客運列車智能上水系統(tǒng)的研究

張瑞林

（中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

客車上水系統(tǒng)的設(shè)計是鐵路給水站設(shè)計的一項重要內(nèi)容。隨著鐵路快速發(fā)展，客車到站后的停車時間壓縮，運行距離加大，這對車站上水工作帶來很大壓力，也對上水作業(yè)的效率和安全提出更高的要求。

目前大多數(shù)車站上水作業(yè)時由人工將上水軟管接到客車水箱的注水口上，當(dāng)開始溢流時，關(guān)閉上水栓閥門，拔下上水軟管，上水作業(yè)結(jié)束。當(dāng)前作業(yè)模式存在以下幾個問題：設(shè)備自動化程度低，效率低，水資源浪費；信息化水平低，數(shù)據(jù)、狀態(tài)、告警無法記錄和遠(yuǎn)程監(jiān)控，更無法對作業(yè)情況進(jìn)行追溯和分析；存在管理漏洞和安全風(fēng)險，人員、設(shè)備及運輸安全面臨挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)設(shè)計了一套智能上水設(shè)備，提高上水作業(yè)設(shè)備的智能化水平和管控能力的信息化水平，提升上水作業(yè)效率，保障作業(yè)安全。

1 客運列車智能上水系統(tǒng)

針對上述問題，研發(fā)了客運列車智能上水系統(tǒng)，主要由前端控制箱、自動脫管接頭、歸位監(jiān)測裝置、手持遙控器、站臺指示燈、以及上水作業(yè)管理軟件組成，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 客運列車智能上水系統(tǒng)整體構(gòu)架

系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下功能：（1）可以監(jiān)控每個水井的上水量，水壓，上水接頭姿態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時回傳。（2）自動檢測列車水箱是否水滿以及上水定時時間，檢測到水滿或者定時時間到，自動關(guān)閉電磁閥停止上水，避免水資源浪費，有效節(jié)約資源。（3）作業(yè)過程可遙控，上水作業(yè)完畢后可進(jìn)行自動脫管的功能，降低了工作人員的工作量和工作強(qiáng)度，提高任務(wù)完成效率。（4）水管姿態(tài)傳感器判斷上水接頭狀態(tài)，并在應(yīng)該脫離而并未正常脫離的情況下進(jìn)行遙控器和后臺報警，及時通知車站管理人員和現(xiàn)場工作人員處理，避免車帶管跑的危害鐵路安全事件發(fā)生，保障鐵路運輸安全。（5）自動監(jiān)測作業(yè)股道所有上水管是否全部歸位，現(xiàn)場作業(yè)人員、站臺客運員、車站管理人員多級聯(lián)控，杜絕危險事故的發(fā)生。（6）后臺上水作業(yè)管理軟件可集中監(jiān)控整個車站的水井上水作業(yè)的全過程，具有權(quán)限管理、實時監(jiān)控、報警處理、歷史查詢、設(shè)備管理、打印保存等便捷的人機(jī)交互功能。

2 硬件設(shè)計

客運列車上水系統(tǒng)硬件主要分為以下功能模塊：前端控制箱、歸位監(jiān)測設(shè)備、手持遙控器、自動脫管接頭、站臺指示燈。

2.1 前端控制箱

前端控制箱內(nèi)部主要包含前端控制電路板、電磁閥、壓力傳感器、渦輪流量計等模塊，如圖2 所示?？刂齐娐钒遑?fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，以及和遙控器、后臺管理系統(tǒng)之間的無線通訊與命令控制等。電磁閥控制單元安裝于水管前部，相當(dāng)于電控閥門，用于控制水流的通與斷。壓力傳感器單元可以檢測水管的水壓力，并且用于判斷列車水箱是否水滿。流量檢測單元可以檢測水管的流量，用于流量統(tǒng)計與控制。

圖2 前端控制箱結(jié)構(gòu)示意

配合遙控器無線控制，實現(xiàn)遙控控制上水作業(yè)、采集上水?dāng)?shù)據(jù)、作業(yè)狀態(tài)、自動邏輯分析異常報警提示、水箱狀態(tài)水滿檢測、上水定時設(shè)定等功能。同時可以將上水作業(yè)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息以及告警信息實時回傳服務(wù)器。

