客運列車智能上水系統的研究

張瑞林

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

客車上水系統的設計是鐵路給水站設計的一項重要內容。隨著鐵路快速發展，客車到站后的停車時間壓縮，運行距離加大，這對車站上水工作帶來很大壓力，也對上水作業的效率和安全提出更高的要求。

目前大多數車站上水作業時由人工將上水軟管接到客車水箱的注水口上，當開始溢流時，關閉上水栓閥門，拔下上水軟管，上水作業結束。當前作業模式存在以下幾個問題：設備自動化程度低，效率低，水資源浪費；信息化水平低，數據、狀態、告警無法記錄和遠程監控，更無法對作業情況進行追溯和分析；存在管理漏洞和安全風險，人員、設備及運輸安全面臨挑戰。因此，研發設計了一套智能上水設備，提高上水作業設備的智能化水平和管控能力的信息化水平，提升上水作業效率，保障作業安全。

1 客運列車智能上水系統

針對上述問題，研發了客運列車智能上水系統，主要由前端控制箱、自動脫管接頭、歸位監測裝置、手持遙控器、站臺指示燈、以及上水作業管理軟件組成，系統框架圖如圖1所示。

圖1 客運列車智能上水系統整體構架

系統主要可以實現以下功能：（1）可以監控每個水井的上水量，水壓，上水接頭姿態等關鍵數據，并將數據實時回傳。（2）自動檢測列車水箱是否水滿以及上水定時時間，檢測到水滿或者定時時間到，自動關閉電磁閥停止上水，避免水資源浪費，有效節約資源。（3）作業過程可遙控，上水作業完畢后可進行自動脫管的功能，降低了工作人員的工作量和工作強度，提高任務完成效率。（4）水管姿態傳感器判斷上水接頭狀態，并在應該脫離而并未正常脫離的情況下進行遙控器和后臺報警，及時通知車站管理人員和現場工作人員處理，避免車帶管跑的危害鐵路安全事件發生，保障鐵路運輸安全。（5）自動監測作業股道所有上水管是否全部歸位，現場作業人員、站臺客運員、車站管理人員多級聯控，杜絕危險事故的發生。（6）后臺上水作業管理軟件可集中監控整個車站的水井上水作業的全過程，具有權限管理、實時監控、報警處理、歷史查詢、設備管理、打印保存等便捷的人機交互功能。

2 硬件設計

客運列車上水系統硬件主要分為以下功能模塊：前端控制箱、歸位監測設備、手持遙控器、自動脫管接頭、站臺指示燈。

2.1 前端控制箱

前端控制箱內部主要包含前端控制電路板、電磁閥、壓力傳感器、渦輪流量計等模塊，如圖2 所示。控制電路板負責數據采集，以及和遙控器、后臺管理系統之間的無線通訊與命令控制等。電磁閥控制單元安裝于水管前部，相當于電控閥門，用于控制水流的通與斷。壓力傳感器單元可以檢測水管的水壓力，并且用于判斷列車水箱是否水滿。流量檢測單元可以檢測水管的流量，用于流量統計與控制。

圖2 前端控制箱結構示意

配合遙控器無線控制，實現遙控控制上水作業、采集上水數據、作業狀態、自動邏輯分析異常報警提示、水箱狀態水滿檢測、上水定時設定等功能。同時可以將上水作業的數據、狀態信息以及告警信息實時回傳服務器。

2.2 手持遙控器

手持遙控器主要有休眠模塊、按鍵單元、顯示屏、無線通信等模塊，內部框架如圖3所示。其中休眠模塊會在靜置一段時間或者主動按下關機按鍵，進入休眠狀態，降低功耗，最大化電量利用；按鍵單元可以切換控制水井的地址、調整對應水井的上水時間、發送上水、停止、復位等多個命令；顯示屏采用的是3 寸彩色顯示屏，可以顯示指定上水設備的流量、水壓、狀態、接收報警提示等信息；無線通信模塊采用的是LoRa通信，主要和前端電控部分通訊、發送控制指令、接收數據信息，覆蓋范圍大于1km。

圖3 手持遙控器

2.3 自動脫管接頭

自動脫管接頭主要包含的主要控制功能包含電機控制、姿態檢測、通訊模塊、MCU 等，機械結構依據《鐵道客車及動車組給水裝置》（TB/T 1720-2017）的注水口標準進行的設計。

自動脫管裝置MCU接收到脫管命令時，電機轉動，將推桿前頂，利用推桿與注水口之間的反作用力，將上水接頭脫離列車注水口。同時姿態傳感器實時檢測接頭姿態，一旦發生大幅度變化，可以判定脫管成功。相反，電機觸發限位后姿態還未發生明顯變化，表明脫管出現異常，會發送脫管故障報警信息，提示工作人員處理。自動脫管裝置如圖4所示。

圖4 自動脫管接頭裝置

2.4 歸位監測裝置

上水結束后，每套上水設備的上水管需按要求放回指定位置，歸位監測裝置自動檢測整條股道的所有上水設備是否全部歸位，以確保上水作業流程的安全完整，主要包括射燈、狀態燈、位置檢測、LoRa通信等功能模塊，如圖5所示。

圖5 歸位監測裝置

上水作業時射燈亮起，可提供輔助照明，上水作業完成水管歸位后，射燈熄滅，上水管超時未歸位，本地燈光閃爍告警。安裝在每個股道最兩端上水管歸位監測裝置才具有狀態指示燈，作業完成后監測本股道上所有水管是否全部歸位，方便作業人員上下股道時復核確認。帶有標簽的上水管進入讀卡區后，讀卡器進行數據讀取，確認歸位。歸位監測裝置將現場數據通過LoRa 無線網絡傳輸方式實時上傳服務器，實現對上水管是否歸位實時在線監測。

3 軟件開發

上水作業智能管理平臺采用的是C/S 框架，應用WinForm 技術開發。具有登錄功能、上水數據實時監控、作業狀態監測、水管歸位監測、異常故障告警、自動生成作業記錄、告警查詢、作業日志查詢、報表保存打印等功能，軟件功能設計圖如圖6 所示。實現便捷友好的用戶交互，提高客車上水作業信息化水平，保障車站對上水作業的全流程掌控，為管理人員進一步規范上水作業流程及設備管理工作提供科學依據。

圖6 上水作業管理軟件功能設計圖

4 結束語

客運列車智能上水系統有效提高了上水作業設備的智能化，提升了管控能力的信息化。從硬件設備改造、人員管理、安全聯動等多方面優化了現有的上水作業和上水管控方式。以柳州站作為試點，驗證了項目方案的可行性和經濟管理效益。利用技術創新和科學管理的雙層驅動，將科學技術和傳統人力相結合，提高鐵路上水作業效率、彌補容易出現的管理漏洞和安全風險、降低人員及設備安全隱患，提高鐵路運輸裝備科技含量，適應鐵路快速發展。