盧宇星,夏惠興,華洪斌,王志軍,杜 冬
(1.神華鐵路裝備有限責(zé)任公司,北京 100089;2.江蘇江凌測(cè)控科技股份有限公司,江蘇無(wú)錫 214422)
在“公轉(zhuǎn)鐵”運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下,鐵路面臨更為艱巨的貨運(yùn)任務(wù)[1],大秦鐵路是中國(guó)境內(nèi)首條重載鐵路兼煤運(yùn)通道干線鐵路,它以中國(guó)鐵路1%的營(yíng)業(yè)里程完成全國(guó)鐵路20%、全國(guó)13%的煤炭運(yùn)量,對(duì)國(guó)內(nèi)五大發(fā)電集團(tuán)、各電廠、鋼鐵公司的發(fā)展,以及沿線多家大中型企業(yè)和上億居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大影響[2]。C80 型敞車是為適應(yīng)大秦線大載重、高頻率運(yùn)行以及秦皇島碼頭不摘鉤連續(xù)翻卸而設(shè)計(jì)的運(yùn)煤專用敞車[3],貨車轉(zhuǎn)向架作為鐵路貨車的走行部,是鐵路貨車最為重要和關(guān)鍵的部件之一,其健康狀態(tài)直接關(guān)乎鐵路貨車的運(yùn)行安全。當(dāng)前大秦鐵路貨運(yùn)采用的是“5T”安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),即紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)(THDS)、貨車運(yùn)行故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)(TFDS)、貨車滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)、貨車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)、車輛輪對(duì)故障、尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)(TWDS),在“5T”安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中當(dāng)車載安全監(jiān)測(cè)設(shè)備在監(jiān)測(cè)到車輛設(shè)備的異?;蚬收蠒r(shí),自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警實(shí)時(shí)發(fā)送機(jī)制,將此信息通過(guò) GPRS 實(shí)時(shí)發(fā)送出去,但GPRS 僅適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,且傳輸速率較慢[4]。
傳統(tǒng)的車地信息傳輸方式主要分為兩類,一類是點(diǎn)式傳遞方式,包括查詢應(yīng)答器和點(diǎn)式感應(yīng)環(huán)線;另一類是連續(xù)式傳遞信息方式,包括軌道電路、軌道電纜以及無(wú)線傳輸方式[5]。為保證鐵路安全,實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)控制,要求車-地之間進(jìn)行雙向、大量信息傳輸。文獻(xiàn)[6]提出基于無(wú)線通信的列控系統(tǒng)是中國(guó)鐵路的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[7]提出基于漏泄波導(dǎo)的無(wú)線通信方式,它可以實(shí)現(xiàn)車地雙向傳輸,傳輸頻帶寬、速率高、信息量大。但漏泄波導(dǎo)在受限空間的電波覆蓋性能方面需要提高[8]。
以現(xiàn)有“5T”系統(tǒng)已在鐵路軌道兩邊按一定的距離要求建設(shè)好的探測(cè)站為基礎(chǔ),在現(xiàn)有“5T”系統(tǒng)的探測(cè)站內(nèi)設(shè)置一個(gè)軌旁數(shù)據(jù)基站,該軌旁數(shù)據(jù)基站僅在探測(cè)站內(nèi)共用供電電源,不占用站內(nèi)和“5T”系統(tǒng)的其他資源,研究軌旁數(shù)據(jù)基站和車載無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件的多線程WSN 通信技術(shù),將貨車轉(zhuǎn)向架的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷結(jié)果通過(guò)“5T”網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),便于后臺(tái)操作人員監(jiān)控車輛狀態(tài),進(jìn)行車輛故障預(yù)警,并根據(jù)貨車健康狀態(tài)進(jìn)行視情維修,在故障剛有苗頭的早期階段發(fā)現(xiàn)并予以處理,有效預(yù)防重、特大事故的發(fā)生,同時(shí),還能減少檢修工作量、提高貨車車輛使用率。
美國(guó)FCC 對(duì)UWB 定義為:
式中,fH、fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率,fc為載波頻率或中心頻率,如圖1 所示。
圖1 超寬帶信號(hào)與窄帶信號(hào)的比較Fig.1 Comparison between ultra wide band signal and narrow band signal
UWB 技術(shù)最早出現(xiàn)在馬可尼的火花放電式的莫爾斯電報(bào)試驗(yàn)[9]。超寬帶無(wú)線電通信可以通過(guò)脈沖無(wú)線電方式實(shí)現(xiàn),它是采用沖擊脈沖作為信息載體的無(wú)線電技術(shù)[10]。UWB 采用高斯函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)函數(shù)作為發(fā)射脈沖波形,直接發(fā)射窄脈沖進(jìn)行通信,即直接將經(jīng)過(guò)頻譜成形之后的寬帶窄脈沖發(fā)射出去,信道上傳輸?shù)氖腔鶐盘?hào),脈沖UWB 信號(hào)波形如圖2 所示。所以,接收機(jī)不需要經(jīng)過(guò)逐級(jí)下變頻之后再進(jìn)行解調(diào),主要由一個(gè)相關(guān)檢測(cè)器構(gòu)成,其收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)也比傳統(tǒng)的收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖2 脈沖UWB信號(hào)的時(shí)域及頻域波形Fig.2 Waveforms of the time domain and frequency domain of pulse UWB signal
