铁路货运装备智能化技术应用

李 冬，胡小平,李 琰,林结良

(1.中车眉山车辆有限公司 产品开发部，四川 眉山 620010； 2.中国铁路成都局集团有限公司 眉山车辆监造项目部，四川 成都 610031)

当前新一轮科技革命和产业变革加速演进，数据驱动、人机协同、跨界融合、共创分享的智能经济形态开始显现，中国铁路业务模式、管理模式和组织模式将发生深刻变革。国际重载协会(IHHA)指出：未来世界重载技术将进一步向智能化、数字化方向发展。2017年国际重载大会首次提出了“国际重载4.0”理念，即搭建现代化数字网络平台，广泛应用传感器、大数据计算、信息通信、人工智能等技术，大幅提升货运技术装备智能化水平，提高运输效率和安全性。

目前我国各类铁路货车总保有量大约有89.67万辆[1]，确保货车运行安全可靠，并以最小维护维修成本发挥车辆寿命期内最大的经济效益，是铁路运维部门极具挑战性的问题。近年来，随着大数据分析、互联网、信息处理及传感等技术的快速发展，故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技术在航空工业、电子工业等领域得到广泛应用并取得了良好的效果[2]。基于PHM理论基础，利用现代先进的传感技术和互联网信息处理技术开展提高铁路货车智能化、信息化水平的研究，依靠先进科学技术来保证车辆运用安全性、可靠性，实现精准化 “状态修”，这是未来铁路货车发展的方向。本文将分析货运装备信息化、智能化发展的必要性，并阐述铁路货车智能监测与预警系统(以下简称智能系统)的基本设想、主要功能、总体架构以及系统组成。

1 铁路货物运输市场对智能化货运装备的影响

现代物流发展呈现物流体系综合化、物流管理智能化、物流资源社会化以及三流一体化四大趋势。铁路运输是现代物流中必不可少的一环，又是公认的资源节约型、环境友好型运输方式，在国民经济、国防、民生等建设方面发挥着极其重要的作用。以前铁路主要以运输煤炭、钢材等关系国计民生的大宗货物(黑货)为主，对运输车辆信息化的要求不高。然而，随着我国国民经济增速趋稳放缓，经济制度的调整带来经济结构发生改变，铁路在大宗物资运输上的优势正随着运输市场需求结构的变化而受到严重冲击，“黑货”运输需求骤减，货运市场面临挑战。如图1所示，2016年与2013年相比，铁路货运量总体下降17.7%，货物周转量下降20.8%[3]。

图1 中国铁路货运总量及总周转量统计图

现代物流市场倒逼铁路货运改革，信息化 智能化是货运改革的重要技术手段。随着我国货运市场需求结构的变化，以消费品为主的快捷货运需求存在巨大的潜在市场，因此铁路货运需转变观念，重新培育新的运输市场，以适应现代物流运输发展的需要。近年来，在“黑货”运输市场逐步萎缩的同时，电子商务兴起带动“零担白货”运输市场快速增长，这类货物多品种、小批量、多批次的特点对运输的快捷性、机动性、准确性、安全性方面提出了较高要求。因此，铁路货运应以“智能运输、精准运输、高效运输”为导向，运用传感器信息采集技术、网络技术、存储技术、信息技术、机器学习技术和自动控制技术，围绕装卸车、集疏运、列车线上运行等运输全过程，开展集疏运一体化、智能运输组织模式、精准化列车开行方案、货场智能管理等方面的智能化研究，发展更加安全可靠、经济高效、节能环保的智慧铁路运输系统。

“5G+互联网”技术的快速发展正在引领轨道交通迈入智能化发展新时代。互联网信息技术与经济社会各领域深度融合正有力地推动经济社会多种方式的改革创新,促进各行业数字化、智能化发展，构建万物互联的新时代。从“中国制造2025”到“中国智能制造‘十三五’规划”，铁路货运技术及其装备只有与互联网深度融合才能衍生崭新的自动化、智能化新技术，推动技术进步和组织变革，从而大幅提升创新力和生产力。基于高智能化“5G+互联网”的PHM技术必将使得铁路货车及运营的管理机制、生产方式、维护维修体系发生根本变化，智能化是未来铁路货车生产、运营、维修发展的必然趋势。

