新型列車尾部制動管內(nèi)壓力檢測裝置的研究

謝美俊，鄒聯(lián)斌，鄒富強(qiáng)，鄭德清

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.廣州鐵路集團(tuán)長沙供電段，湖南 長沙 410007；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

列車主風(fēng)管壓力檢測是鐵路車輛行車組織中最重要的檢測項目.《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，運(yùn)轉(zhuǎn)車長接發(fā)列車必須檢測尾部車輛的壓力.列車管作為司機(jī)操縱列車制動停車的連接管道，它的暢通與否對列車的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，如果列車管折角塞門被非法關(guān)閉，就可能造成重大事故.近年來因列車管折角塞門被非法關(guān)閉而造成運(yùn)行中的列車車輛失去部分乃至全部制動力的情況時有發(fā)生，這嚴(yán)重地威脅行車安全，特別是無守車列車的行車安全，而要檢查列車風(fēng)管是否暢通，就必須檢查尾部風(fēng)管內(nèi)的氣體壓力[1].

國內(nèi)外現(xiàn)有列車尾部的壓力檢測，取消了貨物列車的守車，取而代之的是尾部加裝了列尾檢測裝置.該裝置的作用就是檢測列車尾部的風(fēng)壓，并采用無線傳輸?shù)姆绞綄L(fēng)壓信息傳遞給機(jī)車，使司機(jī)能夠及時準(zhǔn)確地掌握列車尾部風(fēng)壓.當(dāng)列車尾部風(fēng)壓因非正常泄漏低于門限時，自動報警；當(dāng)車輛折角塞門被意外關(guān)閉時，司機(jī)可通過列車尾部裝置進(jìn)行排風(fēng)輔助制動，以防止列車“放羊”事故.這一裝置不僅保障了行車安全，還大大提高了行車效率[2].但這一設(shè)備價格昂貴，列尾風(fēng)壓數(shù)據(jù)采用450 MHz無線列調(diào)的傳輸通道進(jìn)行傳輸，其信號傳輸?shù)目煽啃圆?，列車若在丘陵、山區(qū)或隧道中運(yùn)行，無線信號將會很難傳輸，而在這些地方安裝無線電中轉(zhuǎn)設(shè)備又有相當(dāng)大的難度[3].

上述這一方法僅用于貨物列車，對普通旅客列車，還均采用人工操作、口頭聯(lián)系的辦法來檢查尾部風(fēng)壓值及其變化情況.

本文系統(tǒng)地介紹了新型便攜式列車尾部檢測裝置的研制，通過采用最新的檢測技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及故障診斷技術(shù)，開發(fā)了一種同時適合用于貨物列車與普通旅客列車的列車尾部檢測裝置，使列車尾部壓力檢測的準(zhǔn)確性和及時性進(jìn)一步提高.

1 列尾檢測裝置的改進(jìn)

目前已經(jīng)投入使用的列尾檢測裝置有北京中鐵公司生產(chǎn)的ZTF-2002型、北京世紀(jì)東方生產(chǎn)的WZWM800-1型、成都鐵路科研所生產(chǎn)的CP-3型、廣東三茂鐵路股份有限公司生產(chǎn)的2C1-H(K)DS型等.這些列尾裝置都是采用了計算機(jī)信息處理、無線遙控、數(shù)字編碼、語言合成、精密壓力傳感器等新技術(shù)的高科技設(shè)備，為鐵路運(yùn)輸?shù)臏p員增效提供了重要的行車安全硬件設(shè)備.

