鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

馮樂樂

（國能鐵路裝備有限責(zé)任公司滄州機(jī)車車輛維修分公司，河北 滄州 061100）

鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測鐵路貨車偏載、超載和偏重狀況的重要設(shè)備，可以有效地解決鐵路貨車超偏載運行問題，保障鐵路貨車運行安全?，F(xiàn)有超偏載監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測效率低，監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確，極易造成鐵路貨車裝車過多或不足的問題，不僅影響鐵路貨車行車安全，還會對鐵路貨車運輸效益造成影響。因此，研究新型鐵路貨車超偏載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，快速、準(zhǔn)確監(jiān)測鐵路貨車超偏載狀況，對管理鐵路貨車有重要意義。

1 鐵路貨車超偏載監(jiān)測原理

1.1 鐵路貨車荷載分析

目前，大部分鐵路貨運列車采用“K”形轉(zhuǎn)向架，該類轉(zhuǎn)向架由2 個側(cè)架和1 個搖枕組成，貨車轉(zhuǎn)向架荷載傳遞為自上而下，傳遞路線為車體、上心盤、下心盤、搖枕、搖枕彈簧、彈簧承臺、側(cè)架、導(dǎo)框、承載鞍、軸承、輪對和鋼軌。根據(jù)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架荷載傳遞前后順序可知，在“K”形轉(zhuǎn)向架中，搖枕彈簧是支撐貨車載重和自重的重要部件，因此可以將貨車載重看作4 組承載彈簧剛度系數(shù)乘積和貨物裝載前后彈簧壓縮量間的差值[1]。

1.2 建立軌面坐標(biāo)系

為量化描述鐵路貨車裝載姿態(tài)，根據(jù)右手螺旋定則建立軌面坐標(biāo)系，如圖1 所示[2]。

圖1 軌面坐標(biāo)模型

在鐵路貨車底部安裝傳感器的過程中，需要注意以下問題：為保障貨車裝載安全性，傳感器安裝位置應(yīng)低于鐵路限界，并且傳感器不能與軌道接觸；傳感器應(yīng)垂直于鐵路貨車底面，與貨車轉(zhuǎn)向架彈簧所在直線位置應(yīng)與X軸平行。鐵路貨車搖枕彈簧與傳感器間的位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 搖枕彈簧與傳感器位置關(guān)系

1.3 鐵路貨車超偏載監(jiān)測流程

在初始狀態(tài)下，鐵路貨車傳感器位置分別為M1（x1，y1，z1）、M2（x2，y2，z2）、M3（x3，y3，z3）和M4（x4，y4，z4）。在鐵路貨車空載狀態(tài)下，將軌面與測點間的垂直距離作為原始數(shù)據(jù)，鐵路貨車裝載完成后，計算基準(zhǔn)平面與偏載平面間的夾角，并轉(zhuǎn)換搖枕彈簧與測點間的距離關(guān)系，獲得鐵路貨車彈簧變形量，根據(jù)彈簧變形量，可計算車輛超偏載狀況和輪重信息[3]。

由于傳感器與車輛底面為垂直狀態(tài)，因此傳感器測量值不是測量點與軌面間的垂直距離。在偏載狀態(tài)下鐵路貨車底面坐標(biāo)如公式（1）所示。

式中：a、b、c、d為平面方程系數(shù)。

傳感器經(jīng)過坐標(biāo)系3 點Mk（xk，yk，zk）（k=1，2，3）時，其平面如公式（2）所示。

將傳感器坐標(biāo)代入公式（1）可得公式（3）。

假設(shè)鐵路貨車加載后的平面公式為a1X+b1Y+c1Z+d1=0，基準(zhǔn)平面為a2X+b2Y+c2Z+d2=0，那么鐵路貨車加載狀態(tài)下，傳感器基準(zhǔn)坐標(biāo)與鐵路貨車底面平面傾角如公式（4）所示。

假設(shè)基準(zhǔn)平面與xOy平面平行，當(dāng)基準(zhǔn)平面Z=0 時，將其代入公式（4）可得公式（5）。

傳感器測量值z測與測量和軌面間的垂直距離如公式（6）所示。

在鐵路貨車偏載狀態(tài)下，4 個測點垂直坐標(biāo)分別為z1、z2、z3和z4。

根據(jù)公式（1）和公式（3）以公式（4）可計算傳感器測點與鐵路軌面距離和貨車空間姿態(tài)。當(dāng)鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)時，可以根據(jù)第四個測點z4測高度變量對3 點平面方程進(jìn)行驗證[4]。

