多重通訊重型貨車微功耗在線監測系統研究

文 / 丁源 王蒙 張俊林 李玉丹 王旭陽

引言

在貨運列車運行過程中，通常采用地面監測的方式對運行狀態進行檢測，而這種傳統的監測方式需要在軌道兩側建立大型的網聯設備，不僅成本較高，而且難以維修，更難以實現貨車運行狀態的實時監管。

重載貨車運行狀態在線監測系統功能以及組成原理

監測系統的主要功能

本文所研究的重型貨車運行狀態在線監測系統，通過工業物聯網、CPS（信息物理系統)、MEMS(微機電系統)、微功耗等先進技術的結合，能夠對貨車的運行狀態進行有效地識別與監視，及時發現問題。

鐵路貨車車載智能監測系統特點：

1.集成性高

系統采用智能電源管理策略，統一監控、管理各節點的功耗，使系統達到低功耗的目的，延長系統使用壽命。此外，系統采用低功耗設計思路的同時采用智能電源管理、智能睡眠等低功耗策略及硬件電路設計，保證集中電池組供電監測系統能在相當長時間內仍能完成正常工作。

2.功耗低

系統采用體積小、靈敏度高、低功耗的MEMS傳感器，便于設備無損安裝至車輛，保證監測數據可靠。

3.通信干擾性小

系統采用智能通訊技術能夠監聽周圍環境的通訊條件，并做出相應的通訊策略，盡可能保證數據傳輸通道暢通。智能監測系統將數據處理策略前置于終端設備，終端設備采集特征信息后，可就地進行運算，實現數據傳輸負載的輕量化，降低數據傳輸負載壓力、低時延。方案中傳感器采集各監測點狀態后通過CAN總線傳輸至網關，網關經專用4G網絡將監測數據發送至平臺。CAN總線通訊抗干擾能力強，通信速率高，安全可靠，大規模部署時可控性更好，通信效率更高，避免無線通信時信號碰撞、擁堵問題。

4.供電穩定

傳感器電源采用集中電池組供電，后期維護更方便，同時傳感器體積可減少70%以上，占用空間更小，安裝、維護方便快捷。

監測系統的總體設計

監測系統主要由智慧車輛節點傳感器，ISS車載信息站(車載網關)以及智慧車輛智能監測平臺組成。

節點傳感器：包括頂蓋監測傳感器、底門監測傳感器、列車管及制動缸壓力傳感器、鞲鞴行程傳感器、車體及轉向架振動傳感器等15個節點傳感器，各傳感器經前端計算后通過車載CAN總線局域網傳輸至車載網關。

ISS車載信息站（網關）：收集感知層傳感器數據、通過參數計算分析、數據耦合后將結果傳輸至云端。

智慧車輛智能監測平臺：負責車輛信息管理、車載設備管理、報警管理、用戶管理、數據統計與分析。

監測系統的組成原理

監測系統圍繞關鍵零部件狀態監測、故障預測等需求確定技術路線，采用工業物聯網、CPS、MEMS、微功耗等先進技術。

通過MEMS傳感器提取物理特征，進行前端邊緣運算、分析、就地存儲、將分析結果經CAN總線發送至車載信息站（車載網關）進行霧層運算，進行各節點的數據記錄、分析、決策、報警等任務。

ISS霧層運算的分析結果通過4G專網或RDSS北斗短報文上傳至云端服務器，同時通過北斗定位實時獲取車輛位置。智能監測平臺收集并對各個車輛頂蓋開閉、底門開閉、制動缸鞲鞴行程、制動缸壓力、列車管壓力、車體及轉向架等關鍵部件情況進行有效監控，可以提前發現故障并及時處理，保障裝卸車完畢后和車輛運行期間關鍵部件工作狀態正常，減少運輸事故和經濟損失。

車輛智能監測平臺遠程監測車輛狀態信息，具有報警管理、設備管理、用戶管理、統計分析等功能，實現智慧車輛遠程感知監測，保障智慧車輛高效、快速地運行。

重載貨車運行狀態在線監測系統應用

基于CAN總線的數據采集系統設計

基于CAN總線的數據采集系統主要流程如下：貨車在運行過程中，傳感器內數據采集模塊采集貨車上各監測點原始信號，所采集的信號通過信號調理電路，經過必要放大、濾波等處理后通過內部A/D轉換器轉為數字信號，并通過IIC串行總線與MCU進行通訊。MCU是傳感器進行前端數據處理系統的核心，最終將處理好后的數據通過CAN總線控制器轉換為符合CAN協議的數據形式，在CAN接口處發送至總線從而與總線上各節點進行數據交互。

