孟憲國

(國能鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100120)

隨著交通運(yùn)輸?shù)闹悄芑?，對車輛安全性能的要求越來越高[1]，需要更好地實(shí)時(shí)監(jiān)控車廂的各種工況狀態(tài)，確保維修部門能夠?qū)栴}車輛及時(shí)檢測和處置，以及對不良車輛進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和跟蹤等。貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)通過升級特殊貨車車輛內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，對車輛的檢測修程進(jìn)行預(yù)測，動(dòng)態(tài)監(jiān)測車輛的運(yùn)行[2]。特殊貨車車輛指2軸至3軸的壓力容器半掛車車廂，用于裝載易燃易爆液體或有毒化學(xué)品。貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)覆蓋車廂部分，即半掛車連接盤之后的車輛系統(tǒng)(不包含牽引車)，不包含車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和駕駛系統(tǒng)，但包含車輛底盤懸掛系統(tǒng)、輔助制動(dòng)系統(tǒng)、罐體溫度壓力保障系統(tǒng)等[3]。

貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)研究方向及創(chuàng)新點(diǎn)是為貨車特殊車輛修程預(yù)測計(jì)算需求構(gòu)建大數(shù)據(jù)模型，并研究其實(shí)現(xiàn)模式，特別研究貨車特殊車輛車廂大數(shù)據(jù)與牽引車大數(shù)據(jù)的對接模式[4]。該研究將打破以往車廂監(jiān)測系統(tǒng)與牽引車檢修系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)屏障，實(shí)現(xiàn)貨車狀態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)的集中管理。

1 貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)的基本構(gòu)成及數(shù)據(jù)來源

特殊車輛車廂系統(tǒng)由2個(gè)主要子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為車板系統(tǒng)和罐體系統(tǒng)，其中車板系統(tǒng)控制車板結(jié)構(gòu)，包含懸掛、制動(dòng)、牽引連接、信號燈等子系統(tǒng)；罐體系統(tǒng)用于保障貨物安全，包括罐體的壓力、溫度、惰性氣體環(huán)境、靜電環(huán)境等控制子系統(tǒng)[5]。特殊車輛基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特殊車輛基本結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)模式下，受制于車輛設(shè)計(jì)、制造、改裝工藝，車輛車板系統(tǒng)和罐體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分開進(jìn)行管理，其監(jiān)測數(shù)據(jù)主要為：1)車板系統(tǒng)中，連接盤強(qiáng)度、懸掛強(qiáng)度、車軸強(qiáng)度、胎壓等數(shù)據(jù)一般通過電壓型傳感器獲得，為電壓模擬信號，制動(dòng)系統(tǒng)特別是剎車片磨損數(shù)據(jù)一般通過電容型傳感器獲得，為電容模擬信號轉(zhuǎn)化得到的電壓模擬信號；2)罐體系統(tǒng)中，罐體壓力、溫度、靜電等數(shù)據(jù)通過電壓型傳感器獲得，惰性氣體容器中的壓力、溫度等數(shù)據(jù)也通過電壓型傳感器獲得，為電壓模擬信號；3)其他傳感器(如車燈、空壓機(jī)工況等)獲得的數(shù)據(jù)為電流信號[6]。由此可知，在大數(shù)據(jù)分析視角下，貨車狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)的功能是進(jìn)行電壓、電流型模擬信號的數(shù)字化及后續(xù)分析處理。

將上述數(shù)據(jù)分為2大類，其一是可以直接反映出系統(tǒng)壽命的數(shù)據(jù)，如剎車片磨損數(shù)據(jù)、連接盤磨損數(shù)據(jù)等；其二是反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，如車軸溫度、承壓罐體壓力等。對該2大類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的邏輯如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)管理邏輯

由圖2可以看出，系統(tǒng)共提供了2種壽命評估方式：1)制動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接盤、罐體管理系統(tǒng)等能夠直接獲得檢測數(shù)據(jù)的部分，經(jīng)過曲線估計(jì)后形成壽命評估數(shù)據(jù)；2)其他運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如檢測的狀態(tài)數(shù)據(jù)1～狀態(tài)數(shù)據(jù)n，在使用線性投影算法分別進(jìn)行去量綱同構(gòu)化處理、使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)評估后，對狀態(tài)評估結(jié)果執(zhí)行曲線估計(jì)算法，再輸出車輛壽命評估結(jié)果[7]。

