鐵路貨運裝備智能化技術應用

李 冬，胡小平,李 琰,林結良

(1.中車眉山車輛有限公司 產品開發部，四川 眉山 620010； 2.中國鐵路成都局集團有限公司 眉山車輛監造項目部，四川 成都 610031)

當前新一輪科技革命和產業變革加速演進，數據驅動、人機協同、跨界融合、共創分享的智能經濟形態開始顯現，中國鐵路業務模式、管理模式和組織模式將發生深刻變革。國際重載協會(IHHA)指出：未來世界重載技術將進一步向智能化、數字化方向發展。2017年國際重載大會首次提出了“國際重載4.0”理念，即搭建現代化數字網絡平臺，廣泛應用傳感器、大數據計算、信息通信、人工智能等技術，大幅提升貨運技術裝備智能化水平，提高運輸效率和安全性。

目前我國各類鐵路貨車總保有量大約有89.67萬輛[1]，確保貨車運行安全可靠，并以最小維護維修成本發揮車輛壽命期內最大的經濟效益，是鐵路運維部門極具挑戰性的問題。近年來，隨著大數據分析、互聯網、信息處理及傳感等技術的快速發展，故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技術在航空工業、電子工業等領域得到廣泛應用并取得了良好的效果[2]。基于PHM理論基礎，利用現代先進的傳感技術和互聯網信息處理技術開展提高鐵路貨車智能化、信息化水平的研究，依靠先進科學技術來保證車輛運用安全性、可靠性，實現精準化 “狀態修”，這是未來鐵路貨車發展的方向。本文將分析貨運裝備信息化、智能化發展的必要性，并闡述鐵路貨車智能監測與預警系統(以下簡稱智能系統)的基本設想、主要功能、總體架構以及系統組成。

1 鐵路貨物運輸市場對智能化貨運裝備的影響

現代物流發展呈現物流體系綜合化、物流管理智能化、物流資源社會化以及三流一體化四大趨勢。鐵路運輸是現代物流中必不可少的一環，又是公認的資源節約型、環境友好型運輸方式，在國民經濟、國防、民生等建設方面發揮著極其重要的作用。以前鐵路主要以運輸煤炭、鋼材等關系國計民生的大宗貨物(黑貨)為主，對運輸車輛信息化的要求不高。然而，隨著我國國民經濟增速趨穩放緩，經濟制度的調整帶來經濟結構發生改變，鐵路在大宗物資運輸上的優勢正隨著運輸市場需求結構的變化而受到嚴重沖擊，“黑貨”運輸需求驟減，貨運市場面臨挑戰。如圖1所示，2016年與2013年相比，鐵路貨運量總體下降17.7%，貨物周轉量下降20.8%[3]。

圖1 中國鐵路貨運總量及總周轉量統計圖

現代物流市場倒逼鐵路貨運改革，信息化 智能化是貨運改革的重要技術手段。隨著我國貨運市場需求結構的變化，以消費品為主的快捷貨運需求存在巨大的潛在市場，因此鐵路貨運需轉變觀念，重新培育新的運輸市場，以適應現代物流運輸發展的需要。近年來，在“黑貨”運輸市場逐步萎縮的同時，電子商務興起帶動“零擔白貨”運輸市場快速增長，這類貨物多品種、小批量、多批次的特點對運輸的快捷性、機動性、準確性、安全性方面提出了較高要求。因此，鐵路貨運應以“智能運輸、精準運輸、高效運輸”為導向，運用傳感器信息采集技術、網絡技術、存儲技術、信息技術、機器學習技術和自動控制技術，圍繞裝卸車、集疏運、列車線上運行等運輸全過程，開展集疏運一體化、智能運輸組織模式、精準化列車開行方案、貨場智能管理等方面的智能化研究，發展更加安全可靠、經濟高效、節能環保的智慧鐵路運輸系統。

