面向現代物流的長鋼軌專用座架監測系統研究

劉飛，張義川，胡淦，何濤

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081)

0 引言

《國鐵集團關于加快鐵路現代物流體系建設的意見》中的《推進物流信息數智化改造工程實施方案》，指出推動專業管理數字化，實現裝卸管理、自備車管理、路用車管理、超限超重貨物運輸管理、抑塵防凍管理、裝載加固管理全鏈條數字化貫通。裝載加固器材作為實現貨物安全運輸的重要保證，與貨物裝卸、運行接送、交付等環節密切相關，是實現貨物全流程、全要素在線化、數字化和網聯化的重要載體之一。因此，利用傳感器技術、物聯網技術和大數據技術提升裝載加固器材的數字化、網聯化和智能化水平，同時建立基于物流信息數字化的倉儲、使用及回送管理模式，對于推進數字鐵路建設具有重要支撐作用[1-3]。

與貨車、集裝箱、集裝單元等鐵路貨物載運器具日新月異的發展相比，裝載加固器材以《鐵路貨物裝載加固規則》(鐵總運〔2015〕296號)附件5《常用裝載加固材料及裝置》為主，主要為一次性使用的鍍鋅鐵線、盤條、鐵絲繩緊固器，可循環使用的卷鋼座架、長鋼軌座架等[4-6]，在物流信息技術應用上，與鐵路貨運物流的數智化發展要求存在較大差距。以長鋼軌專用座架為例，使用次數、狀態等需要在發送環節進行人工記錄，無法實時跟蹤座架使用狀態和確認貨物加固狀態，缺乏有效的在線監控手段和物流管理信息系統。

1 監測系統構架

1.1 長鋼軌專用座架監測需求分析

長鋼軌專用座架主要在鋼廠及焊軌基地使用，專用座架使用流程如圖1所示。100 m長鋼軌采用專用座架從生產鋼廠運輸至焊軌基地[7]，焊接成500 m長鋼軌后運輸至工程局鋪軌基地。在座架使用周期內，包括運輸狀態和非運輸狀態。運輸狀態下，涉及專用座架空重2種狀態，即承載、非承載工況。非運輸狀態下，涉及專用座架庫存、安裝、拆除、維保等工況。

圖1 專用座架使用流程Fig.1 Use process of special supports

專用座架監測應能夠實時采集位置信息，同時應具備空、重、庫存、安裝等狀態識別功能，并向使用者提供座架預計到達時間，為物流計劃、庫存、維保等提供依據，實現實物流、信息流一體化管理，具體如下。

（1）實時位置信息，專用座架實時位置信息采集，靈活切換的衛星定位與基站定位雙定位模式，衛星定位應支持北斗、GPS等系統，并能遠程進行開啟與關閉。

（2）使用狀態信息，專用座架的空、重、庫存、安裝與拆除狀態信息化管理，其中空、重狀態應具備自判斷能力。

（3）數據傳輸能力，采用無線通信方式將專用座架實時位置信息和使用狀態信息傳輸至系統平臺，數據傳輸應滿足系統平臺通信協議要求。

（4）數據緩沖能力，能夠在通信不暢的情況下將相關信息緩存于設備內置存儲器中，當通信條件具備時設備能夠自動補傳數據。

（5）通信制式要求，支持2G/3G/4G通信，支持LTE FDD，LTE TDD，WCDMA HSPA+，TDSCDMA，GSM/GPRS/EDGE等滿足技術要求的制式。

（6）預報警能力，能夠判斷專用座架與車輛分離狀態，并自動報警提示。

（7）適應環境能力，數據采集模塊能在工作溫度-40℃~+80℃，濕度5%~95%條件下正常工作，防護等級不低于IP66。

（8）監測設備要求，電源使用時間不低于3年，加速度傳感器量程不小于4 g、抗沖擊能力不低于1 000 g。

1.2 長鋼軌專用座架監測系統總體框架

專用座架監測系統總體框架如圖2所示，系統采用分布式結構、集中部署，主要由監測查詢及管理應用(外部接入)、監測數據處理中心、前端監測數據采集服務、對外數據接口和監測設備等不同模塊組成。在監測設備模塊中，主要用于物理數據采集，包括專用座架實時位置、結構強度和加速度值等，需要根據專用座架的結構特點進行設計。基于集中式的監測數據處理中心，可用于客戶信息、訂單信息及專用座架狀態信息等數據的存儲及管理。其中專用座架位置及使用狀態數據采集，主要通過前端監測數據采集服務實現。依托集中式的監測數據處理中心，可通過Webservice或Restful等成熟的網絡傳輸接口[8]實現相關外部企業生產系統的信息共享交換，實現企業實物流、信息流一體化管理。

