铁路货车制动监测数据传输方案研究

2023-01-04王新平欧东方杨建平吴吉恒

铁道车辆 2022年6期

王新平，王蒙，欧东方，杨建平，吴吉恒

(1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100010；2.眉山中车制动科技股份有限公司，四川眉山 620010)

制动系统是列车安全运行的重要保障，制动系统故障将给列车的安全运行埋下严重的安全隐患。实时掌握制动系统的性能状态，及时发现并排除制动系统故障是保证列车运行安全的有效手段。近年来，智能监测在各行各业迅速发展，监测的关键技术除了数据的采集以外，就是数据的可靠传输。根据监测对象、监测群体数量、监测系统应用环境的不同，数据传输方案也有各自的特性[1]。由于铁路货车既无通信电缆，也无供电电缆等原因，运行线路存在隧道、桥梁等特殊运用环境，沿线网络建设困难、维护成本高等原因，目前，铁路货车制动还没有成熟的监测方案。基于铁路货车现状和当今的技术背景，本文介绍了一种铁路货车制动系统监测数据传输方案，通过一系列的网络稳定技术手段和低功耗传输技术，成功实现货物列车制动故障监测数据传输到应用终端，为铁路货车制动监测技术提供了一种思路和选择[2-3]。

1 研究目标

研究一种无线数据传输方案，在既有铁路货运环境下，将铁路货车制动系统车载监测数据稳定可靠地传送到应用终端。

2 方案介绍

为实现当空气制动系统出现故障时能找出故障发生的车辆、及时自动将制动故障信息传输到应用终端的目标，设计了数据采集→故障判断→数据传输→报警显示的工作流程。

2.1 数据传输方案选用

在通信技术领域，有多种数据传输方案供选用。如有线列车网络、每辆车都采用GPRS独立传输、无线自组网等。有线列车网络的优点是信号稳定，数据传输能力强。其缺点是每辆车必须有贯通的通信电缆，既有车辆的改造成本高，编组的列车中不能有断点，贯通的电缆出现断点，断点后部的车辆数据无法传输到服务器。如果每辆车都采用GPRS独立传输数据，从技术上来说是一个很好的解决方案，但使用成本较高。无线自组网方案既能解决数据传输问题，使用维护成本也比较低。综合考虑，最终选用无线自组网用于空气制动智能监测的数据传输方案。

2.2 监测系统总体构架

监测系统总体构架如图1所示。在列车的每辆车上安装有一个具有数据采集功能和网络连接功能的车载装置，列车编组计划完成后，将编组信息通过GPRS传送到监控仪，监控仪根据编组计划将对应的每一辆车的车载装置连接到一个指定的网络，形成一个特定的列车网络(自组网)，每个车载装置都是自组网的一个节点。

图1 监测系统总体构架

在每列车中选一辆车的节点作为监控仪，所有车辆节点的数据通过列车自组网集中到监控仪进行汇总，监控仪再将汇总后的数据通过GPRS信号传送到服务器。应用终端可以通过给定的账号经Internet查询服务器数据。

2.3 稳定网络方案介绍

在监测系统总体构架中，Internet、GPRS网络由运营商管理和维护，网络技术的应用已经很成熟。自组网是根据用户的特定应用场景进行个性化设计。为适应货物列车的运用环境，在该货物列车自组网的运用中，主要研究了网络节点分群组网方案、通信路径选优方案、网络自我修复方案等适应铁路货运环境的专有技术，各专有技术介绍如下。

2.3.1节点分群组网方案

由于铁路货车编组较长，朔黄铁路线运营的C80型车辆编组的万t列车，编组数量为108辆，2万t列车的编组数量为216辆。如果每个车载装置作为一个网络节点直接组网，各节点数据必须逐个逐级往监控仪传送，网络速度将会很慢甚至造成网络堵塞。为减轻自组网数据传送压力，采用了节点分群组网技术(图2)。为确保在铁路沿线各种复杂环境条件下，网关与相邻节点群内的每个节点都在稳定可靠的通信距离范围内，将全部节点以每3个分成一群，在每个群中选定一个节点作为网关，负责收集下一个群内所有节点的数据，并将收集到的数据以及本网关作为节点采集到的数据一起传输到上一网关，节点群内部的其他节点，仅仅需要将采集到的数据提交给上一群选定的网关，不对其他节点进行数据传递。这样，数据逐群往监控仪传送，大大降低了自组网的数据传送压力，避免列车自组网数据堵塞。

