重載貨運列車超偏載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計及試驗分析

王 猛，張 揚

（中國鐵路濟南局集團有限公司計量所，山東濟南）

重載貨運列車容易出現(xiàn)超載、偏載情況，進而對列車行駛安全構成嚴重威脅，精確、動態(tài)監(jiān)測列車超偏載情況十分必要。目前常用的超偏載監(jiān)測方法有軌道衡法、壓力傳感器法以及鋼軌應變力檢測法等。隨著精密傳感器技術和現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術的成熟發(fā)展，傳感器在超偏載監(jiān)測領域得到了廣泛運用。相比于直接測量車輪壓力的方式，利用位移傳感器測量搖枕彈簧位移進而推導出車廂載重的方法，所得結果更加精確，對實現(xiàn)超偏載的準確識別、及時預警有良好效果，對保障重載貨運列車的行車安全有積極幫助。

1 超偏載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)的整體架構

本文設計的重載貨運列車超偏載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由位移傳感器、GSM 無線模塊、微處理器等構成。利用安裝在貨運列車車廂底部的智能位移傳感器，實時采集搖枕彈簧形變壓縮量，利用GSM 無線網(wǎng)絡將傳感器獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至車載上位監(jiān)控系統(tǒng)。通過微處理器進行數(shù)據(jù)的擬合分析，當分析結果顯示車廂超偏載時，立即進行超偏載報警。

1.2 硬件平臺設計

超偏載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分大體可分為前端數(shù)據(jù)采集模塊和車載上位監(jiān)控模塊兩大部分，如圖1 所示。

圖1 超偏載狀態(tài)監(jiān)測硬件平臺

車載上位監(jiān)控模塊的核心硬件設備為車載微處理器、GSM 無線通信模塊和液晶顯示模塊。鑒于重載貨運列車的運行環(huán)境惡劣，在選用車載微處理器時以小尺寸、低功耗、高穩(wěn)定為主要原則，使用了SCM/SDXu PC104 型微處理器，主頻20～140 MHz，內置40 M 的RAM，提供2 個通用串口和1 個PA/AT 鍵盤接口，可兼容以太網(wǎng)口，工作電壓3.3 V。選用TC35i 雙頻GSM 模塊，容量為1 024 M，內置64 M 的Flash存儲器。選用Sharp6.4 吋液晶顯示屏。電源方面，總電源選用一塊12 V 的蓄電池向系統(tǒng)供電，同時又設計了轉換電路降低蓄電池輸出電壓，以滿足不同電子元件的運行要求。例如，使用轉換電路將12 V 電壓降低為3.3 V 電壓，為微處理器供電；將12 V 電壓降低為5 V 電壓，為GSM 無線模塊供電；將12 V 電壓降低為9 V 電壓，為前端位移傳感器供電[1]。

1.3 軟件系統(tǒng)設計

超偏載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分可同時支持Linux、Windows 等主流操作系統(tǒng)，本文使用Windows CE 嵌入式系統(tǒng)進行軟件開發(fā)。根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，軟件部分大體可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫管理、人機交互和超偏載判別4 個模塊，如圖2 所示。

圖2 超偏載狀態(tài)監(jiān)測軟件結構

GSM 無線模塊將前端傳感器采集到的位移數(shù)據(jù)整理成短消息形式，然后發(fā)送給上位監(jiān)控系統(tǒng)。微處理器首先將彈簧位移數(shù)據(jù)轉換成車輛載重數(shù)據(jù)，然后將車輛載重數(shù)據(jù)帶入超偏載狀態(tài)判別公式，經(jīng)過計算后可以得出該車廂當前狀態(tài)，判定結果有3 類，分別是正常狀態(tài)、超載狀態(tài)、偏載狀態(tài)，判斷結果會同步顯示在液晶顯示屏上，管理人員可以直觀地了解整個重載貨運列車每節(jié)車廂的實時狀況。當某節(jié)車廂超偏載程度超過安全閾值后，進行報警。所有數(shù)據(jù)都會存儲到數(shù)據(jù)庫中并進行備份，管理人員可根據(jù)需要從數(shù)據(jù)庫中調用數(shù)據(jù)[2]。

1.4 數(shù)據(jù)庫設計

在重載貨運列車在運行過程中，位于車廂的位移傳感器會不間斷得采集數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)都會保存到數(shù)據(jù)庫中，因此對數(shù)據(jù)庫的存儲容量和數(shù)據(jù)存儲與讀取速率均提出了較高的要求。為此，本文在設計時選用了SQL Server CE 數(shù)據(jù)庫，并基于系統(tǒng)的運行需要設計了2 類數(shù)據(jù)表。一類是監(jiān)測信息表，負責存儲與車輛相關的靜態(tài)信息，如車輛識別號、車輛類型、車廂編號等；另一類是監(jiān)測數(shù)據(jù)表，負責存儲與車輛相關的動態(tài)信息，例如車廂的實際載重、監(jiān)測時間、超限報警等。這里以監(jiān)測信息表為例，數(shù)據(jù)表的結構如表1 所示。

