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第七章 无线传感器网络在货物列车运输监控中的应用

第一节 货物列车运行监控现状

铁路作为国家重要的基础设施、国民经济大动脉和大众化的交通工具,在现代物流体系中发挥着重要的作用。铁路物流是依托铁路的点、线集合,发挥基础设施和生产运营两个层面的网络经济特征,联结供给主体和需求主体,根据铁路资源配置和优化条件,将运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等功能有机结合,是物品从供应地向接受地实体流动的计划、实施与控制的过程。铁路运输的安全性极为重要。铁路物流和公路物流是我国目前最主要的两种物流方式。
  铁路车辆按用途可以分为客车和货车,车辆安全状态监测是列车运行安全保障体系的重要组成部分,及时报告车辆的安全状态有助于预防脱轨事件的发生,从而避免或减少因脱轨带来的损失。我国列车的检修体系是定期修,对于到检修期的车辆,无论其运行公里数多少、车辆运行状态如何、轴承状态如何,都进行检修。这种检修制度对于状态良好的车辆,检修期太短,造成人力、物力的浪费;对于状态不良车辆,检修期又太长,成为了运输中的安全隐患。
  国外铁路相继研究和开发了各类监测系统作为其安全可靠运行的基础,国内铁路也研究了有保障安全的“5T”系统以及在机车安装的列车运行安全监控记录装置等。
  6.1.1  国内铁路车辆运行安全监控体系
  国内铁路车辆运行安全监控体系简称“5T”系统,主要由五大系统构成:红外线轴温探测智能跟踪系统(Train Hotbox Detection System,THDS)、货车运行状态地面安全监测系统(Truck Performance Detection System or Train Position Detection System,TPDS)、货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统(Trackside Acoustic Detection System,TADS)、货车运行故障动态图像监测系统(Trouble of moving Freight car Detection System,TFDS)、客车运行安全监控系统(Train Coach running Diagnosis System,TCDS),以及与“5T”系统配套的铁路车号自动识别系统(Automatic Train-Identification System,ATIS)。
  (1)THDS
  THDS利用轨边红外线探头,对通过车辆每个轴承温度实时监测,并将监测信息实时上传到路局车辆运行安全监测中心,进行实时报警。通过配套的铁路车号自动识别系统,实现车次、车号跟踪及热轴货车车号的精确预报,重点探测车辆轴承温度,对热轴车辆进行跟踪报警,重点防范热切轴事故。
  (2)TPDS
  TPDS利用安装在铁路正线直线段上的轨边监测平台,动态监测轮轨间包括脱轨系数、减载率等动力学参数,实现对货车的运行状态分级评判。通过配套的铁路车号自动识别系统,实现车次、车号跟踪。重点防范货车脱轨事故,防范车轮踏面擦伤、剥离以及货物超载、偏载等行车安全隐患。
  (3)TADS
  TADS利用轨边噪声采集阵列,实时采集运动货车滚动轴承噪声,通过数据分析,及时发现货车轴承早期故障。通过配套的铁路车号自动识别系统,实现车次、车号跟踪。重点防范切轴事故,TADS使安全防范关口前移,对轴承故障进行早期预报。
  (4)TFDS
  TFDS采用高速连续数字照相技术、大容量图像数据实时处理技术和精确定位技术,利用轨边高速摄像头,对运行货车隐蔽故障和常见故障进行动态监测,及时发现货车运行故障,重点监测货车走行部、制动梁、悬吊件、枕簧、大部件、钩缓等安全关键部位。重点防范制动梁脱落事故,防范摇枕、侧架、钩缓大部件裂损、折断,防范枕簧丢失、窜出等危及行车安全的隐患。
  (5)TCDS
  TCDS通过车载监测装置对运行中客车的供电、空调、电源、车门、火灾、轴温、制动系统、转向架等关键部件进行实时监测、诊断和报警,并以无线方式实时传输到地面监测中心,保证地对车的状态监控、综合分析。重点防范客车热轴、火灾事故,防范走行部、制动部、供电、电器、空调故障。
  (6)ATIS
  ATIS是在所有机车、货车上安装电子标签;在所有区段站、编组站、大型货运站和分界站安置地面识别设备;对运行的列车及车辆信息进行准确识别;经计算机处理后为铁路管理信息系统等提供列车、车辆、集装箱实时追踪管理所需的准确的、实时的基础信息;为分界站货车的精确统计提供保证;为红外轴温探测系统提供车次、车号的准确信息;还可实现部、局、分局、车站各级现在车的实时管理、车流的精确统计和实时调整等,从而建立一个铁路列车车次,机车和货车号码、标志、属性和位置等信息的计算机自动报告采集系统。
  6.1.2  国外铁路安全监控系统