1.4 鐵路貨車超偏載監(jiān)測方法優(yōu)化

由于監(jiān)測傳感器與搖枕彈簧的坐標(biāo)不同，因此利用傳感器測點坐標(biāo)和原始坐標(biāo)系間的差值反映鐵路貨車超偏載存在一定誤差。針對該問題，可以采用三角形相似原理，將傳感器測點位移量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向架彈簧位移量，進(jìn)而精準(zhǔn)測量貨車超偏載信息。傳感器測定坐標(biāo)與轉(zhuǎn)向架彈簧坐標(biāo)關(guān)系如圖3 所示。

圖3 傳感器與轉(zhuǎn)向架彈簧坐標(biāo)關(guān)系

根據(jù)三角形相似原理，計算如公式（7）所示。

式中：r為彈簧間距。

同理可得公式（8）。

根據(jù)鐵路貨車空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架彈簧高度，可計算彈簧形變量Δh1、Δh2、Δh3和Δh4。

根據(jù)上述鐵路貨車轉(zhuǎn)向架荷載傳遞順序可知，鐵路貨車車廂重為所有彈簧承載力的和，同時可以將其看作4 組彈簧壓縮量與剛度系數(shù)間的乘積，計算如公式（9）所示。

式中：F為承載力。

利用以上公式可以計算鐵路貨車轉(zhuǎn)向架荷載、輪重和車廂載重，然后根據(jù)以上參數(shù)間的關(guān)系，可得到鐵路貨車偏載和超載等信息[5]。

2 鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)鐵路貨車超偏載監(jiān)測原理，采用ZigBee 為工控通信設(shè)備，將ARM 處理器作為超偏載監(jiān)測系統(tǒng)嵌入式工控設(shè)備，將超聲波傳感器作為測量單元。最后配置可視化圖形界面，便于工作人員直觀、快速地獲取鐵路貨車狀態(tài)信息。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

超偏載硬件監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖4 所示，鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)由Cortex-A9 核心板、LCD 觸控屏、ZigBee 通信模塊和超聲波傳感器組成。

圖4 超偏載硬件監(jiān)測系統(tǒng)框架

為使工作人員快速直觀地獲取鐵路貨車超偏載信息，監(jiān)測系統(tǒng)采用ARM 核心板，并搭配LCD 觸控屏作為上位機(jī)，工作人員可以通過LCD 觸控屏控制傳感器啟停、通信和數(shù)據(jù)讀取等。此外，為降低監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜性，進(jìn)一步提高監(jiān)測系統(tǒng)便攜性和靈活性，選擇ZigBee 無線通信模塊作為無線傳輸設(shè)備；超聲波傳感器成本低、抗干擾能力強(qiáng)以及檢測結(jié)果準(zhǔn)確度較高，因此選擇超聲波傳感器作為測距設(shè)備[6]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為便于工作人員直觀、快速地獲取鐵路貨車超偏載信息，監(jiān)測利用嵌入式Linux 系統(tǒng)搭建上位機(jī)軟件，實現(xiàn)通信串口上傳、讀取數(shù)據(jù)以及人機(jī)界面交互等功能。

在監(jiān)測系統(tǒng)中，下位機(jī)接收設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳、指令下達(dá)等功能需要利用通信串口。該文采用第三方串口類QextSerialPort 開發(fā)與設(shè)計串口界面程序，QextSerialPort 為跨平臺串口類，串口讀寫操作簡便，根據(jù)串口信息，工作人員可以快速獲取鐵路貨車超偏載信息，進(jìn)而減少工作人員勞動量，降低勞動強(qiáng)度[7]。

由于鐵路站貨運鐵路線較多，因此每輛貨車超偏載狀況監(jiān)測完成后，工作人員需要及時向管理人員匯報。為保證數(shù)據(jù)傳輸及時性和可靠性，采用IP/TCP 協(xié)議搭建通信網(wǎng)絡(luò)，便于監(jiān)測人員及時與管理人員溝通，網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信流程

