新型列车尾部制动管内压力检测装置的研究

谢美俊，邹联斌，邹富强，郑德清

(1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2.广州铁路集团长沙供电段，湖南 长沙 410007；3.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

列车主风管压力检测是铁路车辆行车组织中最重要的检测项目.《铁路技术管理规程》规定，运转车长接发列车必须检测尾部车辆的压力.列车管作为司机操纵列车制动停车的连接管道，它的畅通与否对列车的安全运行起着至关重要的作用，如果列车管折角塞门被非法关闭，就可能造成重大事故.近年来因列车管折角塞门被非法关闭而造成运行中的列车车辆失去部分乃至全部制动力的情况时有发生，这严重地威胁行车安全，特别是无守车列车的行车安全，而要检查列车风管是否畅通，就必须检查尾部风管内的气体压力[1].

国内外现有列车尾部的压力检测，取消了货物列车的守车，取而代之的是尾部加装了列尾检测装置.该装置的作用就是检测列车尾部的风压，并采用无线传输的方式将风压信息传递给机车，使司机能够及时准确地掌握列车尾部风压.当列车尾部风压因非正常泄漏低于门限时，自动报警；当车辆折角塞门被意外关闭时，司机可通过列车尾部装置进行排风辅助制动，以防止列车“放羊”事故.这一装置不仅保障了行车安全，还大大提高了行车效率[2].但这一设备价格昂贵，列尾风压数据采用450 MHz无线列调的传输通道进行传输，其信号传输的可靠性差，列车若在丘陵、山区或隧道中运行，无线信号将会很难传输，而在这些地方安装无线电中转设备又有相当大的难度[3].

上述这一方法仅用于货物列车，对普通旅客列车，还均采用人工操作、口头联系的办法来检查尾部风压值及其变化情况.

本文系统地介绍了新型便携式列车尾部检测装置的研制，通过采用最新的检测技术、无线传输技术以及故障诊断技术，开发了一种同时适合用于货物列车与普通旅客列车的列车尾部检测装置，使列车尾部压力检测的准确性和及时性进一步提高.

1 列尾检测装置的改进

目前已经投入使用的列尾检测装置有北京中铁公司生产的ZTF-2002型、北京世纪东方生产的WZWM800-1型、成都铁路科研所生产的CP-3型、广东三茂铁路股份有限公司生产的2C1-H(K)DS型等.这些列尾装置都是采用了计算机信息处理、无线遥控、数字编码、语言合成、精密压力传感器等新技术的高科技设备，为铁路运输的减员增效提供了重要的行车安全硬件设备.

但这些产品还存在以下主要问题：局管内列尾装置制式不统一，机车对主机输号与消号的作业方式不易统一规范；产品成本高，技术复杂；功耗大，需要经常更换电池；不能同时检测主列车风管是否贯通.最为重要的是，列尾装置在使用中存在传输盲区和屏蔽、干扰问题，信号传输质量与可靠性不能得到保障.目前,列尾装置主要采用无线列调的频率，传输信道依附于无线列调的传输方式，在一些繁忙的车站和编组站，由于列尾检测屏蔽效果差，列尾主机的双检时对站区的无线列调干扰大，直接影响车机联控.受站区地貌、山体及尾部车辆等原因的影响，当列尾主机与机车电台处于某一个相对点时，列尾主机发送的数传信号不能良好地送达机车电台.

电气化铁路是电波传输的限定空间，由于山体的阻隔和隧道壁的吸收与反射，高频无线电波能量传输损耗很大，形成许多弱电场区，通信距离受到限制.在实际应用测试中，在直线隧道内有车情况下通话距离仅为400 m左右，而一般货物列车实际长度均大于500 m以上．因此，400 MHz的机车电台与列尾电台在弯曲的山谷中、隧道内与隧道群中，不能直接传输，形成400 MHz列尾传输盲区.

本文研究的列尾检测装置，可以对列尾压力精确显示与实时传输，列尾压力低于门限值时自动报警，故障显示、实时采集并记录列尾压力变化，成为保证行车安全的“黑匣子”；实时检测列尾制动管内气体压力的变化，保证列车贯通；设计采用成本低，功耗小，受干扰小的Zigbee无线网络传输技术，并在前述基础上，有如下改进：

(1)列尾主机输入或消除机车号码时，均采取定压值以上不能进行输消号作业的方式，即列尾主机输入机车号码进入运用状态后，输入的机车号码被列尾主机自主锁定不能改变.这种方式有利于确保列尾主机的运用安全，防止在列车运行中因误操作(或其他原因)造成的主机丢号或误传号，消除安全隐患.

