鐵路貨車車地信息傳輸技術研究

盧宇星，夏惠興，華洪斌，王志軍，杜 冬

(1.神華鐵路裝備有限責任公司，北京 100089；2.江蘇江凌測控科技股份有限公司，江蘇無錫 214422)

1 概述

在“公轉鐵”運輸結構調整的背景下，鐵路面臨更為艱巨的貨運任務[1]，大秦鐵路是中國境內首條重載鐵路兼煤運通道干線鐵路，它以中國鐵路1%的營業里程完成全國鐵路20%、全國13%的煤炭運量，對國內五大發電集團、各電廠、鋼鐵公司的發展，以及沿線多家大中型企業和上億居民的生產生活產生了巨大影響[2]。C80 型敞車是為適應大秦線大載重、高頻率運行以及秦皇島碼頭不摘鉤連續翻卸而設計的運煤專用敞車[3]，貨車轉向架作為鐵路貨車的走行部，是鐵路貨車最為重要和關鍵的部件之一，其健康狀態直接關乎鐵路貨車的運行安全。當前大秦鐵路貨運采用的是“5T”安全監測系統，即紅外線軸溫探測系統（THDS）、貨車運行故障動態圖像檢測系統（TFDS）、貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統（TADS）、貨車運行狀態地面安全監測系統（TPDS）、車輛輪對故障、尺寸動態檢測系統（TWDS），在“5T”安全監測系統中當車載安全監測設備在監測到車輛設備的異常或故障時，自動啟動報警實時發送機制，將此信息通過 GPRS 實時發送出去,但GPRS 僅適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，且傳輸速率較慢[4]。

傳統的車地信息傳輸方式主要分為兩類，一類是點式傳遞方式，包括查詢應答器和點式感應環線；另一類是連續式傳遞信息方式，包括軌道電路、軌道電纜以及無線傳輸方式[5]。為保證鐵路安全，實現列車自動控制，要求車-地之間進行雙向、大量信息傳輸。文獻[6]提出基于無線通信的列控系統是中國鐵路的發展方向。文獻[7]提出基于漏泄波導的無線通信方式，它可以實現車地雙向傳輸，傳輸頻帶寬、速率高、信息量大。但漏泄波導在受限空間的電波覆蓋性能方面需要提高[8]。

以現有“5T”系統已在鐵路軌道兩邊按一定的距離要求建設好的探測站為基礎，在現有“5T”系統的探測站內設置一個軌旁數據基站，該軌旁數據基站僅在探測站內共用供電電源，不占用站內和“5T”系統的其他資源，研究軌旁數據基站和車載無線無源傳感與監測組件的多線程WSN 通信技術，將貨車轉向架的實時狀態監測與故障診斷結果通過“5T”網絡傳輸到上位機，便于后臺操作人員監控車輛狀態，進行車輛故障預警，并根據貨車健康狀態進行視情維修，在故障剛有苗頭的早期階段發現并予以處理，有效預防重、特大事故的發生，同時，還能減少檢修工作量、提高貨車車輛使用率。

2 UWB通信技術車地信息傳輸系統

2.1 UWB通信技術原理

美國FCC 對UWB 定義為：

式中，fH、fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時所對應的高端頻率和低端頻率，fc為載波頻率或中心頻率，如圖1 所示。

圖1 超寬帶信號與窄帶信號的比較Fig.1 Comparison between ultra wide band signal and narrow band signal

UWB 技術最早出現在馬可尼的火花放電式的莫爾斯電報試驗[9]。超寬帶無線電通信可以通過脈沖無線電方式實現，它是采用沖擊脈沖作為信息載體的無線電技術[10]。UWB 采用高斯函數的各階導數函數作為發射脈沖波形，直接發射窄脈沖進行通信，即直接將經過頻譜成形之后的寬帶窄脈沖發射出去，信道上傳輸的是基帶信號，脈沖UWB 信號波形如圖2 所示。所以，接收機不需要經過逐級下變頻之后再進行解調，主要由一個相關檢測器構成，其收發信機結構也比傳統的收發信機結構簡單，其結構如圖3 所示。

圖2 脈沖UWB信號的時域及頻域波形Fig.2 Waveforms of the time domain and frequency domain of pulse UWB signal

圖3 UWB收發信機結構Fig.3 Structure of UWB transceiver

UWB 技術因其低成本、低功耗等優點而成為短距離無線通信的研究熱點。尤其在頻譜資源日益緊張的情況下，UWB 的頻譜共享特性使得它被廣泛利用。UWB 通信技術相較于傳統通信技術具有很多優勢，首先，UWB 的速率高、容量大，功耗低；其次，UWB 系統的結構簡潔、投入低[11]。