首先，由管理人員通信設(shè)備初始化套接字并綁定本地端口號，然后創(chuàng)建TCP 接口監(jiān)聽工作人員通信連接請求；其次，由檢測人員通信設(shè)備創(chuàng)建套接字，并向管理人員通信設(shè)備發(fā)送通信連接請求。最后，通信設(shè)備3 次握手后，兩臺通信設(shè)備通信連接建立完成，管理人員和監(jiān)測人員可以實時收發(fā)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信搭建完成后，檢測人員和管理人員須及時上傳監(jiān)測信息，以便鐵路站場資源的統(tǒng)籌管理。

簡單的現(xiàn)場通信功能無法滿足監(jiān)測系統(tǒng)多用戶使用需求，為進(jìn)一步提高鐵路貨運現(xiàn)場管理的開放性，建立多級用戶管理系統(tǒng)。通過采集貨運現(xiàn)場傳感器信息，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，對信息進(jìn)行統(tǒng)籌和存儲。此外，在服務(wù)器端和客戶端，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，為貨運客戶訪問貨物信息提供訪問途徑和接口。

3 鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果及效益預(yù)測

3.1 應(yīng)用效果

目前，鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)不僅適用于多種車型的運煤貨車，例如C80、C60 和C70 等，還可以增加監(jiān)測車型滿足不同貨運車型需求。采用超聲波檢測傳感器提高了監(jiān)測效率，有效地解決了鐵路貨車超偏載的問題，符合鐵路部門杜絕鐵路貨車嚴(yán)重超偏載的要求。通過對裝載情況進(jìn)行評估與分析，有效避免了超偏載貨車進(jìn)入鐵路干線，保障裝車安全。監(jiān)測準(zhǔn)確率大于99.6%，減少了識別誤差，為鐵路貨車提供技術(shù)保障。此外，統(tǒng)計鐵路貨車的裝載情況有利于站場運行管理，并且可以提高管理質(zhì)量和效率。采用超偏載監(jiān)測系統(tǒng)很大程度地提高了站場運營管理效率。管理人員可以及時獲取超載、偏載信息并采取措施，避免對所有車輛進(jìn)行全面監(jiān)測，從而提高了管理效率，縮短了停靠站場時間，降低了勞動強(qiáng)度和設(shè)備故障頻次[8]。

3.2 效益預(yù)測

鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)投入資金為81 萬元，在某鐵路運輸公司龍門吊區(qū)域已投入使用。使用該系統(tǒng)使貨車裝車效率和貨車周轉(zhuǎn)效率顯著提高，進(jìn)一步增加了銷售量。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每月可以額外增加20 列以上的鐵路貨車。以煤炭貨物為例，每月增加的煤炭運輸量約為14000t，每月可創(chuàng)造約140 萬元的效益，年度累計約1680 萬元。

應(yīng)用鐵路貨車超偏載系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測超偏載狀態(tài)，避免了需要額外處理超偏載情況的問題。不僅減少了設(shè)備使用頻次，還降低了維修成本和故障率，為鐵路運輸公司節(jié)省了大量成本，并推動了其可持續(xù)發(fā)展。

當(dāng)未使用鐵路貨車監(jiān)測系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)超載、偏載鐵路貨車會有高額處罰費用，在鐵路干線上發(fā)生超偏載安全事故會產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。使用鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測超偏載情況并及時處理，避免了經(jīng)濟(jì)損失和處罰，同時為鐵路貨車的安全運行提供了保障。

4 結(jié)語

針對鐵路貨車超偏載人工監(jiān)測效率低、工作量大的問題，該文提出一種鐵路貨車超偏載狀況動態(tài)監(jiān)測方法，將超聲波傳感器安裝在鐵路貨車底部，根據(jù)傳感器監(jiān)測值計算彈簧壓縮量，進(jìn)而獲取鐵路貨車輪重，判斷鐵路貨車是否有超載、偏載等情況，為鐵路貨車運行管理提供參考。

鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)由超聲波傳感器、ZigBee 通信設(shè)備、嵌入式工況設(shè)備和LCD 觸控屏組成，可以對貨車超偏載動態(tài)進(jìn)行無接觸式監(jiān)測。

該文設(shè)計的鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果和效益較好，可以進(jìn)一步提高鐵路站場、鐵路貨車管理效率和質(zhì)量，能為鐵路運輸公司帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。