圖2 專用座架監測系統總體框架Fig.2 General framework of monitoring system for special supports

系統設置內部管理及外部服務模塊。通過數據處理，內部管理模塊可實現用戶及權限管理、監測設備管理、監測設備安裝及更換管理、庫存管理、訂單管理等功能，對內提供各種基礎信息登記查詢、實時監測和統計分析的內部管理服務。在外部服務模塊中，通過監測查詢及管理應用可向企業提供專用座架位置查詢、實時狀態查詢、報警通知等基礎查詢服務，通過對監測數據的挖掘分析，系統可提供專用座架分布、運到時限分析等服務。

1.3 長鋼軌專用座架監測系統功能設計

長鋼軌專用座架監測系統通過功能設計以實現數據采集管理、信息管理和設備運行狀態管理。其中信息管理模塊包括基礎信息管理、用戶管理、訂單管理、庫存管理、統計分析、安裝及更換管理、監控及告警管理、設備管理和接口管理9部分，設備運行狀態管理包括位置查詢服務、運到時限分析、報警通知和設備分布服務4部分。系統功能結構圖如圖3所示。

圖3 系統功能結構圖Fig.3 System function structure

數據采集管理包括數據校驗、數據解密、數據解析和數據入庫，在對遠程監測設備按照通信協議和加密規則發送的原始信息進行數據包的校驗和解密的基礎上，通過對原始數據中的數據體內容進行數據和位置解析，并將解析后的數據調用相關接口存入數據庫表單，系統可實現數據管理功能。

信息管理模塊中基礎信息管理能夠提供系統相關的通知公告的編輯、發布及刪除等功能，提供與系統相關的基礎字典數據和系統參數標準化統一維護與更新功能，以及平臺運行的基礎參數設置維護和個性化定義功能。用戶管理主要用于為各級用戶分類提供用戶創建、刪除、修改、查詢以及權限分配等用戶管理基本功能。訂單管理、庫存管理、安裝及更換管理、統計管理，主要用于專用座架的購置、倉儲、使用及報廢的全過程管理，提供下單、接單、簽收、入庫、出庫、安裝、更換和報廢等功能，并能對專用座架使用狀態進行統計分析，對專用座架使用時位置分布、是否處于滯留狀態、庫存狀態等進行分析計算。設備管理、監測及告警管理，主要用于向用戶提供對遠程監測設備的實時狀態監測情況，可實時顯示設備電量、位置、時間等狀態參量以及其他參量，向用戶顯示遠程監測設備的監測歷史履歷信息及報警事件，同時提供監測設備基礎信息維護、設備狀態監測、信息采集間隔參數及電池電量閾值設置等功能。接口管理主要用于與其他外部系統的接口管理，主要包括與社會物流企業生產系統接口、遠程監測設備廠家系統接口以及基站解析服務提供方接口。

設備運行狀態管理中設備分布服務可為客戶提供設備采購相關信息、設備制造相關信息、設備安裝相關信息、設備狀態相關信息、設備位置屬性、設備明細信息等。位置查詢服務能夠為客戶提供專用座架實時位置查詢服務，可根據設備編號等條件查看所在國家、省份、車站/區間等信息，并提供位置軌跡信息。運到時限分析能夠提供不同OD間的運輸完成時長分布、趨勢分析、最短時長分析、最長時長分析等服務，并可根據遠程監測設備采集的數據信息、地理基礎信息以及客戶提供的運輸發到相關信息進行異常滯留分析服務。報警通知主要針對專用座架使用過程中的異常拆除信息進行分析，為用戶提供自動報警通知服務。