  当中国铁路加大行车安全的保障时,国外铁路也在用高科技为行车安全打造铠甲。国外的安全监控系统和设备向系统化、综合化发展,表现在两个层次上。在单项设备层次上,安全技术装备的功能不断扩展,并趋于横向融合,如热轴探测与制动装置探测的一体化等。在系统层次上,安全综合监控系统与运行控制、调度指挥、运营管理、维修养护、客货营销等不断融合,发展成为集安全监控、行车指挥、运营管理、服务等为一体的综合性系统。
  (1)日本新干线高速铁路调度系统
  日本新干线使用的计算机辅助行车控制系统(COMTRAC)包括运行图生成与变更、车辆与乘务员运用、列车运行控制、列车运行监视、旅客信息等运营治理功能以及电力调度、车辆运用治理、接触网、线路状态检查、灾难监测(地震、风冰、雨、雪、滑坡)等安全功能,是一个功能较为完备的复杂系统。
  综合运输管理系统(COSMOS)集行车控制、电力控制、车辆运用治理、运行图生成及变更、信息系统(灾难信息、旅客信息等)、维修作业治理、车站作业治理等功能于一体,将几乎所有与铁路运营有关的子系统都挂接在中心局域网上,使开放运营的铁路系统在信息传输上形成相对的闭环系统,是现代控制技术与计算机技术、网络技术的有机结合。
  (2)法国TGV高速线综合调度系统
  TGV高速线综合调度系统以调度集中为核心,依靠车—地之间可靠的通信将列车、沿线设备和控制中心联系起来。车载设备包括TVM300或TVM430机车信号制式、故障监测和诊断装置、车载局域网等。沿线分布了接触网、热轴、风、雨、雪、桥隧落物等各种监测设备。控制中心主要包括行车调度、电力调度和中心维护监督三部分,通过网络传递信息。
  (3)德国ICE高速铁路综合调度系统
  德国ICE高速列车通过LZB系统列车—地面间双向通信、险情报警信息系统(包括风、雪、塌方、热轴)、车载无线故障监视诊断系统与地面控制中心和维修中心构成集行车调度指挥、控制、故障监测、维护等功能于一体的系统。
  此外,欧洲主要国家铁路都已承诺采用欧洲铁路运输管理系统(ERTMS),该系统本身就是综合调度自动化系统,其核心为欧洲列车控制系统(ETCS)。
  6.2无线传感器网络在货物列车中的应用需求
  铁路物流企业在实现高度物流服务的过程中,需要建立完善的信息平台,对铁路物流的运输过程实现实时监控。在运输过程中,铁路可以充分利用调度信息管理系统对铁路现代化运输实行实时监控和调度,及时获取有关货物运输状态的信息。
  无线传感器网络在工业控制、交通监控、仓储物流、环境和建筑物监测、抢险救灾以及军事等多个方面有着广泛的应用前景。通常,符合以下条件就可以考虑采用无线传感器网络:
  1)设备成本低,传输的数据量小。
  2)设备体积小,电源受限,不便放置较大的充电电池或电源模块。
  3)需要较大范围的通信覆盖,多用于监测或控制。
  目前,客车已采用车载运行安全监控技术,但货车因其特殊性(车厢无电源、非固定编组)而主要采用地对车的地面安全监测方式。与车载方式相比,地面监测方式虽然有效、可靠,但存在时空局限,只能选点监测,无法对运行车辆实现全程监测。为了弥补地面监测方式的不足,货车必须配备车载监控系统。无线传感器网具有低功耗、低成本、分布式监测和不需固定网络支持等优点,因而非常适合于货车的车厢部署。
  货物列车监控系统必须具备以下特点:
  1)实现列车各个车厢的监控图像通过无线的方式传输到列车长和乘警办公室,集中监控。
  2)当列车车厢重新编组时,系统能自动重新建立,无需人员调整每节车厢的无线设备参数。
  3)列车行进中,系统能稳定工作。
  4)设备架设方便,不会对列车的行进安全造成影响。
  根据货车组成、运行及其环境特点,当车厢编组后可构成一个以机车为汇聚中心的、相对静止的自组织网络系统,一旦货车车厢重新编排时,无线传感器网络的自组织特性能够实现快速组网并进入工作状态。故无线传感器网络正好弥补了货车无法实现车载监测的缺点,使得研究车载式货物列车车辆运行状态无线监测系统成为可能。将无线传感器网络用于铁路车辆安全实时监测已成为业内人士关注的热点,国内外也开展了一些相关的理论与实用技术的研究。美国国交通部的FRA(Federal Railroad Administration)于2000年提出了On-boarding Condition Monitoring System,该系统通过调制解调器与互联网相连实现数据通信;瑞典Chalmers University of Technology给出了在线监测的系统设计方案TOMTE(Train Online Monitoring Trace Equipment),该方案只给出了系统的大体框架,并没有对此深入研究,也未投入使用;俄罗斯的State University of Nizhny Novgorod对在机车车头放置单个传感器节点来探测列车车厢脱轨进行了理论分析和实验,结果表明该方法可行但监测的距离有限;日本东日铁公司以及印度铁路公司也有类似的研究或计划。
  上述研究及其他已公布的文献资料中未利用无线传感器网络或未将无线传感器网络用于通信传输,或未考虑传感器不间断工作导致的能耗问题,尤其是未涉及对此类应用HRM-WSN系统的特点(如传输延时的需求),有关实用情况的报道也更少见。