圖3 UWB收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of UWB transceiver
UWB 技術(shù)因其低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)而成為短距離無(wú)線通信的研究熱點(diǎn)。尤其在頻譜資源日益緊張的情況下,UWB 的頻譜共享特性使得它被廣泛利用。UWB 通信技術(shù)相較于傳統(tǒng)通信技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì),首先,UWB 的速率高、容量大,功耗低;其次,UWB 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、投入低[11]。
鐵路貨車車地信息傳輸系統(tǒng)包括車載無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件、軌旁數(shù)據(jù)基站和地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī),系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框如圖4 所示。
軌旁數(shù)據(jù)基站采用非3.5 GHz、5 GHz 頻段的無(wú)線通信方式和車載無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件組成UWB 通信網(wǎng)絡(luò),可最大程度的減小不同系統(tǒng)間的相互干擾隱患。軌旁數(shù)據(jù)基站具有多線程通信功能,當(dāng)檢測(cè)到鐵路貨運(yùn)車輛進(jìn)入U(xiǎn)WB 通信網(wǎng)絡(luò)通信范圍,自動(dòng)啟動(dòng)多線程UWB 通信,接收并緩存貨運(yùn)車輛的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),直到車輛完全離開(kāi)UWB 通信網(wǎng)絡(luò)通信范圍才結(jié)束UWB 通信。在每次接收數(shù)據(jù)完成后,軌旁數(shù)據(jù)基站通過(guò)“5T”網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕v段內(nèi)的地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī),由地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理與故障診斷,并根據(jù)診斷結(jié)果規(guī)劃下一個(gè)軌旁數(shù)據(jù)基站的數(shù)據(jù)接收任務(wù)。軌旁數(shù)據(jù)基站在完成車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收與傳輸后自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài),以最大程度節(jié)約電能消耗。
圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of overall system structure
1)車載無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件
無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感與監(jiān)測(cè)組件以一個(gè)轉(zhuǎn)向架作為監(jiān)測(cè)單位,該組件安裝在鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的一個(gè)車軸的軸端,利用微型測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量與無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感與監(jiān)測(cè)組件供電。本組件連接4 個(gè)能監(jiān)測(cè)振動(dòng)、沖擊和溫度信號(hào)的組合傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向架運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè),原始數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)組件中進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷處理,監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)UWB 通信網(wǎng)絡(luò)傳送到軌旁數(shù)據(jù)基站,并最終匯總于地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī)。無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感與監(jiān)測(cè)組件采用低功耗、模塊化設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。
圖5 無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the structure of wireless passive sensing and monitoring components
該組件中的CPU 模塊是無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感與監(jiān)測(cè)組件的核心,經(jīng)無(wú)線模塊將車載監(jiān)測(cè)與軌旁數(shù)據(jù)基站組成UWB 通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)診斷傳送單元,即UWB 發(fā)射模塊,UWB 發(fā)射模塊以單片超寬帶無(wú)線收發(fā)芯片DW1000 為核心設(shè)計(jì),它有數(shù)據(jù)發(fā)送功能。通過(guò)WSN 無(wú)線傳輸?shù)姆绞?,將該轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)信號(hào)傳輸至安裝在鐵路軌道旁的軌旁數(shù)據(jù)基站。
2)軌旁數(shù)據(jù)基站
軌旁數(shù)據(jù)基站具有數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)發(fā)送3 個(gè)功能,其基本結(jié)構(gòu)框如圖6 所示。
