鐵路貨車制動監測數據傳輸方案研究

王新平，王 蒙， 歐東方，楊建平， 吳吉恒

(1.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100010；
2.眉山中車制動科技股份有限公司，四川 眉山 620010)

制動系統是列車安全運行的重要保障，制動系統故障將給列車的安全運行埋下嚴重的安全隱患。實時掌握制動系統的性能狀態，及時發現并排除制動系統故障是保證列車運行安全的有效手段。近年來，智能監測在各行各業迅速發展，監測的關鍵技術除了數據的采集以外，就是數據的可靠傳輸。根據監測對象、監測群體數量、監測系統應用環境的不同，數據傳輸方案也有各自的特性[1]。由于鐵路貨車既無通信電纜，也無供電電纜等原因，運行線路存在隧道、橋梁等特殊運用環境，沿線網絡建設困難、維護成本高等原因，目前，鐵路貨車制動還沒有成熟的監測方案?；阼F路貨車現狀和當今的技術背景，本文介紹了一種鐵路貨車制動系統監測數據傳輸方案，通過一系列的網絡穩定技術手段和低功耗傳輸技術，成功實現貨物列車制動故障監測數據傳輸到應用終端，為鐵路貨車制動監測技術提供了一種思路和選擇[2-3]。

研究一種無線數據傳輸方案，在既有鐵路貨運環境下，將鐵路貨車制動系統車載監測數據穩定可靠地傳送到應用終端。

為實現當空氣制動系統出現故障時能找出故障發生的車輛、及時自動將制動故障信息傳輸到應用終端的目標，設計了數據采集→故障判斷→數據傳輸→報警顯示的工作流程。

2.1 數據傳輸方案選用

在通信技術領域，有多種數據傳輸方案供選用。如有線列車網絡、每輛車都采用GPRS獨立傳輸、無線自組網等。有線列車網絡的優點是信號穩定，數據傳輸能力強。其缺點是每輛車必須有貫通的通信電纜，既有車輛的改造成本高，編組的列車中不能有斷點，貫通的電纜出現斷點，斷點后部的車輛數據無法傳輸到服務器。如果每輛車都采用GPRS獨立傳輸數據，從技術上來說是一個很好的解決方案，但使用成本較高。無線自組網方案既能解決數據傳輸問題，使用維護成本也比較低。綜合考慮，最終選用無線自組網用于空氣制動智能監測的數據傳輸方案。

2.2 監測系統總體構架

監測系統總體構架如圖1所示。在列車的每輛車上安裝有一個具有數據采集功能和網絡連接功能的車載裝置，列車編組計劃完成后，將編組信息通過GPRS傳送到監控儀，監控儀根據編組計劃將對應的每一輛車的車載裝置連接到一個指定的網絡，形成一個特定的列車網絡(自組網)，每個車載裝置都是自組網的一個節點。

圖1 監測系統總體構架

在每列車中選一輛車的節點作為監控儀，所有車輛節點的數據通過列車自組網集中到監控儀進行匯總，監控儀再將匯總后的數據通過GPRS信號傳送到服務器。應用終端可以通過給定的賬號經Internet查詢服務器數據。

2.3 穩定網絡方案介紹

在監測系統總體構架中，Internet、GPRS網絡由運營商管理和維護，網絡技術的應用已經很成熟。自組網是根據用戶的特定應用場景進行個性化設計。為適應貨物列車的運用環境，在該貨物列車自組網的運用中，主要研究了網絡節點分群組網方案、通信路徑選優方案、網絡自我修復方案等適應鐵路貨運環境的專有技術，各專有技術介紹如下。

2.3.1節點分群組網方案

由于鐵路貨車編組較長，朔黃鐵路線運營的C80型車輛編組的萬t列車，編組數量為108輛，2萬t列車的編組數量為216輛。如果每個車載裝置作為一個網絡節點直接組網，各節點數據必須逐個逐級往監控儀傳送，網絡速度將會很慢甚至造成網絡堵塞。為減輕自組網數據傳送壓力，采用了節點分群組網技術(圖2)。為確保在鐵路沿線各種復雜環境條件下，網關與相鄰節點群內的每個節點都在穩定可靠的通信距離范圍內，將全部節點以每3個分成一群，在每個群中選定一個節點作為網關，負責收集下一個群內所有節點的數據，并將收集到的數據以及本網關作為節點采集到的數據一起傳輸到上一網關，節點群內部的其他節點，僅僅需要將采集到的數據提交給上一群選定的網關，不對其他節點進行數據傳遞。這樣，數據逐群往監控儀傳送，大大降低了自組網的數據傳送壓力，避免列車自組網數據堵塞。

圖2 節點分群組網示意圖

2.3.2通信路徑選優方案

在組網初始階段，監控儀根據列車編組信息向各節點發送分群組網指令，各節點根據接收到的監控儀指令找到自己所在的節點群，并向監控儀反饋狀態信息。監控儀再根據各節點的反饋信息，將各節點群最先反饋信息的節點選定為每個節點群的網關，達到自組網最優的數據傳遞能力。一旦被選為網關，網關的屬性就相對固定，確保自組網的暢通與穩定。只有在網絡中斷或網關節點本身出現故障的情況下，才會重新選擇網關。網關承擔起下一級節點群內數據收集和與上一級節點群的網關進行數據傳送的任務。

