車載監測裝置還設置了斷點續傳功能，當LNG運輸裝備運行到無信號區域時，車載監測裝置能存儲設備的數據信息，等到了有信號的區域，可以從失去信號的這段時間內的數據信息補傳到后臺服務器上，從而保證運輸數據的完整性和可追溯性。

5 試驗驗證

為了保證車載監測裝置能在鐵路工況下正常使用，對車載監測裝置進行了以下型式試驗，并全部合格：

（1）符合GB/T 2423.22 規定的耐溫試驗;

（2）符合GB/T 4208規定的外殼防護等級試驗;

（3）符合GB/T 21563規定的振動沖擊試驗;

（4）符合GB/T 3836.1和GB/T 3836.4規定的防爆認證試驗;

（5）符合GB/T 2423.17規定的鹽霧環境試驗;

（6）符合GB/T 17626.5規定的雷擊浪涌試驗。

6 結論和展望

6.1 結論

本文結合LNG鐵路運輸的狀況，提出了安裝車載監測裝置的必要性和監測項點的需求。介紹了車載監測裝置上用到的幾個關鍵技術，并做了簡單的講解。不僅如此，本文還介紹了車載監測裝置的型式試驗情況，進一步驗證了它在鐵路工況上運用的安全性和可靠性。

本文中的車載監測裝置具有以下特點：

（1）采用了STM32的單片機，系統硬件性能高、功耗低、成本低;

（2）采用了高精度、高可靠性的傳感器，保證了設備的整體可靠性;

（3）采用了兼容4/3/2G的通訊模塊，數據傳輸的可靠性高、數據傳輸效率高;

（4）采用GPS、BD衛星定位技術，定位精度高、可靠性好;

（5）通過了所有型式試驗的驗證，保證了在鐵路工況下使用的可靠性。

因此，該車載監測裝置能滿足LNG鐵路運輸裝備在線路上的使用要求。

6.2 展望

為了進一步加強LNG鐵路運輸的安全性，我們還要在系統集成更多更好的定位和通訊技術，實現全路運輸無盲區，讓鐵路運輸裝備在線路上的任何地點都能實現連續精準的定位和無間斷的數據傳輸。讓該車載監測裝置成為LNG鐵路運輸的安全衛士。

參考文獻：

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