基于无线传输的铁路列车噪声远程自动检测装置设计

2023-11-01赵鸿耀王晓玲

机械设计与研究 2023年5期

杨姝, 赵鸿耀, 王晓玲, 罗佳

(1.电子科技大学成都学院计算机学院,成都 611731,E-mail:18483626@qq.com; 2.西南交通大学唐山研究院,河北唐山 063000;3.四川大学锦江学院计算机学院,四川眉山 620860)

铁路运营过程中对环境影响最为显著的是列车噪声污染,它直接或间接地危及沿线居民的生理和心理健康,影响人们正常的工作和生活,成为不可忽视的环境问题。噪声是使人感到不愉快的声音的总称,通常用声级计测量声波的大小表示[1-3],声级单位是分贝(dB)。我国将噪声标准值分为5类,其中第四类噪声标准的等级最高为55 dB～70 dB,第4类标准适用于城市中的道路交通干线道路两侧区域,穿越城区的铁路主、次干线两侧区域的背景噪声。我国城市区域噪声等级规定,60 dB～65 dB为中度污染,大于65 dB为重度污染[4]。

铁路沿线列车噪声问题主要发生于列车通过曲线段时轮缘贴靠、轮轨界面滚滑接触等导致的摩擦啸叫,以及其他轨面不平顺等问题引发的滚动接触噪声[5-8]。轮轨界面摩擦啸叫产生噪声声压级可达到85 dB～110 dB[9-10],导致严重噪声污染,影响铁路沿线居民区的生活健康,特别是对地铁、城轨等运行于城市区间、多曲线特征的城市轨道交通,其噪声污染已成为当前一个亟需解决的技术难题[11]。然而,目前我国铁路沿线噪声测量以人工测量为主[12-13],测量人员需培训合格且持专业设备,在合适监测地点实施噪声监测,这使得测量即费时又费力,难以适应我国铁路快速发展的要求,因此实现铁路列车噪声的自动测量与监测是十分必要和急迫的。通过对列车噪声严重的曲线地段进行噪声全天候自动监测,可根据列车噪声发生规律与等级来制订降低列车噪声的调控技术方案,通过对后续效果的长期自动监测跟踪,可进一步建立控制铁路列车噪声的有效技术方法。

本文基于铁路列车噪声现场监测的自动化需求,研发设计了一种基于无线传输的铁路列车噪声远程自动自动检测装置,为列车噪声的全天候实时测自动监测提供了重要技术支撑。

1 装置设计与组成

为准确监测与评估噪声状态,设计了基于无线传输的铁路列车噪声远程自动自动检测装置,其装置的设计方案如图1所示。当列车通过时,红外限位开关将检测列车通过并启动检测装置工作,通过噪声传感器声压级测量,测量结果远程传输保存在云平台服务器的数据库供后续评估分析,该装置通过长时间自动检测存储噪声数据,可为铁路列车噪声研究提供数据保证,同时也可通过移动端实现检测数据的实时查看与分析。

图1 列车噪声远程自动自动检测装置设计方案

装置的主要组成包括:自动检测模块、噪声测量模块、无线传输模块等三个主要模块及天线、电源电路组成,其工作原理示意图如图2所示。装置所用的主控芯片采用的是STM32 F103C8T6处理器,相比于传统的STC单片机,该处理器处理速度较快而且性价比较高。装置工作采用直流12 V充电聚合物锂电池供电。

图2 检测装置原理图

2 模块设计原理与实现

自动检测装置主控制器采用低功耗的STM32F103C8T6芯片,cortex-M3架构,片内集成64 KB FLASH,20 KB SRAM,最高72 MHz的采样频率,两个12位数模转换器,正常工作电压2.0 V～3.6 V。主要负责将采集到的噪声数据进行处理,再将处理好的数据打包传输至4G DTU。

为实现列车通过时的自动监测功能,列车通过自动检测模块采用红外测距触发的方式判断列车通过,列车通过时触发红外限位开关,通过开关量采集电路,转化为单片机可识别的电信号,从而唤醒设备开始数据工作。已知一辆CR400BF-A型长编组“复兴号”以时速250 km/h运行通过定点所需时间约为6 s,故设置装置在触发后采集6 s后停止数据采集。根据红外测距开关设计了电路图,实现了列车通过自动检测信号的传输,所设计的自动检测模块电路如图3,主要由12 V直流电源供电,通过触发红外限位开关可实现装置的自动开启。检测选用红外限位开关型号为E18-D80NK,它是一种集发射与接收于一体的光电传感器,发射光经过调制后发出,接收头对反射光进行解调输出,从而有效避免了可见光的干扰。