但這些產(chǎn)品還存在以下主要問題：局管內(nèi)列尾裝置制式不統(tǒng)一，機(jī)車對主機(jī)輸號與消號的作業(yè)方式不易統(tǒng)一規(guī)范；產(chǎn)品成本高，技術(shù)復(fù)雜；功耗大，需要經(jīng)常更換電池；不能同時檢測主列車風(fēng)管是否貫通.最為重要的是，列尾裝置在使用中存在傳輸盲區(qū)和屏蔽、干擾問題，信號傳輸質(zhì)量與可靠性不能得到保障.目前,列尾裝置主要采用無線列調(diào)的頻率，傳輸信道依附于無線列調(diào)的傳輸方式，在一些繁忙的車站和編組站，由于列尾檢測屏蔽效果差，列尾主機(jī)的雙檢時對站區(qū)的無線列調(diào)干擾大，直接影響車機(jī)聯(lián)控.受站區(qū)地貌、山體及尾部車輛等原因的影響，當(dāng)列尾主機(jī)與機(jī)車電臺處于某一個相對點時，列尾主機(jī)發(fā)送的數(shù)傳信號不能良好地送達(dá)機(jī)車電臺.

電氣化鐵路是電波傳輸?shù)南薅臻g，由于山體的阻隔和隧道壁的吸收與反射，高頻無線電波能量傳輸損耗很大，形成許多弱電場區(qū)，通信距離受到限制.在實際應(yīng)用測試中，在直線隧道內(nèi)有車情況下通話距離僅為400 m左右，而一般貨物列車實際長度均大于500 m以上．因此，400 MHz的機(jī)車電臺與列尾電臺在彎曲的山谷中、隧道內(nèi)與隧道群中，不能直接傳輸，形成400 MHz列尾傳輸盲區(qū).

本文研究的列尾檢測裝置，可以對列尾壓力精確顯示與實時傳輸，列尾壓力低于門限值時自動報警，故障顯示、實時采集并記錄列尾壓力變化，成為保證行車安全的“黑匣子”；實時檢測列尾制動管內(nèi)氣體壓力的變化，保證列車貫通；設(shè)計采用成本低，功耗小，受干擾小的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，并在前述基礎(chǔ)上，有如下改進(jìn)：

(1)列尾主機(jī)輸入或消除機(jī)車號碼時，均采取定壓值以上不能進(jìn)行輸消號作業(yè)的方式，即列尾主機(jī)輸入機(jī)車號碼進(jìn)入運(yùn)用狀態(tài)后，輸入的機(jī)車號碼被列尾主機(jī)自主鎖定不能改變.這種方式有利于確保列尾主機(jī)的運(yùn)用安全，防止在列車運(yùn)行中因誤操作(或其他原因)造成的主機(jī)丟號或誤傳號，消除安全隱患.

(2)采用Zigbee無線通信技術(shù)，其抗干擾力強(qiáng)，保密性好，誤碼率低；Zigbee收發(fā)模塊使用的是2.4 G 直序擴(kuò)頻技術(shù)，比起一般FSK、 ASK和跳頻的數(shù)傳電臺，具有更好的抗干擾能力和更低的功耗；Zigbee技術(shù)解決了干擾無線列調(diào)的問題，同時可以實現(xiàn)無線列調(diào)設(shè)備的統(tǒng)一，利于機(jī)務(wù)段內(nèi)機(jī)車的統(tǒng)一調(diào)配使用和機(jī)車長交路的運(yùn)用問題，既保證了接觸網(wǎng)強(qiáng)干擾地區(qū)站內(nèi)和平坦地區(qū)的接收，又保證了區(qū)間信號弱場區(qū)信號的傳輸，可以滿足山區(qū)電氣化鐵路的要求.由于其傳輸速率低，發(fā)射功率僅為 1 MW，所以功耗很低；采用了休眠模式，Zigbee設(shè)備非常省電.據(jù)估算，在低耗電待機(jī)模式下，Zigbee設(shè)備僅靠兩節(jié)五號電池就可以維持長達(dá)6個月至2年左右的使用時間；成本低，Zigbee數(shù)傳模塊的價格在15元左右，只有具有類似功能的數(shù)傳電臺的幾分之一.現(xiàn)在,一個ZTF-2002列尾裝置大概是1 100元，經(jīng)過改進(jìn)后的這種基于Zigbee裝置將會降低一半的價格,設(shè)備的體積也會大大減小[4].