(2)采用Zigbee无线通信技术，其抗干扰力强，保密性好，误码率低；Zigbee收发模块使用的是2.4 G 直序扩频技术，比起一般FSK、 ASK和跳频的数传电台，具有更好的抗干扰能力和更低的功耗；Zigbee技术解决了干扰无线列调的问题，同时可以实现无线列调设备的统一，利于机务段内机车的统一调配使用和机车长交路的运用问题，既保证了接触网强干扰地区站内和平坦地区的接收，又保证了区间信号弱场区信号的传输，可以满足山区电气化铁路的要求.由于其传输速率低，发射功率仅为 1 MW，所以功耗很低；采用了休眠模式，Zigbee设备非常省电.据估算，在低耗电待机模式下，Zigbee设备仅靠两节五号电池就可以维持长达6个月至2年左右的使用时间；成本低，Zigbee数传模块的价格在15元左右，只有具有类似功能的数传电台的几分之一.现在,一个ZTF-2002列尾装置大概是1 100元，经过改进后的这种基于Zigbee装置将会降低一半的价格,设备的体积也会大大减小[4].

(3) 增加了列车主风管贯通测试的功能，可对列车主风管从头到尾是否完全畅通进行实时检测.为了防止偶然故障或人为破坏，尾部需要不断地测试风管的贯通性,发现异常可及时向前方机车乘务员报告.

2 新型列尾检测装置设计

2.1 无线传感器网络节点设计

传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等功能模块组成，如图1所示.数据采集单元负责采集监视区域的信息并完成数据转换，数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理单元选通用到的传感器[5].

图1 传感器节点组成框图Fig.1 Block diagram of sensor node

2.2 节点硬件设计

电路主要包括6个模块：LPC2138 MCU模块、MC13192无线射频模块、电源模块、UART串口模块、JTAG接口模块和数据采集I/O模块.LPC2138和MC13192通过SPI总线连接.LPC2138的SPI接口工作在主机模式，是数据传输的控制方；MC13192设为从机模式.LPC2138通过4线SPI接口对MC13192的内部寄存器进行读写操作，从而完成对MC13192的控制以及数据通信.

由传感器输出的模拟信号经过10位A/D变换输入到LPC2138中，LPC2138将传感器采集的信号经过处理后通过MC13192发射出去.对传感器的控制信号可以从MC13192的天线接收进来，通过SPI传送到LPC2138上，经过其判断处理后通过GPIO口传送到传感器上，以实现对传感器的控制.MC13192芯片指定的晶振频率为16 MHz，考虑到晶振对通信质量的影响，在制作PCB板时应将晶振的位置尽可能地靠近MC13192芯片的XTALl和XTAL2引脚.电源电路采用两种方式：一种是3.6 V干电池；另一种是纽扣电池，可以根据需要选用[6].

2.3 节点软件设计

按照硬件电路设计思路，软件采用模块化结构程序设计方式.软件模块包括数据发送模块、数据接收模块、UART串口模块、LPC2138与MC13192连接的SPI模块、中断服务模块.系统软件编程的基本思路是先对SPI端口、MC13192控制端口和LPC2138控制端口进行初始化；初始化MC13192芯片；开启接收机后，即可运行任务程序，实现接收或发送数据.这里给出LPC2138与MC13192之间的SPI通信读写程序框图，如图2和图3所示.发送和接收程序流程如图4和图5所示.

图2 SPI写函数程序框图 Fig.2 Flow chart to write functions

图3 SPI读函数程序框图Fig.3 Flow chart to read functions

图4 发送程序流程图Fig.4 Send program flow chart

图5 接收程序流程图Fig.5 Receiving process flow chart

3 结 论

新型便携式列车尾部检测装置通过采用最新的检测技术，基于Zigbee协议的无线传输技术及故障诊断技术，可使列车尾部压力检测的准确性和及时性得到大大提高，能为客货列车的安全运行提供重要的保障.根据铁道部2002年统计,全国铁路共有客车37 942辆，货车(不包括淘汰车)446 707辆.按照铁道部取消列尾守车的要求，若此产品性能卓越，能在全国铁路线推广使用，按照北京中铁公司生产的ZTF-2002列尾装置1 100元为标准，若价格能降低一半，80%列车安装此装置，则可以创造近亿元的产值，可见其经济效益将十分显著.

参考文献:

[1] 饶 忠，张开文.列车制动[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[2] 郭 刚，胡新华，王梦平.列车尾部的设计与研究[J].河南科学，2000，(3)：21-22.

[3] 何广雷,姚天平.目前我局列尾装置运用中存在问题探讨与建议[J].西铁科技,2006，(4)：17-20.

[4] 顾瑞红,张宏科.基于Zigbee 的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用，2005，(6)：45-47.

[5] 张的民.数据通信[M].北京：科学技术文献出版社，1997.

[6] 朱小杰，孙长燕，孙肖子.飞思卡尔Zigbee射频芯片MC13192的原理与应用[J].电子世界，2005，(10)：32-35.