2.2 手持遙控器

手持遙控器主要有休眠模塊、按鍵單元、顯示屏、無線通信等模塊，內(nèi)部框架如圖3所示。其中休眠模塊會在靜置一段時間或者主動按下關(guān)機(jī)按鍵，進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗，最大化電量利用；按鍵單元可以切換控制水井的地址、調(diào)整對應(yīng)水井的上水時間、發(fā)送上水、停止、復(fù)位等多個命令；顯示屏采用的是3 寸彩色顯示屏，可以顯示指定上水設(shè)備的流量、水壓、狀態(tài)、接收報警提示等信息；無線通信模塊采用的是LoRa通信，主要和前端電控部分通訊、發(fā)送控制指令、接收數(shù)據(jù)信息，覆蓋范圍大于1km。

圖3 手持遙控器

2.3 自動脫管接頭

自動脫管接頭主要包含的主要控制功能包含電機(jī)控制、姿態(tài)檢測、通訊模塊、MCU 等，機(jī)械結(jié)構(gòu)依據(jù)《鐵道客車及動車組給水裝置》（TB/T 1720-2017）的注水口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計。

自動脫管裝置MCU接收到脫管命令時，電機(jī)轉(zhuǎn)動，將推桿前頂，利用推桿與注水口之間的反作用力，將上水接頭脫離列車注水口。同時姿態(tài)傳感器實時檢測接頭姿態(tài)，一旦發(fā)生大幅度變化，可以判定脫管成功。相反，電機(jī)觸發(fā)限位后姿態(tài)還未發(fā)生明顯變化，表明脫管出現(xiàn)異常，會發(fā)送脫管故障報警信息，提示工作人員處理。自動脫管裝置如圖4所示。

圖4 自動脫管接頭裝置

2.4 歸位監(jiān)測裝置

上水結(jié)束后，每套上水設(shè)備的上水管需按要求放回指定位置，歸位監(jiān)測裝置自動檢測整條股道的所有上水設(shè)備是否全部歸位，以確保上水作業(yè)流程的安全完整，主要包括射燈、狀態(tài)燈、位置檢測、LoRa通信等功能模塊，如圖5所示。

圖5 歸位監(jiān)測裝置

上水作業(yè)時射燈亮起，可提供輔助照明，上水作業(yè)完成水管歸位后，射燈熄滅，上水管超時未歸位，本地?zé)艄忾W爍告警。安裝在每個股道最兩端上水管歸位監(jiān)測裝置才具有狀態(tài)指示燈，作業(yè)完成后監(jiān)測本股道上所有水管是否全部歸位，方便作業(yè)人員上下股道時復(fù)核確認(rèn)。帶有標(biāo)簽的上水管進(jìn)入讀卡區(qū)后，讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，確認(rèn)歸位。歸位監(jiān)測裝置將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式實時上傳服務(wù)器，實現(xiàn)對上水管是否歸位實時在線監(jiān)測。

3 軟件開發(fā)

上水作業(yè)智能管理平臺采用的是C/S 框架，應(yīng)用WinForm 技術(shù)開發(fā)。具有登錄功能、上水?dāng)?shù)據(jù)實時監(jiān)控、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測、水管歸位監(jiān)測、異常故障告警、自動生成作業(yè)記錄、告警查詢、作業(yè)日志查詢、報表保存打印等功能，軟件功能設(shè)計圖如圖6 所示。實現(xiàn)便捷友好的用戶交互，提高客車上水作業(yè)信息化水平，保障車站對上水作業(yè)的全流程掌控，為管理人員進(jìn)一步規(guī)范上水作業(yè)流程及設(shè)備管理工作提供科學(xué)依據(jù)。

圖6 上水作業(yè)管理軟件功能設(shè)計圖

4 結(jié)束語

客運列車智能上水系統(tǒng)有效提高了上水作業(yè)設(shè)備的智能化，提升了管控能力的信息化。從硬件設(shè)備改造、人員管理、安全聯(lián)動等多方面優(yōu)化了現(xiàn)有的上水作業(yè)和上水管控方式。以柳州站作為試點，驗證了項目方案的可行性和經(jīng)濟(jì)管理效益。利用技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)管理的雙層驅(qū)動，將科學(xué)技術(shù)和傳統(tǒng)人力相結(jié)合，提高鐵路上水作業(yè)效率、彌補(bǔ)容易出現(xiàn)的管理漏洞和安全風(fēng)險、降低人員及設(shè)備安全隱患，提高鐵路運輸裝備科技含量，適應(yīng)鐵路快速發(fā)展。