2.2 UWB通信技術車地信息傳輸系統結構

鐵路貨車車地信息傳輸系統包括車載無線無源傳感與監測組件、軌旁數據基站和地面監測與診斷主機，系統總體結構框如圖4 所示。

軌旁數據基站采用非3.5 GHz、5 GHz 頻段的無線通信方式和車載無線無源傳感與監測組件組成UWB 通信網絡，可最大程度的減小不同系統間的相互干擾隱患。軌旁數據基站具有多線程通信功能，當檢測到鐵路貨運車輛進入UWB 通信網絡通信范圍，自動啟動多線程UWB 通信，接收并緩存貨運車輛的運行狀態監測數據，直到車輛完全離開UWB 通信網絡通信范圍才結束UWB 通信。在每次接收數據完成后，軌旁數據基站通過“5T”網絡自動將數據傳輸到車輛段內的地面監測與診斷主機，由地面監測與診斷主機對列車運行狀態數據進行分析處理與故障診斷，并根據診斷結果規劃下一個軌旁數據基站的數據接收任務。軌旁數據基站在完成車輛運行狀態數據的接收與傳輸后自動進入低功耗待機狀態，以最大程度節約電能消耗。

圖4 系統總體結構框圖Fig.4 Block diagram of overall system structure

1）車載無線無源傳感與監測組件

無線無源轉向架振動傳感與監測組件以一個轉向架作為監測單位，該組件安裝在鐵路貨車轉向架的一個車軸的軸端，利用微型測速發電機實現轉速測量與無線無源轉向架振動傳感與監測組件供電。本組件連接4 個能監測振動、沖擊和溫度信號的組合傳感器以實現對轉向架運行狀態的全面監測，原始數據在監測組件中進行實時故障診斷處理，監測結果通過UWB 通信網絡傳送到軌旁數據基站，并最終匯總于地面監測與診斷主機。無線無源轉向架振動傳感與監測組件采用低功耗、模塊化設計，其結構如圖5 所示。

圖5 無線無源傳感與監測組件結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the structure of wireless passive sensing and monitoring components

該組件中的CPU 模塊是無線無源轉向架振動傳感與監測組件的核心，經無線模塊將車載監測與軌旁數據基站組成UWB 通信網絡。每個轉向架安裝一個現場數據診斷傳送單元，即UWB 發射模塊，UWB 發射模塊以單片超寬帶無線收發芯片DW1000 為核心設計，它有數據發送功能。通過WSN 無線傳輸的方式，將該轉向架的振動信號傳輸至安裝在鐵路軌道旁的軌旁數據基站。

2）軌旁數據基站

軌旁數據基站具有數據接收、數據緩存和數據發送3 個功能，其基本結構框如圖6 所示。

UWB 基站模塊以基于DW1000 芯片設計的超寬帶收發模組DWM1000 模塊為核心設計。DWM1000 模塊數據傳輸率有110 kbit/s，850 kbit/s，6.8 Mbit/s 3 種模式，支持從3.5 GHz到 6.5 GHz 的4 個射頻波段，通信距離在300 m，而且功耗低，可降低更換電池頻率、減少系統生命周期成本。

圖6 軌旁數據基站結構框圖Fig.6 Block diagram of the structure of trackside data base stations

軌旁數據基站通常處于低功耗待機狀態，當安裝有無線無源轉向架振動傳感與監測組件的貨運車輛進入軌旁數據基站的UWB 通信網絡通信范圍內時，軌旁數據基站會自動退出低功耗待機而進入數據接收準備狀態；然后根據車輛段內的地面監測與診斷主機的任務規劃啟動多線程UWB 通信，接收并緩存當前經過軌旁數據基站的貨運車輛的運行狀態監測數據，直到車輛完全離開UWB 通信網絡通信范圍才結束UWB 通信；在每次接收數據完成后實時通過“5T”網絡自動將數據傳輸到車輛段內的地面監測與診斷主機。

3）地面監測與診斷主機

系統充分利用現有的5T 系統監測站，特別是其中的“5T”網絡，通過在車輛段內增設地面監測與診斷主機、維修部門增設智能運維管理主機，以實現貨運車輛的安全運行監測與智能運維，地面監測與診斷系統拓撲結構如圖7 所示。

地面監測診斷服務器通過軌旁數據基站接收無線無源轉向架振動傳感與監測組件發送的監測數據和診斷結論，并保存在診斷主機上。運行在診斷主機上的診斷軟件，對列車運行狀態數據進行分析處理與故障診斷，并根據診斷結果規劃下一個軌旁數據基站的數據接收任務并發送控制指令。根據檢測到的轉向架、車輪、車軸等部件的振動數據信息，分析振動信息和車輛故障之間的映射規律，研究深層次關聯關系，建立振動信息與車輛故障之間的分析診斷模型，并開發相應的故障監控系統。系統對收集的振動、沖擊和溫度信息通過模型分析計算后，能夠得出故障預警、預報信息，分析后的數據結果可以通過網頁等展現形式予以直觀地展示，最終完成車地信息傳輸，保障鐵路貨車安全運行。

