王文剛

(1.神華鐵路貨車運輸有限責(zé)任公司,北京 100011;2.北京富華宇祺信息技術(shù)有限公司,北京 100070)

在煤炭運輸中,鐵路運輸起著重要的作用,鐵路煤炭運量一直占煤運總量的60%以上,煤炭運輸量占鐵路貨運總量的40%左右。20世紀(jì)80年代以來,貨運列車的規(guī)模及流量大幅度增加,種類和型號更加復(fù)雜,并且由于火車車皮無供電能力,因此基于貨車車輛級的地理位置定位技術(shù)缺乏,在現(xiàn)代物流迅猛發(fā)展的行業(yè)背景下,這些問題嚴(yán)重限制了鐵路貨車現(xiàn)代物流的發(fā)展;同時鐵路貨車車皮、線路、場站所屬企業(yè)存在不一致,存在貨車車皮跨管理單位運行的情況,難以查找和追蹤車皮的實時信息;另外,鐵路貨車運輸一直以來貨源單一(煤炭為主),為單向運輸,回空車輛得不到有效利用,車輛利用效率不高。特別是近年來傳統(tǒng)能源市場持續(xù)低迷,煤炭貨運量較往年有一定幅度減少,貨車周轉(zhuǎn)效率降低乃至部分車輛封存,導(dǎo)致車輛整體利用效率進(jìn)一步降低。在這樣的背景下,研發(fā)設(shè)計了鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計

1.1 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)

鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用采用流行的物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)設(shè)計,其中:第一層為感知層,主要核心設(shè)備是為鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用定制的貨車精確定位終端構(gòu)成,貨車精確定位終端安裝于鐵路貨車車皮側(cè)壁,通過運動偵測、精確定位、節(jié)電技術(shù)、遠(yuǎn)程通信、無線維護(hù)等功能模塊構(gòu)成,主要完成與貨車車皮綁定的各種信息量偵測和上報;第二層為網(wǎng)絡(luò)層,通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)感知層設(shè)備與遠(yuǎn)程云管理維護(hù)中心的管理維護(hù)系統(tǒng)通信;第三層是平臺層,位于地面的遠(yuǎn)程云管理維護(hù)中心,主要實現(xiàn)鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)集中采集、存儲、歸一化和處理等功能;第四層是業(yè)務(wù)層,通過把平臺層采集和存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行各項業(yè)務(wù)的實現(xiàn),如集中可視化展示、大數(shù)據(jù)分析、基于位置信息的統(tǒng)一調(diào)度等,并可擴(kuò)展更多的業(yè)務(wù)功能模塊。

圖1為鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)圖。

圖1 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)圖Fig.1 IoT application architecture of railway freight wagon in coal transportation

1.2 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特點

1)遠(yuǎn)程云平臺集中運維管理。貨車精確定位終端支持通過云平臺集中運維管理,終端的各種狀態(tài)信息、位置信息實時上報到云平臺,可通過云平臺的擴(kuò)展第三方物流等多種能力,為拓展功能提供了堅實的基礎(chǔ)。

2)無線終端維護(hù)系統(tǒng)。貨車精確定位終端最終安裝于貨車車輛,貨運停放現(xiàn)場一般不具備通信設(shè)備傳統(tǒng)的維護(hù)方式,為此精確定位終端創(chuàng)新設(shè)計了通過無線手持維護(hù)終端的方式進(jìn)行本地維護(hù),避免接線,并大幅降低維護(hù)人員的專業(yè)技術(shù)要求。

3)定制的貨車車皮安裝方案。貨車精確定位終端設(shè)備配套有完整的安裝支架和快捷拆裝設(shè)計,可靈活裝配于鐵路貨車的各種車型,由于設(shè)備采用支架、設(shè)備分離的設(shè)計,安裝時可先在貨車上先安裝支架,再放置裝置的方式進(jìn)行,無需繁瑣的設(shè)備調(diào)測過程。設(shè)備維護(hù)時可通過統(tǒng)一鑰匙打開支架裝置,拆卸、安裝設(shè)備,靈活快捷。

4)定位終端多重精確定位機(jī)制。貨車精確定位終端采用GPS+北斗+AGPS三重精確定位機(jī)制,可確保在任何條件下的定位能力,當(dāng)GPS和北斗定位可用時,優(yōu)選GPS與北斗精確定位,當(dāng)天氣條件或環(huán)境條件無法精確定位時,系統(tǒng)自動切換到AGPS定位機(jī)制實現(xiàn)定位[1]。