UWB 基站模塊以基于DW1000 芯片設(shè)計(jì)的超寬帶收發(fā)模組DWM1000 模塊為核心設(shè)計(jì)。DWM1000 模塊數(shù)據(jù)傳輸率有110 kbit/s,850 kbit/s,6.8 Mbit/s 3 種模式,支持從3.5 GHz到 6.5 GHz 的4 個(gè)射頻波段,通信距離在300 m,而且功耗低,可降低更換電池頻率、減少系統(tǒng)生命周期成本。
圖6 軌旁數(shù)據(jù)基站結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of the structure of trackside data base stations
軌旁數(shù)據(jù)基站通常處于低功耗待機(jī)狀態(tài),當(dāng)安裝有無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感與監(jiān)測(cè)組件的貨運(yùn)車輛進(jìn)入軌旁數(shù)據(jù)基站的UWB 通信網(wǎng)絡(luò)通信范圍內(nèi)時(shí),軌旁數(shù)據(jù)基站會(huì)自動(dòng)退出低功耗待機(jī)而進(jìn)入數(shù)據(jù)接收準(zhǔn)備狀態(tài);然后根據(jù)車輛段內(nèi)的地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī)的任務(wù)規(guī)劃啟動(dòng)多線程UWB 通信,接收并緩存當(dāng)前經(jīng)過(guò)軌旁數(shù)據(jù)基站的貨運(yùn)車輛的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),直到車輛完全離開(kāi)UWB 通信網(wǎng)絡(luò)通信范圍才結(jié)束UWB 通信;在每次接收數(shù)據(jù)完成后實(shí)時(shí)通過(guò)“5T”網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕v段內(nèi)的地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī)。
3)地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī)
系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有的5T 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站,特別是其中的“5T”網(wǎng)絡(luò),通過(guò)在車輛段內(nèi)增設(shè)地面監(jiān)測(cè)與診斷主機(jī)、維修部門增設(shè)智能運(yùn)維管理主機(jī),以實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)車輛的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)與智能運(yùn)維,地面監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7 所示。
地面監(jiān)測(cè)診斷服務(wù)器通過(guò)軌旁數(shù)據(jù)基站接收無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感與監(jiān)測(cè)組件發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和診斷結(jié)論,并保存在診斷主機(jī)上。運(yùn)行在診斷主機(jī)上的診斷軟件,對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理與故障診斷,并根據(jù)診斷結(jié)果規(guī)劃下一個(gè)軌旁數(shù)據(jù)基站的數(shù)據(jù)接收任務(wù)并發(fā)送控制指令。根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)向架、車輪、車軸等部件的振動(dòng)數(shù)據(jù)信息,分析振動(dòng)信息和車輛故障之間的映射規(guī)律,研究深層次關(guān)聯(lián)關(guān)系,建立振動(dòng)信息與車輛故障之間的分析診斷模型,并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的故障監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)收集的振動(dòng)、沖擊和溫度信息通過(guò)模型分析計(jì)算后,能夠得出故障預(yù)警、預(yù)報(bào)信息,分析后的數(shù)據(jù)結(jié)果可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)等展現(xiàn)形式予以直觀地展示,最終完成車地信息傳輸,保障鐵路貨車安全運(yùn)行。
圖7 地面監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)銯ig.7 Topology of the structure of ground monitoring and diagnosis system
本文采用低功耗自適應(yīng)集簇分層型(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH) 協(xié)議。LEACH 協(xié)議是一種WSN 通信協(xié)議,是M/T 的Heinzelinan 等人為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)分簇路由算法,在通信過(guò)程當(dāng)中,多采用一種簇頭選舉的策略來(lái)進(jìn)行傳輸[12]。LEACH 的基本思想是:周期性地循環(huán)隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)接收簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)給骨干節(jié)點(diǎn),從而將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載均衡分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上,以實(shí)現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、降低網(wǎng)絡(luò)能耗的目的[13]。LEACH 協(xié)議分為兩個(gè)階段:簇的建立;穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。一般來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于簇建立的時(shí)間,以達(dá)到減少成簇的消耗的目的。與一般的基于平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和靜態(tài)的基于多簇結(jié)構(gòu)的路由相比,LEACH 可以將網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間延長(zhǎng)15%,LEACH 協(xié)議算法有很多優(yōu)勢(shì)[14]。