“5G+互聯網”技術的快速發展正在引領軌道交通邁入智能化發展新時代。互聯網信息技術與經濟社會各領域深度融合正有力地推動經濟社會多種方式的改革創新,促進各行業數字化、智能化發展，構建萬物互聯的新時代。從“中國制造2025”到“中國智能制造‘十三五’規劃”，鐵路貨運技術及其裝備只有與互聯網深度融合才能衍生嶄新的自動化、智能化新技術，推動技術進步和組織變革，從而大幅提升創新力和生產力。基于高智能化“5G+互聯網”的PHM技術必將使得鐵路貨車及運營的管理機制、生產方式、維護維修體系發生根本變化，智能化是未來鐵路貨車生產、運營、維修發展的必然趨勢。

2 智能系統方案構想

2.1 鐵路貨車技術特征

鐵路貨車技術特征對智能系統的可行性及可靠性均提出了苛刻的要求。

(1) 運速快，安全性要求高，時速160 km以上的快捷貨車需配備電子防滑器、軸溫監測等監測設備；

(2) 無隨車機械師和電氣師，人控條件有限，因此對系統的安全性和可靠性要求高，對智能監測和遠程實時預警有迫切需求；

(3) 貨車運用條件靈活，需經常編組和解編，因此由機車供電困難，且現有貨車均無車載供電裝置，需解決貨車自身發電問題；

(4) 鐵路管理部門和客戶有實時了解貨車運行狀態、地理位置等信息的需求；

(5) 貨車配屬于中國國家鐵路集團有限公司，全國范圍內跨局運行，運行管理、運維等部門接口多，對貨車信息化有較大的挑戰；

(6) 貨車之間無通信電纜連接，對貨車間的無線通信可靠性要求高；

(7) 貨車運行地域跨度大，條件較為惡劣，對車載電子電氣設備的可靠性要求高。

2.2 設計原則

分析梳理上述鐵路貨車技術特征確定了智能系統的設計原則。

(1) 高可靠性：確保7×24 h不間斷運行，需考慮足夠冗余與備份；

(2) 低功耗：開發和選用低功耗設備，延長系統續航時間；

(3) 結構緊湊：不改變現有車體結構，節省空間，易于安裝、檢修；

(4) 模塊化、可擴展：預留擴展接口，根據需求添加防盜、制動、運行狀態、煙火、車門及功能機構狀態及運輸介質溫度等監測設備；

(5) 兼容性強：采用開放性的系統架構和數據接口，方便和DMIS、TMIS、HMIS和95306等現有鐵路信息系統對接。

2.3 智能系統主要功能

(1) 自主發電、蓄電及智能用電管理。推廣應用以信息化、數字化為基礎的新技術需首先解決鐵路貨車車輛的電源問題。系統包含了一種軸端發電裝置，利用車輪車軸的滾動進行發電，并配以一定容量的蓄電池。軸端發電裝置供電和蓄電池儲供電可進行智能化無縫轉換，確保智能系統工作時不間斷供電。

(2) 性能數據監測及預警。車輛在運行過程中關鍵零部件的技術狀態直接影響車輛運行的安全性、可靠性和平穩性。零部件技術狀態可通過溫度、位移、速度、力、加速度等指標得以體現，故利用傳感技術，在不同零部件上安裝不同類型的傳感器可監視零部件運用狀態和檢測零部件運行指標數據。同時，基于車輛運用維修大數據分析結果給技術指標設置一定限度，當超過限度值時，系統可及時預警。

(3) 防火防盜安全監控及預警。在車輛上安裝聲光傳感器以及視頻儀等設備進行煙霧、防火、防盜等監視、預警，實時監控車輛運行過程中車輛和運輸貨物的狀況，當發生火災、盜竊行為等異常情況時可及時報警。

(4) 導航定位、測速及授時。實現車輛的衛星定位、衛星導航、測速和授時，貨主和管理部門可以利用電腦、手機等終端隨時了解車輛及貨物的運輸過程狀態。

(5) 系統設備工作狀態監控。對系統自身硬件設備工作狀態進行實時監視，并利用各級人機管理界面可隨時觀察設備是否處于正常工作狀態，當設備發生故障或異常時，人機管理界面能及時顯示設備異常信息。