(3) 增加了列車主風(fēng)管貫通測試的功能，可對列車主風(fēng)管從頭到尾是否完全暢通進(jìn)行實時檢測.為了防止偶然故障或人為破壞，尾部需要不斷地測試風(fēng)管的貫通性,發(fā)現(xiàn)異常可及時向前方機(jī)車乘務(wù)員報告.

2 新型列尾檢測裝置設(shè)計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等功能模塊組成，如圖1所示.數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理單元選通用到的傳感器[5].

圖1 傳感器節(jié)點組成框圖Fig.1 Block diagram of sensor node

2.2 節(jié)點硬件設(shè)計

電路主要包括6個模塊：LPC2138 MCU模塊、MC13192無線射頻模塊、電源模塊、UART串口模塊、JTAG接口模塊和數(shù)據(jù)采集I/O模塊.LPC2138和MC13192通過SPI總線連接.LPC2138的SPI接口工作在主機(jī)模式，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?；MC13192設(shè)為從機(jī)模式.LPC2138通過4線SPI接口對MC13192的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成對MC13192的控制以及數(shù)據(jù)通信.

由傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過10位A/D變換輸入到LPC2138中，LPC2138將傳感器采集的信號經(jīng)過處理后通過MC13192發(fā)射出去.對傳感器的控制信號可以從MC13192的天線接收進(jìn)來，通過SPI傳送到LPC2138上，經(jīng)過其判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上，以實現(xiàn)對傳感器的控制.MC13192芯片指定的晶振頻率為16 MHz，考慮到晶振對通信質(zhì)量的影響，在制作PCB板時應(yīng)將晶振的位置盡可能地靠近MC13192芯片的XTALl和XTAL2引腳.電源電路采用兩種方式：一種是3.6 V干電池；另一種是紐扣電池，可以根據(jù)需要選用[6].

2.3 節(jié)點軟件設(shè)計

按照硬件電路設(shè)計思路，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計方式.軟件模塊包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、UART串口模塊、LPC2138與MC13192連接的SPI模塊、中斷服務(wù)模塊.系統(tǒng)軟件編程的基本思路是先對SPI端口、MC13192控制端口和LPC2138控制端口進(jìn)行初始化；初始化MC13192芯片；開啟接收機(jī)后，即可運(yùn)行任務(wù)程序，實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù).這里給出LPC2138與MC13192之間的SPI通信讀寫程序框圖，如圖2和圖3所示.發(fā)送和接收程序流程如圖4和圖5所示.

圖2 SPI寫函數(shù)程序框圖 Fig.2 Flow chart to write functions

圖3 SPI讀函數(shù)程序框圖Fig.3 Flow chart to read functions

圖4 發(fā)送程序流程圖Fig.4 Send program flow chart

圖5 接收程序流程圖Fig.5 Receiving process flow chart

3 結(jié) 論

新型便攜式列車尾部檢測裝置通過采用最新的檢測技術(shù)，基于Zigbee協(xié)議的無線傳輸技術(shù)及故障診斷技術(shù)，可使列車尾部壓力檢測的準(zhǔn)確性和及時性得到大大提高，能為客貨列車的安全運(yùn)行提供重要的保障.根據(jù)鐵道部2002年統(tǒng)計,全國鐵路共有客車37 942輛，貨車(不包括淘汰車)446 707輛.按照鐵道部取消列尾守車的要求，若此產(chǎn)品性能卓越，能在全國鐵路線推廣使用，按照北京中鐵公司生產(chǎn)的ZTF-2002列尾裝置1 100元為標(biāo)準(zhǔn)，若價格能降低一半，80%列車安裝此裝置，則可以創(chuàng)造近億元的產(chǎn)值，可見其經(jīng)濟(jì)效益將十分顯著.

參考文獻(xiàn):

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[4] 顧瑞紅,張宏科.基于Zigbee 的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005，(6)：45-47.

[5] 張的民.數(shù)據(jù)通信[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1997.

[6] 朱小杰，孫長燕，孫肖子.飛思卡爾Zigbee射頻芯片MC13192的原理與應(yīng)用[J].電子世界，2005，(10)：32-35.