2 系統監測設備模塊設計

2.1 監測設備模塊組成

在監測系統總體框架中，監測設備模塊主要用于專用座架位置及使用狀態數據采集，包括專用座架實時位置、結構強度和加速度值等，需要根據專用座架結構進行設計。監測設備模塊包括定位終端主機和監測傳感器2個部分，監測設備模塊組成圖如圖4所示。定位終端主機包括主控模塊、通信模塊、衛星定位模塊、藍牙通信模塊、計時模塊、外置FLASH存儲、可觸發式NFC、庫侖計、電源管理以及加速度傳感器、天線等部分。監測傳感器包括主控模塊、電源模塊、藍牙通信模塊、傳感器等組成。其中傳感器為壓力傳感器，能夠采集專用座架承載情況，判斷座架空、重狀態，并通過藍牙廣播模式對狀態信息進行廣播。定位終端主機定期掃描處于廣播狀態的監測傳感器，建立連接后定位終端主機獲取數據值，通過互聯網將獲取的數據傳輸至監測數據處理中心。

圖4 監測設備模塊組成圖Fig.4 Components of monitoring equipment

2.2 監測設備電源方案

由專用座架監測系統需求可知，監測設備使用時間不低于3年。同時考慮到需要有短時間大電流脈沖放電的能力，定位終端主機選擇常用于物聯網追蹤定位場景的容量型鋰亞硫酰氯電池配合電池電容器的供電方案[9-10]，采用2節ER26500(鋰亞硫酰氯電池)加1個SPC1550(電池電容器)，能夠適應-40℃~+85℃的溫度范圍，安全性能高、可靠性強。

統計實測結果表明，監測設備平均單周期耗電量低于3 mAh。以3 mAh計算，根據長鋼軌專用座架的使用頻次和經驗數據，座架按照動態6 h，靜態24 h定位一次，一年動靜比為1∶2情況下，平均一天定位次數為2次，因此可知終端年消耗容量C1如下。

其中ER26500電芯年自放電損耗約為1%，電池電容器SPC1550日自放電損耗約為0.24 mAh，終端年自放電消耗容量C2為電芯和電池電容器2部分自損耗之和。

電池使用時環境溫度、放電電流大小，電池散布系數Kd、可靠性系數Kg，以及存儲自放電容量C耗等，都會影響電池容量C。考慮上述影響因素，電池預計放電條件下有效容量為

式中：N為電池數量，取值為2；Kd為電池散布系數，取值為0.85；Kg為電池可靠性系數，取值為0.95。

自放電能耗計算如表1所示。

表1 自放電能耗計算表Tab.1 Self-discharge energy consumption calculation

該電源方案使用時長為5.6年，滿足專用座架監測系統監測設備使用時間不低于3年的要求，使用時長計算如表2所示。

表2 使用時長計算Tab.2 Calculation of service time

2.3 監測設備安裝方案

監測設備的定位終端主機和監測傳感器(從機)2個部分獨立安裝。其中定位終端主機安裝于專用座架底部適當空間內，保證主機頭部朝外能夠接受天線信號；監測傳感器安裝于不影響鋼軌裝載的隔梁內側，專用座架結構示意圖如圖5所示[5]。充分考慮到斜支撐底部結構的尺寸、管內部焊點情況以及采用的電池尺寸，監測設備主機的尺寸為長方體為主，尺寸根據不同座架型號而進一步確定。定位終端主機內部采用灌膠方式固定，外殼跟斜支撐結構膠接固定，監測傳感器采用焊接方式固定在隔梁內側，定位終端主機結構示意圖如圖6所示，監測傳感器結構示意圖如圖7所示。

圖5 專用座架結構示意圖Fig.5 Structure of special supports

圖6 定位終端主機結構示意圖Fig.6 Structure of position terminal host

圖7 監測傳感器結構示意圖Fig.7 Structure of monitoring sensor

3 結束語

長鋼軌專用座架監測系統作為一種實時監測座架使用狀態的解決方案，充分利用現代物流信息技術，同時通過壓力、加速度傳感器的使用，在實時采集位置信息的基礎上，使監測系統具備座架空、重、庫存、安裝等狀態識別功能，集實物流、信息流和安全管理于一身。專用座架監測系統是提高我國鐵路貨物裝載加固器材數字化、網聯化和智能化水平的有益探索，可為鐵路貨物裝載加固管理數字化提供技術支撐。