(6) 機車通過車輛間無線通信實時監控所有車輛信息。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術，可實現列車編組自動識別、無線自組網及網絡修復。每輛車所有信息集成在車輛監視主機上，車輛與車輛之間、列車和機車之間通過ZigBee無線通信技術傳輸信息和數據。機車配備監測主機和聲光報警，可實時查看整列車運行狀態，并在無隨車機械師和電氣師的情況下指導司機采取應急措施。

(7) 車地無線通信實現地面實時監控所有車輛信息。列車數據通過衛星GPRS網絡實時傳輸至地面信息處理中心，再通過互聯網傳輸至各級控制、管理部門，車輛運維各級部門可通過地圖和列表實時查看所有列車信息，包括車輛當前位置、運行狀態等，出現異常情況時可做出準確、及時的處置。

(8) 車輛、機車、地面中心等多級用戶設置監控軟件和人機界面。車輛、機車以及地面各級運營、管理和維修部門可通過計算機軟件進行人機對話，隨時監測和調閱車輛的運行狀態。

(9) 歷史數據存儲、查詢、下載。系統支持在Wi-Fi等模式下進行歷史數據的存儲、查詢和下載，便于對車輛狀態進行進一步分析處理。

2.4 智能系統總體架構

智能系統全面覆蓋貨車運行安全、快捷檢修和物流信息化等多方面業務，可為鐵路貨車提供整體一站式服務，其總體架構如圖2所示。智能系統主要包括車載子系統、地面數據分析子系統及車地數據傳輸子系統3個部分。車載子系統負責信息采集和列車無線組網通信，地面數據分析子系統負責數據分析處理和人機接口，車地數據傳輸子系統負責車載子系統與地面數據分析子系統數據傳輸。圖3為貨車智能監測及預警系統軟硬件組成，圖中黑色字體代表硬件模塊，紅色字體代表軟件模塊。

圖2 貨車智能監測及預警系統總體架構

圖3 貨車智能監測及預警系統軟硬件組成

2.4.1 車載子系統

車載子系統安裝于車輛上，主要由車輛供電系統、車輛監測主機(簡稱“車輛主機”)及機車主機組成(圖4)，一個以上的車輛主機加上與其連接的無線局域網構成一個列車級監測主機(簡稱“列車級主機”)，一列車可由一個或若干個列車級主機構成。車載子系統實時采集被監測對象的狀態數據，全列集中顯示、報警，全程記錄數據，車載子系統的機車主機框架、列車級主機框架分別如圖5、圖6所示。

圖4 車載子系統總體組成框架

圖5 機車主機框架

圖6 列車級主機框架

車輛供電系統由軸端發電機、電源管理主機和蓄電池組成，為車載監測系統提供穩定可靠的供電。電源管理主機對發電機的供電輸出進行處理，并管理蓄電池充放電，實時監測電池電量和發電機功率。供電系統外置充電端子，方便在發/儲電不足時外接電源進行充電。

車輛主機包括車輛零部件狀態監測模塊(根據功能設置不同監測內容)、導航定位模塊、車輛間通信模塊、車地數據傳輸(GPRS)模塊、人機交互模塊、記錄儀、中央控制單元。根據地面配置，車輛主機可實現主控主機和普通主機兩種功能，普通主機功能是采集本節車輛狀態信息及設備信息，主控主機除和普通主機一樣的功能外，還發起整列車的車輛之間無線組網，并將所有普通主機監測信息匯總后通過車輛間無線通信方式將整列車監測信息發送給機車，供司機參考，同時利用GPRS通信系統方式將整列車的監測信息發送給地面子系統(地面數據分析系統)。

2.4.2 地面子系統

地面子系統主要是為各級貨運車站、列檢所、車輛段等安全行車、維護維修部門服務，提供實時、高效、穩定可靠的安全行車監測及預警。地面子系統是基于大數據技術，分析車載子系統記錄的數據，綜合評價車輛運用狀態，實施車輛故障預測和健康管理，提出維修管理建議的專家系統。地面子系統軟件框架如圖7所示，數據可以接入既有5T系統，或者接入編組站、運調中心、車站及95306網站等，可通過遠程數據服務器實時訪問列車運行狀態信息，并在獲得授權后進行列車運行狀態信息歷史數據下載。