2.3.3網絡自我修復方案

自組網在正常運行狀態下，監控儀會定期向下一群發送檢測信號，檢測信號會逐級下傳，一直傳遞到最后一個群的每一個節點。各節點會及時回復響應信號并逐級上報至監控儀。如果監控儀連續3次沒有收到某一級群之后的節點的響應信號，即認為自組網意外中斷。此時，監控儀會自動啟動網絡自我修復程序。監控儀會向無響應信號的節點群內每個節點發送呼喚信號，各節點收到呼喚信號后立即向監控儀發送響應信號。監控儀會將該節點群內最先回復響應信號的節點選為該群的新網關，替代原來的網關，恢復自組網的正常運行。原來的網關則自動恢復為群內普通節點的屬性。

2.4 供電方案

為解決監測系統的供電問題，利用承載鞍的結構，在不改變既有車輛的承載鞍和車輛結構的前提下，將發電裝置通過安裝座固定在車軸軸端，將永磁鐵制成轉子并與安裝座相連，將線圈制成定子并通過U型桿插入到承載鞍底部進行限位和固定(圖3)。車輛運行時，通過橋接式安裝座驅動轉子進行旋轉、發電。發出的電流經過智能電源管理模塊進行整流和穩壓給蓄電池充電，同時滿足車載裝置的用電需求，當車輛停止運行時，蓄電池自動為車載裝置供電，并根據運用場景需要讓車載監測系統喚醒或休眠，確保監測系統在需要工作的時候有足夠的電源供應。

圖3 軸端發電裝置

2.5 節能方案介紹

鐵路貨車因無供電電纜，依靠車輛的運行過程自發電給車輛供電，電能的供給較小。故監測系統的數據傳輸方案采用了網絡自動休眠、智能喚醒、電源節能管理等節能技術方案。

2.5.1自動休眠方案

根據鐵路貨車的運用以及監測系統總體構架特點，列車在運行過程中，一方面車載裝置編入了自組網，另一方面列車管壓力大于350 kPa。故利用自組網信息和列車管壓力信息設計了自動休眠方案。車載裝置只有在網并且監測到列車管壓力大于350 kPa時，才處于工作狀態，其他時間都處于休眠狀態，大大降低了車載裝置電能的消耗。

2.5.2智能喚醒方案

收到來自監控儀的組網信號或是列車管壓力變化，且列車管壓力高于350 kPa時，車載裝置自動喚醒。智能喚醒與自動休眠配合，讓車載裝置大部分時間處于休眠狀態，大幅度降低車載裝置的電能消耗。

為驗證數據傳輸方案的穩定性和可靠性，進行了數據傳輸試驗、列車定置試驗和超過1年時間的裝車運行試驗。

3.1 數據傳輸試驗

進行了大量的室內和線路靜態測試，并開展了多次線路動態通信測試。靜置測試在室內和線路測試了組網可靠性，在線路測試了車輛靜態數據傳輸點對點的傳輸速率、傳輸距離以及通信可靠性等參數；
在線路動態測試了系統網絡的組網可靠性、環境適應性和有效傳輸距離等，結果表明，無線自組網通信點對點之間視距通信有效傳輸距離大于100 m，動態通信效果穩定可靠。

組網方案設計完成后，分別在試驗室和線路上進行了試驗驗證。列車網絡都能夠按照架構設計，快速完成組網。

用廠區的SQ6型車(車輛長度約26 m)進行試驗。測試不同距離的數據傳輸能力和數據完整性，結果顯示單點通信可靠，無數據丟失。圖4為傳輸距離試驗。

圖4 傳輸距離試驗

在成昆線客貨車、神朔線和朔黃線C80型貨車進行網絡動態測試(圖5)，通信正常。

圖5 網絡動態試驗

3.2 列車定置試驗

在列車定置試驗臺上進行了模擬故障監測試驗，模擬1萬t貨物列車制動系統，在每輛車制動系統上安裝一套車載裝置。在列車不同的編組位置模擬了自然制動、關門車、無制動、意外緊急、自然緩解等故障(圖6)，將故障報警信息(圖7)經自組網傳送到監控儀，再由監控儀傳送到服務器進行報警，報警信息與設置故障情況完全吻合[4]。

圖6 模擬主閥故障緩解不良

圖7 相應的報警信息

3.3 裝車運行試驗

利用該數據傳輸方案研制了空氣制動智能監測系統，該監測系統于2020年6月在朔黃鐵路線的試驗列車上開始運行試驗。試驗列車列檢發現與空氣制動系統有關的故障，在監測系統應用終端都能查到相關的故障報警信息[5]。報警信息包括車輛編號、車輛在列車中的位置、故障名稱、故障發生時間等(圖8)。

圖8 關門車報警信息

鐵路貨車制動監測數據傳輸方案的系統構建采用了分群組網、通信路徑選優以及網絡自我修復等穩定網絡技術，并采用了自動休眠、智能喚醒、電源管理等節能技術，能適應鐵路貨物列車車載監測的運用環境。