圖7 地面監測與診斷系統結構拓撲Fig.7 Topology of the structure of ground monitoring and diagnosis system

2.3 UWB通信技術車地信息傳輸技術方法

本文采用低功耗自適應集簇分層型(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH) 協議。LEACH 協議是一種WSN 通信協議，是M/T 的Heinzelinan 等人為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應分簇路由算法，在通信過程當中，多采用一種簇頭選舉的策略來進行傳輸[12]。LEACH 的基本思想是：周期性地循環隨機選擇簇頭節點，簇頭節點接收簇內節點的數據后，將數據融合轉發給骨干節點，從而將整個網絡的能量負載均衡分配到每個傳感器節點上，以實現最大化網絡生存時間、降低網絡能耗的目的[13]。LEACH 協議分為兩個階段：簇的建立；穩定的數據傳輸。一般來說，數據傳輸時間遠遠長于簇建立的時間，以達到減少成簇的消耗的目的。與一般的基于平面結構的路由協議和靜態的基于多簇結構的路由相比，LEACH 可以將網絡整體生存時間延長15%，LEACH 協議算法有很多優勢[14]。

LEACH 協議是一種層次型路由協議，簇內成員節點將數據再簇頭節點分配時間內傳輸給簇頭節點，簇頭節點對接收到的所有數據融合后傳輸給基站，從而減少節點能耗。

LEACH 協議周期性的隨機選舉簇頭節點，每隔一定時間后再重新選舉簇頭，把能量消耗平均分配到每個節點上，從而延長整個網絡的生存時間。

本文主要以20 輛C80 型敞車上的轉K6 轉向架為監測對象，每輛車上安裝有兩組車載無線無源傳感與監測組件，即共有40 個UWB 發射模塊節點，在經過不同軌旁數據基站時，多個節點周期性的輪流被選擇為簇頭節點，同時在每個軌旁數據基站中設置1 個UWB 基站模塊，接收簇頭節點發送的數據。現有5T 系統的紅外線軸溫探測系統（THDS）一般是每隔30 km 左右設置一個軌旁探測站，將本系統的軌旁數據基站安裝在既有的軌旁探測站內。當列車按照最高速度120 km/h 運行時，即每間隔15 min 經過一個數據基站；當列車按照監測系統運行要求最低速度20 km/h 運行時，則每間隔90 min 經過一個數據基站。采用UWB通信方式的最大數據傳輸速率VMAX為6.8 Mbit/s，有效通信距離為軌旁數據基站前、后100 m；列車120 km/h 速度運行時通過軌旁數據基站的有效通信距離的通信時間T通為30 s，20 km/h 速度運行時通過軌旁數據基站的有效通信距離的通信時間T通為180 s。當載有無線無源傳感與監測組件的敞車進入軌旁數據基站的UWB 網絡通信范圍內時，UWB 基站模塊就會接收并緩存UWB 發射模塊傳輸的運行狀態監測數據。

無線無源轉向架振動傳感與監測組件按輪對每旋轉8 周同步采樣1 次轉向架上4 個測點的振動數據（與列車運行速度無關），在監測組件內進行初級診斷形成實時監測的簡易檔案C1=4×16×8 bit 和精密檔案C2=4×2 048×8 bit，然后按采樣時間先后與間隔、振動dB 值大小、有無故障、故障嚴重程度等替換原則始終保持每個測點有30 組簡易檔案、精密檔案。按最大通信速率完全發送監測組件內所有測點的30 組簡易檔案、精密檔案所需的時間是：

而且，通常情況系統只需讀取簡易檔案，只有在存在故障預警時才需讀取精密檔案，因此，采用UWB 通信方式完全能可靠完整的將數據傳輸到遠端服務器。

3 總結

保證鐵路車輛健康狀況良好、確保鐵路運輸安全日益重要，而貨車轉向架是鐵路貨車最為重要部件之一，快速、完整地將其監測與故障診斷結果傳輸至地面站具有重大意義。所以，本文以現有“5T”系統已在鐵路軌道兩邊建設好的探測站為基礎，研究軌旁數據基站和車載無線無源傳感與監測組件的多線程WSN 通信技術。采用UWB 通信技術開展研究鐵路貨車車地信息傳輸技術，UWB 發射模塊和UWB 基站模塊均以DWM1000 芯片為核心，采用LEACH 協議算法，將監測數據傳輸到軌旁基站，進而通過“5T”網絡匯總到地面監測站。通過計算，在C80 型敞車的運行速度范圍內，能夠可靠完整的進行數據傳輸，而且車地信息傳輸過程不影響列車正常行駛，同時，數據傳輸具備實時性與完整性等特點。