2 特殊車輛車廂監(jiān)測維修系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成

牽引車車載監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)較為完善，而車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)在近10余年才逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。由于每次運(yùn)輸任務(wù)有差異，牽引車與車廂的車載系統(tǒng)需要獨(dú)立配置且需要隨時(shí)進(jìn)行整合，因此車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)和車輛大數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要同時(shí)具備獨(dú)立性和兼容性[8]。牽引車車載監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行在CAN總線上，為了實(shí)現(xiàn)車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性，應(yīng)該設(shè)計(jì)專用的CAN總線以實(shí)現(xiàn)其通信功能，該總線通信模式如圖3所示。

圖3 車廂監(jiān)測系統(tǒng)CAN總線邏輯圖

車廂監(jiān)測系統(tǒng)：1)用于大宗數(shù)據(jù)采集的CAN總線，該總線由3組接入點(diǎn)數(shù)據(jù)芯片串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)接入點(diǎn)數(shù)據(jù)芯片設(shè)定1個(gè)專用地址碼，由嵌入主機(jī)控制的時(shí)鐘控制器向各個(gè)接入點(diǎn)芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換器授時(shí)，使其按照固定時(shí)序周期產(chǎn)生并報(bào)送數(shù)據(jù)；2)剎車片磨損數(shù)據(jù)、軸溫、軸轉(zhuǎn)速、連接盤疲勞磨損數(shù)據(jù)等經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器直接報(bào)送到嵌入主機(jī)的專用接口，其數(shù)模轉(zhuǎn)換器的授時(shí)受嵌入主機(jī)的授時(shí)模塊管理；3)嵌入主機(jī)的上傳數(shù)據(jù)一路經(jīng)過車載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口報(bào)送到牽引車CAN總線上，然后由牽引車監(jiān)測系統(tǒng)集中處理后上傳移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，另外一路檢測數(shù)據(jù)直接通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接口上傳，實(shí)現(xiàn)與中央機(jī)房的數(shù)據(jù)互動(dòng)，中央機(jī)房服務(wù)系統(tǒng)直接向車廂監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出指令，或向公司管理信息系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警數(shù)據(jù)[9]。

在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)中，對數(shù)據(jù)接入點(diǎn)芯片的設(shè)計(jì)是其非標(biāo)準(zhǔn)化零件設(shè)計(jì)的核心任務(wù)之一。接入點(diǎn)芯片如圖4所示。

圖4 接入點(diǎn)芯片架構(gòu)示意圖

接入點(diǎn)芯片需要調(diào)用主控芯片的4組32位檢測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集通訊模塊輸入后，完成接口數(shù)據(jù)的傳輸[10]。1)將右側(cè)32位接口接收的下行系統(tǒng)數(shù)據(jù)直接向上行系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)直通分時(shí)共享功能；2)加載地址碼向上行系統(tǒng)報(bào)送，上行系統(tǒng)接收到該數(shù)據(jù)后，同樣會直接向其上行系統(tǒng)報(bào)送；3)第4組32位總線用作系統(tǒng)管理接口。前文所述的車廂車載監(jiān)測系統(tǒng)由嵌入主機(jī)負(fù)責(zé)，并不在該接入點(diǎn)芯片中部署。

3 嵌入主機(jī)系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)模型

嵌入主機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿足2個(gè)核心需求：1)系統(tǒng)應(yīng)有基本的數(shù)據(jù)輸入、輸出及離線分析功能，即在系統(tǒng)外網(wǎng)(移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng))出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本功能[11]；2)大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)應(yīng)在云端完成，即利用云端資源分擔(dān)車載系統(tǒng)的大部分運(yùn)算需求[12]。因?yàn)橐话阒懈叨饲度胧接布到y(tǒng)僅可提供4～6個(gè)高速并行數(shù)據(jù)接口，所以該系統(tǒng)應(yīng)包含1個(gè)中央處理器、1個(gè)數(shù)據(jù)橋接處理器和1個(gè)浮點(diǎn)處理器，3個(gè)處理器之間通過高速數(shù)據(jù)連接且各有分工，其數(shù)據(jù)拓?fù)浼軜?gòu)如圖5所示。