LEACH 協(xié)議是一種層次型路由協(xié)議,簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)再簇頭節(jié)點(diǎn)分配時(shí)間內(nèi)傳輸給簇頭節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的所有數(shù)據(jù)融合后傳輸給基站,從而減少節(jié)點(diǎn)能耗。
LEACH 協(xié)議周期性的隨機(jī)選舉簇頭節(jié)點(diǎn),每隔一定時(shí)間后再重新選舉簇頭,把能量消耗平均分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上,從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
本文主要以20 輛C80 型敞車上的轉(zhuǎn)K6 轉(zhuǎn)向架為監(jiān)測(cè)對(duì)象,每輛車上安裝有兩組車載無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件,即共有40 個(gè)UWB 發(fā)射模塊節(jié)點(diǎn),在經(jīng)過(guò)不同軌旁數(shù)據(jù)基站時(shí),多個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的輪流被選擇為簇頭節(jié)點(diǎn),同時(shí)在每個(gè)軌旁數(shù)據(jù)基站中設(shè)置1 個(gè)UWB 基站模塊,接收簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)?,F(xiàn)有5T 系統(tǒng)的紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)(THDS)一般是每隔30 km 左右設(shè)置一個(gè)軌旁探測(cè)站,將本系統(tǒng)的軌旁數(shù)據(jù)基站安裝在既有的軌旁探測(cè)站內(nèi)。當(dāng)列車按照最高速度120 km/h 運(yùn)行時(shí),即每間隔15 min 經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)基站;當(dāng)列車按照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行要求最低速度20 km/h 運(yùn)行時(shí),則每間隔90 min 經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)基站。采用UWB通信方式的最大數(shù)據(jù)傳輸速率VMAX為6.8 Mbit/s,有效通信距離為軌旁數(shù)據(jù)基站前、后100 m;列車120 km/h 速度運(yùn)行時(shí)通過(guò)軌旁數(shù)據(jù)基站的有效通信距離的通信時(shí)間T通為30 s,20 km/h 速度運(yùn)行時(shí)通過(guò)軌旁數(shù)據(jù)基站的有效通信距離的通信時(shí)間T通為180 s。當(dāng)載有無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件的敞車進(jìn)入軌旁數(shù)據(jù)基站的UWB 網(wǎng)絡(luò)通信范圍內(nèi)時(shí),UWB 基站模塊就會(huì)接收并緩存UWB 發(fā)射模塊傳輸?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)向架振動(dòng)傳感與監(jiān)測(cè)組件按輪對(duì)每旋轉(zhuǎn)8 周同步采樣1 次轉(zhuǎn)向架上4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)(與列車運(yùn)行速度無(wú)關(guān)),在監(jiān)測(cè)組件內(nèi)進(jìn)行初級(jí)診斷形成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的簡(jiǎn)易檔案C1=4×16×8 bit 和精密檔案C2=4×2 048×8 bit,然后按采樣時(shí)間先后與間隔、振動(dòng)dB 值大小、有無(wú)故障、故障嚴(yán)重程度等替換原則始終保持每個(gè)測(cè)點(diǎn)有30 組簡(jiǎn)易檔案、精密檔案。按最大通信速率完全發(fā)送監(jiān)測(cè)組件內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的30 組簡(jiǎn)易檔案、精密檔案所需的時(shí)間是:
而且,通常情況系統(tǒng)只需讀取簡(jiǎn)易檔案,只有在存在故障預(yù)警時(shí)才需讀取精密檔案,因此,采用UWB 通信方式完全能可靠完整的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器。
保證鐵路車輛健康狀況良好、確保鐵路運(yùn)輸安全日益重要,而貨車轉(zhuǎn)向架是鐵路貨車最為重要部件之一,快速、完整地將其監(jiān)測(cè)與故障診斷結(jié)果傳輸至地面站具有重大意義。所以,本文以現(xiàn)有“5T”系統(tǒng)已在鐵路軌道兩邊建設(shè)好的探測(cè)站為基礎(chǔ),研究軌旁數(shù)據(jù)基站和車載無(wú)線無(wú)源傳感與監(jiān)測(cè)組件的多線程WSN 通信技術(shù)。采用UWB 通信技術(shù)開(kāi)展研究鐵路貨車車地信息傳輸技術(shù),UWB 發(fā)射模塊和UWB 基站模塊均以DWM1000 芯片為核心,采用LEACH 協(xié)議算法,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰壟曰荆M(jìn)而通過(guò)“5T”網(wǎng)絡(luò)匯總到地面監(jiān)測(cè)站。通過(guò)計(jì)算,在C80 型敞車的運(yùn)行速度范圍內(nèi),能夠可靠完整的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而且車地信息傳輸過(guò)程不影響列車正常行駛,同時(shí),數(shù)據(jù)傳輸具備實(shí)時(shí)性與完整性等特點(diǎn)。