表1 監(jiān)測信息

1.5 無線數(shù)傳模塊

本文設計的重載貨運列車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)，基于GSM 網(wǎng)絡實現(xiàn)無線通信，通信方式為GSM 短消息。從應用效果來看，比較穩(wěn)定的GSM 模塊有WM01 系列、GR 系列、TC35 系列等，本系統(tǒng)選用了西門子公司生產的TC35i 產品，可同時支持語音、短消息以及GRPS通信，與RS232、RS485 等接口的兼容性良好。開發(fā)人員可在ARM 板上啟用AT 命令，利用通信串口進行即時通信、收發(fā)短信，最快傳輸速率可以達到1.15×105bps/s。同時，TC35i 模塊還具有編程簡單、可擴展性強等特點，可以降低開發(fā)成本。前端位移傳感器將獲取的數(shù)據(jù)進行濾波、轉換等處理后，寫入到GSM 模塊中并暫時存儲[3]。當GSM 模塊接收到微處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取指令后，將暫存的數(shù)據(jù)以字符短消息的形式上傳給微處理器。短信息的發(fā)送流程如圖3 所示。

圖3 短信息收發(fā)流程

2 超偏載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的試驗分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)的采集

選擇一輛運輸煤炭的專用列車，對本文設計的超偏載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行實車試驗。測試段長度為11.8 km，每節(jié)車廂額定載重50 t，自重26.4 t，長度12.8 m，寬度3.2 m。使用專用的機械夾具將位移傳感器固定在車體前后轉向架搖枕彈簧附近，為了提高數(shù)據(jù)精度，每一節(jié)車廂底部的四個角上均安裝了1 個位移傳感器。利用信號放大器、濾波器、A/D 轉換器等對傳感器采集到的位移信號進行放大、濾波后，將位移數(shù)據(jù)轉換成對應的載重數(shù)據(jù)（如表2 所示），然后發(fā)送至最近的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點上，最后以短消息的方式發(fā)送給上位監(jiān)控系統(tǒng)[4]。在正式采集數(shù)據(jù)前，進行一段距離的試運行，經(jīng)檢查確定整套監(jiān)測系統(tǒng)能夠正常運行。

表2 彈簧位移與載重對應關系

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文使用經(jīng)驗模態(tài)分解法（EMD）和最小二乘法對位移傳感器實時獲取的車廂位移信號進行分解，并提取出靜載特征信號。將兩種方法提取出的特征信號做對比，判斷哪種方法的誤差更小。在提取到特征信號后，進行數(shù)據(jù)曲線擬合即可實現(xiàn)“位移-載重”的轉換。綜合車廂四個角搖枕彈簧的載重值，即可判斷當前車廂有無超載、偏載情況。在數(shù)據(jù)處理中曲線擬合是關鍵步驟，本文使用Labview 軟件自帶的數(shù)據(jù)分析函數(shù)庫進行數(shù)據(jù)信號分析與處理，并建立對應的數(shù)據(jù)擬合曲線[5]。以表2 數(shù)據(jù)作為處理對象，以X 軸代表彈簧位移，以Y 軸代表車廂載重。從Labview 軟件中運行擬合函數(shù)General，在彈出的窗口中依次輸入多組數(shù)據(jù)（Xi，Yi），點擊確定后即可得到數(shù)據(jù)擬合曲線，擬合曲線的多項式如下

式中：D 表示車廂的實際載重，單位為t；x 表示位移傳感器實測的搖枕彈簧壓縮量，單位為mm。

假設整車試驗中所用的若干個搖枕彈簧其彈性系數(shù)完全相同，并且重載貨運列車在正常行駛過程中未出現(xiàn)偏載情況，當車載重量為50 t 時，獲取位移傳感器輸出波形，并使用最小二乘法提取趨勢項。經(jīng)處理后可知，在不同時間序列下，電壓恒定為1 919 mV。

2.3 試驗結果與分析

在獲得了車廂的靜載位移信號與擬合曲線后，即可將位移數(shù)據(jù)轉換成載重數(shù)據(jù)。按照同樣的方法，分別使用EMD 分解法和最小二乘法獲取車廂載重。

由表3 數(shù)據(jù)可知，采用EMD 分解法求得的靜態(tài)平穩(wěn)值，無論是均值誤差還是最大誤差均明顯低于最小二乘法，波動較小，結果準確。分析其原因，使用最小二乘法進行靜載特征信號提取與轉換時，容易受到振動噪聲等外界干燥，導致實測值與理論值的偏差較大；相比之下，使用EMD 分解法則能夠消除車輛自身的振動干擾，因此實測值的波動范圍較小。由此可得，使用EMD 提取趨勢項計算得到的載重值更加接近于實際值。

表3 EMD 分解方法與最小二乘平穩(wěn)計算結果的比較

結束語

為滿足運輸需求，重載貨運列車的載重量越來越大，如何保證運輸安全、防止出現(xiàn)超偏載情況成為各方關注的焦點。利用智能位移傳感器實時獲取搖枕彈簧的位移數(shù)據(jù)，然后將其換算成載重數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對車廂載重的動態(tài)監(jiān)測，直觀、準確地判斷是否存在超載、偏載等情況。從實車試驗結果看，本文設計的超偏載監(jiān)測系統(tǒng)，車廂載重的測量值與真實值較為接近，能夠滿足超偏載監(jiān)測的精度要求，保證了預警的精確性，對保障重載貨運列車的安全行駛有積極幫助。