浮點(diǎn)處理器與中央處理器之間使用前端總線直接連接，用于運(yùn)行小規(guī)模卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、曲線估計(jì)、線性投影等去量綱計(jì)算、決策樹、決策矩陣浮點(diǎn)程序，數(shù)據(jù)輸入輸出處理器中使用1個(gè)專用32位接口連接圖3與圖4中展示的CAN總線設(shè)備，1個(gè)專用32位接口與中央處理器專用32位接口連接，用于兩個(gè)處理器之間的數(shù)據(jù)共享，其他32位接口拆分成4個(gè)8位接口，直連高速探頭的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器[13]。中央處理器用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)輸入輸出處理器和浮點(diǎn)處理器的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同時(shí)管理車輛控制回路，負(fù)責(zé)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信。車載浮點(diǎn)處理器無法完成的計(jì)算任務(wù)，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)提交到云端，由云端中央機(jī)房處理后將結(jié)果通過移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)回傳到中央處理器中。需要執(zhí)行的報(bào)警信息等，通過控制鏈路上傳到駕駛室報(bào)警系統(tǒng)。

4 特殊車輛車廂狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)的應(yīng)用效果

某危化品物流公司擁有易燃易爆品運(yùn)輸車186輛，腐蝕性危險(xiǎn)品運(yùn)輸車64輛，所有車輛均按照交通管理部門、安全監(jiān)察部門、公共安全部門、質(zhì)量技術(shù)管理部門、公路管理部門、運(yùn)輸管理部門等有關(guān)部門的要求部署了各種成熟的特殊車輛車廂狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)，對其中32輛易燃易爆品運(yùn)輸車和24輛腐蝕性危險(xiǎn)品運(yùn)輸車部署本文系統(tǒng)，部署過程中保證改裝后原有系統(tǒng)仍能獨(dú)立、高可靠、高可用運(yùn)行[14]。比較原系統(tǒng)與本文系統(tǒng)對剎車片、連接盤、車軸、軸承、彈簧片磨損程度的監(jiān)測誤差結(jié)果。

本文系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與成熟技術(shù)條件下的車輛重要安全結(jié)構(gòu)磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，誤差略有下降，如：剎車片磨損監(jiān)測誤差下降4.71%，連接盤磨損監(jiān)測誤差下降3.19%，車軸磨損監(jiān)測誤差下降5.84%，軸承磨損監(jiān)測誤差下降7.61%，彈簧片磨損監(jiān)測誤差下降2.23%[15]。敏感度指系統(tǒng)給出故障檢修報(bào)警的真性數(shù)據(jù)在所有實(shí)際故障數(shù)據(jù)中的占比[16]。對比惰性氣體注入閥和罐體結(jié)構(gòu)密封性、輪胎氣密性、剎車氣動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的報(bào)警數(shù)據(jù)[17]，結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)敏感度較原系統(tǒng)敏感度有所提高，惰性氣體注入閥報(bào)警敏感度提高了0.72%，罐體結(jié)構(gòu)密封性報(bào)警敏感度提高了0.61%，輪胎氣密性報(bào)警敏感度提高了0.82%，剎車氣動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性報(bào)警敏感度提高了0.40%[18]。該敏感度提升幅度與測量誤差下降幅度相比較小，其根本原因是原系統(tǒng)的報(bào)警敏感度已經(jīng)達(dá)到97%以上。

5 結(jié)束語

使用大數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)的貨車特殊車輛車廂監(jiān)測維修系統(tǒng)與有關(guān)部門推廣的成熟技術(shù)體系支持的貨車特殊車輛車廂狀態(tài)監(jiān)測維修系統(tǒng)相比，監(jiān)測的磨損數(shù)據(jù)誤差有所下降，挖掘數(shù)據(jù)間接監(jiān)測數(shù)據(jù)的敏感度有所提升，解決了監(jiān)控成本高、誤判率高的問題。但系統(tǒng)需要較為全面的特殊車輛車廂系統(tǒng)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的支持，系統(tǒng)的部署成本較高，推廣使用經(jīng)濟(jì)性不足。在后續(xù)研究中，將充分利用貨車車廂監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)有硬件資源，減少新系統(tǒng)的硬件改動(dòng)量，以降低部署成本并提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率。