2 智能系统方案构想

2.1 铁路货车技术特征

铁路货车技术特征对智能系统的可行性及可靠性均提出了苛刻的要求。

(1) 运速快，安全性要求高，时速160 km以上的快捷货车需配备电子防滑器、轴温监测等监测设备；

(2) 无随车机械师和电气师，人控条件有限，因此对系统的安全性和可靠性要求高，对智能监测和远程实时预警有迫切需求；

(3) 货车运用条件灵活，需经常编组和解编，因此由机车供电困难，且现有货车均无车载供电装置，需解决货车自身发电问题；

(4) 铁路管理部门和客户有实时了解货车运行状态、地理位置等信息的需求；

(5) 货车配属于中国国家铁路集团有限公司，全国范围内跨局运行，运行管理、运维等部门接口多，对货车信息化有较大的挑战；

(6) 货车之间无通信电缆连接，对货车间的无线通信可靠性要求高；

(7) 货车运行地域跨度大，条件较为恶劣，对车载电子电气设备的可靠性要求高。

2.2 设计原则

分析梳理上述铁路货车技术特征确定了智能系统的设计原则。

(1) 高可靠性：确保7×24 h不间断运行，需考虑足够冗余与备份；

(2) 低功耗：开发和选用低功耗设备，延长系统续航时间；

(3) 结构紧凑：不改变现有车体结构，节省空间，易于安装、检修；

(4) 模块化、可扩展：预留扩展接口，根据需求添加防盗、制动、运行状态、烟火、车门及功能机构状态及运输介质温度等监测设备；

(5) 兼容性强：采用开放性的系统架构和数据接口，方便和DMIS、TMIS、HMIS和95306等现有铁路信息系统对接。

2.3 智能系统主要功能

(1) 自主发电、蓄电及智能用电管理。推广应用以信息化、数字化为基础的新技术需首先解决铁路货车车辆的电源问题。系统包含了一种轴端发电装置，利用车轮车轴的滚动进行发电，并配以一定容量的蓄电池。轴端发电装置供电和蓄电池储供电可进行智能化无缝转换，确保智能系统工作时不间断供电。

(2) 性能数据监测及预警。车辆在运行过程中关键零部件的技术状态直接影响车辆运行的安全性、可靠性和平稳性。零部件技术状态可通过温度、位移、速度、力、加速度等指标得以体现，故利用传感技术，在不同零部件上安装不同类型的传感器可监视零部件运用状态和检测零部件运行指标数据。同时，基于车辆运用维修大数据分析结果给技术指标设置一定限度，当超过限度值时，系统可及时预警。

(3) 防火防盗安全监控及预警。在车辆上安装声光传感器以及视频仪等设备进行烟雾、防火、防盗等监视、预警，实时监控车辆运行过程中车辆和运输货物的状况，当发生火灾、盗窃行为等异常情况时可及时报警。

(4) 导航定位、测速及授时。实现车辆的卫星定位、卫星导航、测速和授时，货主和管理部门可以利用电脑、手机等终端随时了解车辆及货物的运输过程状态。

(5) 系统设备工作状态监控。对系统自身硬件设备工作状态进行实时监视，并利用各级人机管理界面可随时观察设备是否处于正常工作状态，当设备发生故障或异常时，人机管理界面能及时显示设备异常信息。

(6) 机车通过车辆间无线通信实时监控所有车辆信息。ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术，可实现列车编组自动识别、无线自组网及网络修复。每辆车所有信息集成在车辆监视主机上，车辆与车辆之间、列车和机车之间通过ZigBee无线通信技术传输信息和数据。机车配备监测主机和声光报警，可实时查看整列车运行状态，并在无随车机械师和电气师的情况下指导司机采取应急措施。

(7) 车地无线通信实现地面实时监控所有车辆信息。列车数据通过卫星GPRS网络实时传输至地面信息处理中心，再通过互联网传输至各级控制、管理部门，车辆运维各级部门可通过地图和列表实时查看所有列车信息，包括车辆当前位置、运行状态等，出现异常情况时可做出准确、及时的处置。

(8) 车辆、机车、地面中心等多级用户设置监控软件和人机界面。车辆、机车以及地面各级运营、管理和维修部门可通过计算机软件进行人机对话，随时监测和调阅车辆的运行状态。

(9) 历史数据存储、查询、下载。系统支持在Wi-Fi等模式下进行历史数据的存储、查询和下载，便于对车辆状态进行进一步分析处理。

2.4 智能系统总体架构

智能系统全面覆盖货车运行安全、快捷检修和物流信息化等多方面业务，可为铁路货车提供整体一站式服务，其总体架构如图2所示。智能系统主要包括车载子系统、地面数据分析子系统及车地数据传输子系统3个部分。车载子系统负责信息采集和列车无线组网通信，地面数据分析子系统负责数据分析处理和人机接口，车地数据传输子系统负责车载子系统与地面数据分析子系统数据传输。图3为货车智能监测及预警系统软硬件组成，图中黑色字体代表硬件模块，红色字体代表软件模块。

图2 货车智能监测及预警系统总体架构

图3 货车智能监测及预警系统软硬件组成

2.4.1 车载子系统

车载子系统安装于车辆上，主要由车辆供电系统、车辆监测主机(简称“车辆主机”)及机车主机组成(图4)，一个以上的车辆主机加上与其连接的无线局域网构成一个列车级监测主机(简称“列车级主机”)，一列车可由一个或若干个列车级主机构成。车载子系统实时采集被监测对象的状态数据，全列集中显示、报警，全程记录数据，车载子系统的机车主机框架、列车级主机框架分别如图5、图6所示。

图4 车载子系统总体组成框架

图5 机车主机框架

图6 列车级主机框架

车辆供电系统由轴端发电机、电源管理主机和蓄电池组成，为车载监测系统提供稳定可靠的供电。电源管理主机对发电机的供电输出进行处理，并管理蓄电池充放电，实时监测电池电量和发电机功率。供电系统外置充电端子，方便在发/储电不足时外接电源进行充电。