圖7 地面子系統軟件框架結構圖(鐵路貨運局/站段信息系統)

2.4.3 車地數據傳輸子系統

車地數據傳輸子系統是車載子系統與地面子系統間數據傳輸的通信系統，采用GPRS公網系統進行實時通信。

2.4.4 系統外部數據接口

本系統采用開放式的軟硬件頂層架構，可實現與多個現有鐵路系統的數據遷移和共享，如DMIS、TMIS、HMIS系統和95306網站等,圖8為外部數據接口示意圖。

圖8 外部數據接口

2.5 智能系統結構功能邏輯層次

基于邏輯分層的管理思想，該智能系統根據基本數據在各階段的處理方式大致可以分為7種不同的功能層次(表1)[4]。智能系統采用頂層設計，依照不同邏輯層次設置不同的功能，低層次的功能作為高層次功能的基礎和依據。

表1 鐵路貨車智能在線監測與預警系統結構功能邏輯層次表

3 車載子系統在車輛上的安裝

由于車載子系統車輛狀態監測模塊涉及的車輛零部件數量多、種類繁雜、型號各異，且不同零部件監測內容不同，需根據被監測零部件的檢測內容、結構以及在車輛上的位置空間，在其周圍安裝不同類型的傳感器，以將監測信號傳輸至車輛主機上。車載子系統硬件裝置均采用集成化、小型化設計，除通信天線安裝至車輛車體頂部適當位置外，其余均可以安裝在貨車車體底架下端。

圖9所示為推薦的一種車載子系統在車輛上的安裝方式。

圖9 車載子系統在車輛上的安裝方式

4 智能系統實施的關鍵技術

(1) 車輛零部件性能監測技術。對影響車輛安全性、可靠性以及運行品質的零部件進行識別，并對影響程度進行評級，逐級進行零部件監測指標的分類、量化。選取不同類別的傳感器或音頻、視頻監視儀，在保證行車安全和系統正常運行前提下設計其安裝方式，確保獲得的數據具有及時性、準確性、適用性。

(2) 故障診斷預測技術。對采集數據進行處理需要在車輛整車和零部件的設計、制造、試驗、運用、故障、維修等海量數據的基礎上，綜合考慮車輛零部件的特性，選擇合理、適用的數據統計分析方法，利用專業的計算機軟件建立零部件影響車輛性能特征參數的模型，設置對零部件性能優劣判斷的依據(限度)值，進行零部件故障預測，評估零部件壽命期內剩余壽命，為零部件健康管理提供依據。

(3) 數據傳輸技術。實時數據傳輸需要進一步與地面子系統數據接口進行統籌規劃、統一標準。數據傳輸子系統與既有鐵路信息系統的兼容性、車輛在惡劣環境下通信方式及其可靠性急需進行技術上的進一步攻關和管理部門的統籌協調。

5 貨運裝備智能化技術展望

安全可靠、高效便捷、綠色環保和經濟適用是鐵路貨車發展趨勢，圍繞信息感知、網絡技術、數據傳輸、存儲記錄、智能分析和決策控制展現了貨運裝備智能化技術發展趨勢。貨運裝備智能化應結合我國鐵路運輸實際情況，大力實施“創新驅動發展”戰略，廣泛應用云計算、物聯網、大數據、人工智能、機器人、下一代通信、北斗衛星導航等新技術，圍繞貨物列車智能運輸、智能控制、智能監測、智能運維、智能制造等技術發展開展研究，推進貨運車輛智能技術在裝備全生命周期范圍內的應用創新，打造中國鐵路貨車4.0。

通過對鐵路移動裝備、固定基礎設施及相關內外部環境信息的全面感知、泛在互聯、融合處理和科學決策，高效綜合利用鐵路所有空間、時間和人力等資源，實現我國鐵路運輸全過程、全壽命周期的高度信息化、自動化、智能化，發展更加安全可靠、更加經濟高效、更加節能環保的智慧鐵路運輸系統，打造綠色、安全、高效的智慧貨運裝備，為滿足未來市場需求、支撐國家“創新驅動發展”戰略實施提供強有力的技術保障。