基于數據節能的物聯網傳感器微功耗設計

對于數據節能的物聯網系統微功耗設計，關鍵的步驟為車載網關、微功耗傳感器的設計選型及能源管理策略研究開發。

1.車載網關

車載網關從不同的傳感器設備獲取數據并接入網絡協議轉換、將下層的標準格式的數據統一封裝后通過4G轉發至平臺，在4G信號不佳無法完成發送時可自動切換為北斗短報文通訊（衛星通訊）。

車載網關是傳感器網絡和上層平臺進行數據轉發與通訊的通道，主要完成數據處理、數據通訊、協議變換和管控、設備定位（北斗定位）的功能。從不同的傳感器設備獲取數據并接入網絡協議轉換、將下層的標準格式的數據統一封裝后通過4G或北斗短報文轉發至平臺。本設計采用的車載網關必須能通過專用網絡收發數據，能夠正確的接收到傳感器網絡向上傳輸的數據，并正確傳達監控系統向下發送的命令。

2.微功耗傳感器

本設計采用MEMS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、易于集成等特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。本設計所選用的MEM傳感器主要有頂蓋傳感器、車體及轉向架振動傳感器、鞲鞴及底門行程監測傳感器、列車管及制動缸壓力監測傳感器等。傳感器在硬件PCB電路優化及前端算法支持下，能源消耗進一步降低。其中微功耗壓力傳感器可以甚至實現電池供電條件下的實時在線監測，為后續車輛運維管理提供有效的數據支撐。

3.能源管理策略

本系統基于列車運行業務流程及列車自身運行機理，在滿足監測需求的前提下設計能源供給策略，并與前端算法有機結合。通過設計不同的喚醒機制及數據運算策略降低系統功耗，從而使系統在有限電池能源供給下運行更長時間。在能源管理策略及前端算法的支持下，傳感器可自主篩選數據，減少非必要數據的發送，網關可根據CAN總線活動狀態自主休眠、喚醒，保證數據通道暢通的同時降低功耗。

重載貨車運行狀態在線監測系統設計目標

底門、頂蓋監測目標

該部分的監測分為底門開閉及鞲鞴行程監測以及頂蓋開閉狀態監測。

1.底門監測目標

通過底門轉軸旋轉狀態監測傳感器監測煤炭漏斗車底門開啟、關閉狀態：行程傳感器獲取傳動軸轉動行程，通過參數對比判斷傳動軸是否已通過雙連桿機械機構死點位置反映底門開啟與閉合的狀態。

鞲鞴行程傳感器監測制動缸鞲鞴行程，反映制動系統的運行狀態：通過安裝在制動缸上的行程傳感器，監測制動缸制動、緩解是否正常，該部分與制動系統監測目標相互配合，通過鞲鞴行程來間接反映列車制動性能是否正常。

2.頂蓋監測目標

該部分主要監測頂蓋的開閉狀態。監測頂蓋在裝、卸煤時的開啟與閉合狀態進行監測，異常打開進行監測：通過在密合點安裝部署的TMR(隧道磁阻)傳感器對兩側頂蓋是否運行至閉合點收入槽的感知方式判斷頂蓋密貼狀態。

制動系統監測目標

目前，重載貨物列車制動過程中機車的鞲鞴行程過長的現象普遍存在，因此，制動系統的監測目標主要為鞲鞴行程，其與列車管壓力、制動缸壓力有直接聯系。

鞲鞴行程的變化主要受到制動缸壓力的影響，如下式所示：

其中，P為列車制動后制動缸的壓力；3.25是副風缸溶劑與制動缸容積的比值，在這里取3.25(以GK型制動缸為例，其鞲鞴行程為160mm，其他型制動缸為200mm)。r表示列車管的減壓量。

因此，通過智能監測平臺收集的制動缸鞲鞴行程、制動缸壓力數據信息就能夠判斷目前列車制動的狀態，具體而言，在車輛行駛過程中，監測空氣制動系統單車列車管及制動缸壓力值。采用安裝在列車管及制動缸處的氣體壓力傳感器采集相應內壓力數據，通過車載網關傳至智慧車輛綜合監測平臺，在車輛運行過程中，可以通過平臺監測掌握車輛空氣制動系統狀態。

車體及轉向架振動監測目標

列車在行駛過程中會產生三個方向的振動，分別是平行于列車行駛方向的振動，垂直于列車行駛方向的縱向振動，以及垂直于列車的垂向振動。通常，影響車輛運行平穩性較大的振動為橫向振動，因此利用加速度傳感器，能夠有效地對列車進行振動監測，對輪軌振動進行分析，為列車運行狀態分析提供有效數據支撐。

結語

本系統充分考慮了傳統貨運列車地面監測存在監測位置分散、數據不連續等問題，設計了體積小、靈敏度高、低功耗的車載智能監測系統，系統采用智能電源管理策略，統一監控、管理各節點的功耗，并根據工況與策略對節點進行能源分配，使系統達到低功耗的目的，延長系統使用壽命，更好的保證鐵路貨運的安全運行。