图3 自动检测模块相关电路设计图

检测装置噪声测量模块通过噪声传感器(选用咪头测量噪声数据,相关技术参数见表1)将列车通过12位数模转换器以数字信号的形式传输至单片机,单片机以电压值形式读取该噪声值,随后单片机将该电压值进行量程转换便可获取实时的噪声数据。设计使用STM32F103C8T6芯片内部12位数模转换器,配置AD采集电路来实现数据的采集,其采集频率为20 Hz。单片机将采集的所有数据打包在一个数组中,并设计了数据处理程序过滤无效数据并获得噪声真实数据。装置工作过程中处理后的真实的噪声分贝值存储于单片机内部Flash中,可实现随时读写,设计中编写了数据处理程序过滤无效数据并获得噪声真实数据。

表1 噪声传感器技术参数

自动检测装置无线传输模块采用基于物联网的远程无线数据传输技术[14-15],编写并调试通讯模块控制主程序,使用4G DTU无线终端进行数据传输。工作时在红外限位模块判断列车通过后,采集装置中单片机将数据传输至4G DTU,然后DTU通过4G网络传输采用TCP协议将相关数据到云端平台进行数据保存。为实现数据的无线传输与保持,设计的无线传输模块电路设计如图4所示,通过4G DTU可进行数据的无线传输。

图4 无线传输模块电路设计图

无线数据传输模块工作原理为:单片机通过RS485接口将处理后的相关噪声数据采用Modbus协议将数据传输至4G DTU,DTU通过4G网络,与云端平台连接并将数据传输至云端平台。通过通讯模块和云端平台建立连接并实时传输相关数据,设备每采集一次噪声数据即会传输至云端平台,云端平台可以长时间保存噪声数据并制作相关数据报表。装置选用的4G DTU型号为USR-DR504,该DTU 5模13频、4G全网通,具有高速率、低时延、体积小、易安装等优点。该DTU插上相关的物联网卡或者电话卡即可满足4G通讯需求。数据采集结束后,单片机会打包将噪声数据发送至DTU,DTU采用TCP协议将数据发出,数据先传输至基站,再传输至云端平台。4G DTU部分技术参数如表2所示。

表2 4G DTU技术参数

自动检测装置使用的云端平台由云组态管理平台、云监测管理平台、物联卡管理平台三部分构成,通过主流物联网接入协议(MOTT)通讯,云端平台监控界面图如图5所示。云端平台通过组态采集软件解析并储存相关噪声数据,用户可通过智能手机或电脑登录云端平台随时随地的查看各时间段的噪声监测数据,并可在该平台下载噪声数据报表,可以设置噪声报警值,在数值超过预警值时,以短信或其他方法提醒用户。

图5 云端平台监控界面图

设计的自动检测装置基于单片机微功耗工作模式进行工作。当列车未到来时,装置处在待机状态,待机电流在0.01 mA量级;当列车通过时,该装置被唤醒开始工作,平均电流控制在100 mA以下,使用直流锂电池对装置进行供电,可实现长时间户外工作。

3 检测装置现场检测结果

为了保证装置户外工作时的安全性与稳定性,自动检测装置设计了防水防灰外壳实现保护功能,检测装置整体实物图如图6所示。将该自动检测装置放置于铁路旁边合适位置,将红外限位开关正对于钢轨上方约1.5 m位置,打开电源开关设备即可自动开始工作,当列车通过时设备即可唤醒采集相关数据并传输至云端平台;当列车完全通过后,设备自动休眠等待下一次列车通过时的唤醒,具体工作流程如图7所示。

图6 自动检测装置整体实物图

图7 检测装置工作主程序流程

图8给出了所设计自动检测装置的远端平台实时噪声监测结果。检测结果表明:所设计的装置能自动监测列车运行通过并实时记录噪声值,测量精度可达0.01 dB,与现有现场手动测量相比其精度相同,满足列车噪声测量的精度要求。现场试验结果表明该自动检测装置具有良好的工作状态和可靠性,实现了基于无线传输的铁路列车噪声全天候自动检测功能。