5)創(chuàng)新的定位終端節(jié)電算法。為了滿足待機(jī)一年、工作半年以上的系統(tǒng)工作能力,貨車精確定位終端創(chuàng)新設(shè)計了節(jié)電算法,并配合運動偵測傳感器,在貨車停車時停止工作,啟動時自動運行的機(jī)制,可實現(xiàn)長時免維護(hù)工作。

2 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實現(xiàn)

2.1 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用貨車精確定位終端

貨車精確定位終端由運動偵測傳感器模塊、GPRS模塊、GPS和北斗模塊、藍(lán)牙模塊、電源管理模塊構(gòu)成。通過各模塊的協(xié)同工作實現(xiàn)貨車定位、數(shù)據(jù)上下傳、電源管理和巡檢等功能。

鐵路貨車精確定位終端設(shè)計架構(gòu)見圖2。

圖2 鐵路貨車精確定位終端設(shè)計架構(gòu)圖Fig.2 Terminal architecture of precise positioning of railway freight wagon

控制CPU采用CSR公司藍(lán)牙4.0低功耗芯片。該芯片集微控制單元和藍(lán)牙功能于一身,功耗低,工作電流僅為微安級。其微控制單元控制系統(tǒng)工作,藍(lán)牙用來維護(hù)終端通信。CPU控制終端平時工作在節(jié)電模式,當(dāng)接收到運動偵測傳感器發(fā)出的運動中斷信號時從節(jié)電模式中被喚醒。芯片遵循藍(lán)牙V4.0版本規(guī)范,內(nèi)置521K字節(jié)可擦除存儲器,具有PIO/UART/SPI/AIO/I2C多種引出接口,并具有監(jiān)視時鐘功能[2]。

運動偵測傳感器采用BOSCH的三軸MEMS運動傳感器。該傳感器對振動比較靈敏，可實現(xiàn)物體的三軸加速度傳感、運動檢測和定位識別等功能。BMA223供電范圍1.2 V 至3.6 V，可編程的加速度范圍為±2 g /±4 g /±8 g /±16 g，內(nèi)置帶寬范圍為8 Hz-1 kHz的低通濾波器，利用該傳感器內(nèi)置的運動觸發(fā)的中斷控制器可將CPU控制終端從節(jié)電模式喚醒，BMA223與控制CPU的數(shù)據(jù)傳輸通過I2C接口實現(xiàn)。

GPRS模塊采用功耗相對較低的MTK平臺,為四頻GSM/GPRS(850/900/1800/1900MHz)工業(yè)級模塊,該模塊供電范圍為3.4V至4.2V,物理接口為45腳的郵票孔,集成了兩路模擬語音接口、PCM數(shù)字音頻接口、兩路UART接口及I2C接口等多種外設(shè)接口,內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議,通過GSM 07.07, 07.05以及增強(qiáng)型AT命令控制,適用于智能計量、無線POS、車載及安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。GPRS模塊通過UART接口與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,由于其功耗較大,除上傳數(shù)據(jù)外,其他時間均工作在節(jié)電模式中[3]。

北斗+GPS模塊為MTK3333系列,該模塊支持GPS/北斗2代系統(tǒng),支持EPO/EASY 輔助定位,內(nèi)置低噪聲放大器,具有33個追蹤信道和99個捕捉信道,追蹤靈敏度小于等于-160 dbm。通過UART接口與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,MTK3333系列的主要優(yōu)點是低功耗[4]。

貨車精確定位終端的電源可以由適配器或者電池組供應(yīng),電源管理通過CPU的GPIO控制MOS管的通斷來實現(xiàn),合理進(jìn)行終端電源的分配,進(jìn)一步降低了終端的功耗。

2.2 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本地?zé)o線維護(hù)終端

手持無線巡檢終端可通過低功耗藍(lán)牙與車載精確定位終端無線通信,完成系統(tǒng)開通配置管理和日常巡檢維護(hù)的功能,手持無線巡檢終端系統(tǒng)采用MediaTek MT6582 1.2GHz 四核CPU,支持Android等主流操作系統(tǒng),內(nèi)置巡檢維護(hù)功能軟件。

1)支持BD2 B1和GPS L1頻段,定位精度小于等于5 m;

2)GPRS廣域無線通訊,支持藍(lán)牙;