车辆主机包括车辆零部件状态监测模块(根据功能设置不同监测内容)、导航定位模块、车辆间通信模块、车地数据传输(GPRS)模块、人机交互模块、记录仪、中央控制单元。根据地面配置，车辆主机可实现主控主机和普通主机两种功能，普通主机功能是采集本节车辆状态信息及设备信息，主控主机除和普通主机一样的功能外，还发起整列车的车辆之间无线组网，并将所有普通主机监测信息汇总后通过车辆间无线通信方式将整列车监测信息发送给机车，供司机参考，同时利用GPRS通信系统方式将整列车的监测信息发送给地面子系统(地面数据分析系统)。

2.4.2 地面子系统

地面子系统主要是为各级货运车站、列检所、车辆段等安全行车、维护维修部门服务，提供实时、高效、稳定可靠的安全行车监测及预警。地面子系统是基于大数据技术，分析车载子系统记录的数据，综合评价车辆运用状态，实施车辆故障预测和健康管理，提出维修管理建议的专家系统。地面子系统软件框架如图7所示，数据可以接入既有5T系统，或者接入编组站、运调中心、车站及95306网站等，可通过远程数据服务器实时访问列车运行状态信息，并在获得授权后进行列车运行状态信息历史数据下载。

图7 地面子系统软件框架结构图(铁路货运局/站段信息系统)

2.4.3 车地数据传输子系统

车地数据传输子系统是车载子系统与地面子系统间数据传输的通信系统，采用GPRS公网系统进行实时通信。

2.4.4 系统外部数据接口

本系统采用开放式的软硬件顶层架构，可实现与多个现有铁路系统的数据迁移和共享，如DMIS、TMIS、HMIS系统和95306网站等,图8为外部数据接口示意图。

图8 外部数据接口

2.5 智能系统结构功能逻辑层次

基于逻辑分层的管理思想，该智能系统根据基本数据在各阶段的处理方式大致可以分为7种不同的功能层次(表1)[4]。智能系统采用顶层设计，依照不同逻辑层次设置不同的功能，低层次的功能作为高层次功能的基础和依据。

表1 铁路货车智能在线监测与预警系统结构功能逻辑层次表

3 车载子系统在车辆上的安装

由于车载子系统车辆状态监测模块涉及的车辆零部件数量多、种类繁杂、型号各异，且不同零部件监测内容不同，需根据被监测零部件的检测内容、结构以及在车辆上的位置空间，在其周围安装不同类型的传感器，以将监测信号传输至车辆主机上。车载子系统硬件装置均采用集成化、小型化设计，除通信天线安装至车辆车体顶部适当位置外，其余均可以安装在货车车体底架下端。

图9所示为推荐的一种车载子系统在车辆上的安装方式。

图9 车载子系统在车辆上的安装方式

4 智能系统实施的关键技术

(1) 车辆零部件性能监测技术。对影响车辆安全性、可靠性以及运行品质的零部件进行识别，并对影响程度进行评级，逐级进行零部件监测指标的分类、量化。选取不同类别的传感器或音频、视频监视仪，在保证行车安全和系统正常运行前提下设计其安装方式，确保获得的数据具有及时性、准确性、适用性。

(2) 故障诊断预测技术。对采集数据进行处理需要在车辆整车和零部件的设计、制造、试验、运用、故障、维修等海量数据的基础上，综合考虑车辆零部件的特性，选择合理、适用的数据统计分析方法，利用专业的计算机软件建立零部件影响车辆性能特征参数的模型，设置对零部件性能优劣判断的依据(限度)值，进行零部件故障预测，评估零部件寿命期内剩余寿命，为零部件健康管理提供依据。

(3) 数据传输技术。实时数据传输需要进一步与地面子系统数据接口进行统筹规划、统一标准。数据传输子系统与既有铁路信息系统的兼容性、车辆在恶劣环境下通信方式及其可靠性急需进行技术上的进一步攻关和管理部门的统筹协调。

5 货运装备智能化技术展望

安全可靠、高效便捷、绿色环保和经济适用是铁路货车发展趋势，围绕信息感知、网络技术、数据传输、存储记录、智能分析和决策控制展现了货运装备智能化技术发展趋势。货运装备智能化应结合我国铁路运输实际情况，大力实施“创新驱动发展”战略，广泛应用云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人、下一代通信、北斗卫星导航等新技术，围绕货物列车智能运输、智能控制、智能监测、智能运维、智能制造等技术发展开展研究，推进货运车辆智能技术在装备全生命周期范围内的应用创新，打造中国铁路货车4.0。

通过对铁路移动装备、固定基础设施及相关内外部环境信息的全面感知、泛在互联、融合处理和科学决策，高效综合利用铁路所有空间、时间和人力等资源，实现我国铁路运输全过程、全寿命周期的高度信息化、自动化、智能化，发展更加安全可靠、更加经济高效、更加节能环保的智慧铁路运输系统，打造绿色、安全、高效的智慧货运装备，为满足未来市场需求、支撑国家“创新驱动发展”战略实施提供强有力的技术保障。