图2 节点分群组网示意图

2.3.2通信路径选优方案

在组网初始阶段，监控仪根据列车编组信息向各节点发送分群组网指令，各节点根据接收到的监控仪指令找到自己所在的节点群，并向监控仪反馈状态信息。监控仪再根据各节点的反馈信息，将各节点群最先反馈信息的节点选定为每个节点群的网关，达到自组网最优的数据传递能力。一旦被选为网关，网关的属性就相对固定，确保自组网的畅通与稳定。只有在网络中断或网关节点本身出现故障的情况下，才会重新选择网关。网关承担起下一级节点群内数据收集和与上一级节点群的网关进行数据传送的任务。

2.3.3网络自我修复方案

自组网在正常运行状态下，监控仪会定期向下一群发送检测信号，检测信号会逐级下传，一直传递到最后一个群的每一个节点。各节点会及时回复响应信号并逐级上报至监控仪。如果监控仪连续3次没有收到某一级群之后的节点的响应信号，即认为自组网意外中断。此时，监控仪会自动启动网络自我修复程序。监控仪会向无响应信号的节点群内每个节点发送呼唤信号，各节点收到呼唤信号后立即向监控仪发送响应信号。监控仪会将该节点群内最先回复响应信号的节点选为该群的新网关，替代原来的网关，恢复自组网的正常运行。原来的网关则自动恢复为群内普通节点的属性。

2.4 供电方案

为解决监测系统的供电问题，利用承载鞍的结构，在不改变既有车辆的承载鞍和车辆结构的前提下，将发电装置通过安装座固定在车轴轴端，将永磁铁制成转子并与安装座相连，将线圈制成定子并通过U型杆插入到承载鞍底部进行限位和固定(图3)。车辆运行时，通过桥接式安装座驱动转子进行旋转、发电。发出的电流经过智能电源管理模块进行整流和稳压给蓄电池充电，同时满足车载装置的用电需求，当车辆停止运行时，蓄电池自动为车载装置供电，并根据运用场景需要让车载监测系统唤醒或休眠，确保监测系统在需要工作的时候有足够的电源供应。

图3 轴端发电装置

2.5 节能方案介绍

铁路货车因无供电电缆，依靠车辆的运行过程自发电给车辆供电，电能的供给较小。故监测系统的数据传输方案采用了网络自动休眠、智能唤醒、电源节能管理等节能技术方案。

2.5.1自动休眠方案

根据铁路货车的运用以及监测系统总体构架特点，列车在运行过程中，一方面车载装置编入了自组网，另一方面列车管压力大于350 kPa。故利用自组网信息和列车管压力信息设计了自动休眠方案。车载装置只有在网并且监测到列车管压力大于350 kPa时，才处于工作状态，其他时间都处于休眠状态，大大降低了车载装置电能的消耗。

2.5.2智能唤醒方案

收到来自监控仪的组网信号或是列车管压力变化，且列车管压力高于350 kPa时，车载装置自动唤醒。智能唤醒与自动休眠配合，让车载装置大部分时间处于休眠状态，大幅度降低车载装置的电能消耗。

3 方案验证

为验证数据传输方案的稳定性和可靠性，进行了数据传输试验、列车定置试验和超过1年时间的装车运行试验。

3.1 数据传输试验

进行了大量的室内和线路静态测试，并开展了多次线路动态通信测试。静置测试在室内和线路测试了组网可靠性，在线路测试了车辆静态数据传输点对点的传输速率、传输距离以及通信可靠性等参数；在线路动态测试了系统网络的组网可靠性、环境适应性和有效传输距离等，结果表明，无线自组网通信点对点之间视距通信有效传输距离大于100 m，动态通信效果稳定可靠。

组网方案设计完成后，分别在试验室和线路上进行了试验验证。列车网络都能够按照架构设计，快速完成组网。

用厂区的SQ6型车(车辆长度约26 m)进行试验。测试不同距离的数据传输能力和数据完整性，结果显示单点通信可靠，无数据丢失。图4为传输距离试验。

图4 传输距离试验

在成昆线客货车、神朔线和朔黄线C80型货车进行网络动态测试(图5)，通信正常。

图5 网络动态试验

3.2 列车定置试验

在列车定置试验台上进行了模拟故障监测试验，模拟1万t货物列车制动系统，在每辆车制动系统上安装一套车载装置。在列车不同的编组位置模拟了自然制动、关门车、无制动、意外紧急、自然缓解等故障(图6)，将故障报警信息(图7)经自组网传送到监控仪，再由监控仪传送到服务器进行报警，报警信息与设置故障情况完全吻合[4]。