3)工業(yè)IP65防護(hù)等級。

2.3 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用云管理平臺

鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用云管理平臺采用B/S架構(gòu),服務(wù)器端分HTTP WEB服務(wù)和數(shù)據(jù)采集模塊兩大部分。鐵路貨車車皮精確定位系統(tǒng)云管理平臺功能模塊如圖3所示。WEB服務(wù)采用Apache+PHP的方式實現(xiàn),數(shù)據(jù)采集模塊采用C/C++/JAVA等方式實現(xiàn)。客戶端瀏覽器通過HTTP/HTTPS方式訪問WEB服務(wù)。被管設(shè)備與數(shù)據(jù)采集模塊之間通過TCP傳遞私有協(xié)議,數(shù)據(jù)庫采用MySQL。系統(tǒng)從功能劃分系統(tǒng)管理、告警管理、設(shè)備管理、位置跟蹤等多個模塊,每個模塊相應(yīng)有HTTP和數(shù)據(jù)采集模塊兩部分。

圖3 鐵路貨車車皮精確定位系統(tǒng)云管理平臺功能模塊Fig.3 Function modules of cloud management platform for precise positioning system of railway wagon

3 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 節(jié)電技術(shù)

貨車精確定位終端節(jié)電系統(tǒng)優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 貨車精確定位終端節(jié)電系統(tǒng)優(yōu)化流程設(shè)計Fig.4 Terminal power saving design of precise positioning of railway freight wagon

貨車精確定位終端設(shè)計采用電池供電方式工作,可以保證正常待機(jī)時間1 a,正常工作時間6個月。除了硬件上的節(jié)能設(shè)計之外,還需要通過軟件系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行節(jié)電管理。

3.2 精確定位技術(shù)

通過精確定位技術(shù)可以實時監(jiān)測地理位置信息的經(jīng)緯度坐標(biāo),還可以與對應(yīng)的GIS系統(tǒng)結(jié)合,轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的地圖坐標(biāo),實現(xiàn)車輛位置、線路、速度、海拔等信息的收集[5]。

精確定位技術(shù)利用北斗和GPS方式實現(xiàn),并考慮到鐵路貨車可能在無GPS和北斗信號的場景下運行,因此系統(tǒng)同時設(shè)計了AGPS基站輔助定位的手段。為了進(jìn)一步提升定位的精確度,通過把GPS、北斗、AGS的經(jīng)緯度信息與鐵路線路圖結(jié)合,可以精確定位到車皮所在線路節(jié)點上,定位精度可在9 m以內(nèi)。

3.3 本地?zé)o線維護(hù)技術(shù)

鐵路貨車車皮的日常維護(hù)場景為傳統(tǒng)工業(yè)作業(yè)場所,安裝維護(hù)手段不能使用對工作作業(yè)人員要求太高的方式方法,在鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計上,通過在精確定位終端上采用低速藍(lán)牙通信技術(shù),實現(xiàn)與工業(yè)作業(yè)的手持終端實現(xiàn)通信,這樣就可以通過手持終端的簡化標(biāo)準(zhǔn)流程和功能,實現(xiàn)本地?zé)o線維護(hù),如綁定車輛編號、讀取日志數(shù)據(jù)等,并且系統(tǒng)所有的運行數(shù)據(jù)實時上傳到遠(yuǎn)程管理維護(hù)平臺,可以通過遠(yuǎn)程管理維護(hù)。

4 鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用效果

車輛的運行,實現(xiàn)了貨車的精確定位,通過云集中管理平臺可實時展示貨車的基礎(chǔ)信息、狀態(tài)信息、位置信息、物流信息,提升了鐵路貨車的運載周轉(zhuǎn)效率,對未來建設(shè)全面的互聯(lián)網(wǎng)大物流系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ),同時通過鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為未來擴(kuò)大貨車運營范圍,減少貨車投資有較大幫助。

5 結(jié)束語

鐵路煤炭運輸貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通過感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層的四層架構(gòu)設(shè)計,系統(tǒng)通過對節(jié)電技術(shù)、精確定位技術(shù)、藍(lán)牙無線技術(shù)、遠(yuǎn)程通信技術(shù)等技術(shù)的整合與應(yīng)用,實現(xiàn)了鐵路貨車車皮級別的精確定位和追蹤,通過對貨車的基礎(chǔ)信息、狀態(tài)信息、位置信息、物流信息的掌握,可以提升鐵路貨車車輛的利用率、周轉(zhuǎn)率,減少貨車車輛因為閑置等問題導(dǎo)致的資源浪費,同時實現(xiàn)貨車精細(xì)化的管理。通過鐵路煤炭貨車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的建設(shè),可以為實現(xiàn)社會大物流打下堅實的基礎(chǔ)。