铁路煤炭运输货车物联网应用的探讨与实现

王文刚

(1.神华铁路货车运输有限责任公司,北京 100011;2.北京富华宇祺信息技术有限公司,北京 100070)

在煤炭运输中,铁路运输起着重要的作用,铁路煤炭运量一直占煤运总量的60%以上,煤炭运输量占铁路货运总量的40%左右。20世纪80年代以来,货运列车的规模及流量大幅度增加,种类和型号更加复杂,并且由于火车车皮无供电能力,因此基于货车车辆级的地理位置定位技术缺乏,在现代物流迅猛发展的行业背景下,这些问题严重限制了铁路货车现代物流的发展;同时铁路货车车皮、线路、场站所属企业存在不一致,存在货车车皮跨管理单位运行的情况,难以查找和追踪车皮的实时信息;另外,铁路货车运输一直以来货源单一(煤炭为主),为单向运输,回空车辆得不到有效利用,车辆利用效率不高。特别是近年来传统能源市场持续低迷,煤炭货运量较往年有一定幅度减少,货车周转效率降低乃至部分车辆封存,导致车辆整体利用效率进一步降低。在这样的背景下,研发设计了铁路煤炭运输货车物联网应用。

1 铁路煤炭运输货车物联网应用设计

1.1 铁路煤炭运输货车物联网应用架构

铁路煤炭运输货车物联网应用采用流行的物联网四层架构设计,其中:第一层为感知层,主要核心设备是为铁路煤炭运输货车物联网应用定制的货车精确定位终端构成,货车精确定位终端安装于铁路货车车皮侧壁,通过运动侦测、精确定位、节电技术、远程通信、无线维护等功能模块构成,主要完成与货车车皮绑定的各种信息量侦测和上报;第二层为网络层,通过无线通信技术实现感知层设备与远程云管理维护中心的管理维护系统通信;第三层是平台层,位于地面的远程云管理维护中心,主要实现铁路煤炭运输货车物联网应用的数据集中采集、存储、归一化和处理等功能;第四层是业务层,通过把平台层采集和存储的数据进行各项业务的实现,如集中可视化展示、大数据分析、基于位置信息的统一调度等,并可扩展更多的业务功能模块。

图1为铁路煤炭运输货车物联网应用架构图。

图1 铁路煤炭运输货车物联网应用架构图Fig.1 IoT application architecture of railway freight wagon in coal transportation

1.2 铁路煤炭运输货车物联网应用特点

1)远程云平台集中运维管理。货车精确定位终端支持通过云平台集中运维管理,终端的各种状态信息、位置信息实时上报到云平台,可通过云平台的扩展第三方物流等多种能力,为拓展功能提供了坚实的基础。

2)无线终端维护系统。货车精确定位终端最终安装于货车车辆,货运停放现场一般不具备通信设备传统的维护方式,为此精确定位终端创新设计了通过无线手持维护终端的方式进行本地维护,避免接线,并大幅降低维护人员的专业技术要求。

3)定制的货车车皮安装方案。货车精确定位终端设备配套有完整的安装支架和快捷拆装设计,可灵活装配于铁路货车的各种车型,由于设备采用支架、设备分离的设计,安装时可先在货车上先安装支架,再放置装置的方式进行,无需繁琐的设备调测过程。设备维护时可通过统一钥匙打开支架装置,拆卸、安装设备,灵活快捷。

4)定位终端多重精确定位机制。货车精确定位终端采用GPS+北斗+AGPS三重精确定位机制,可确保在任何条件下的定位能力,当GPS和北斗定位可用时,优选GPS与北斗精确定位,当天气条件或环境条件无法精确定位时,系统自动切换到AGPS定位机制实现定位[1]。

5)创新的定位终端节电算法。为了满足待机一年、工作半年以上的系统工作能力,货车精确定位终端创新设计了节电算法,并配合运动侦测传感器,在货车停车时停止工作,启动时自动运行的机制,可实现长时免维护工作。

2 铁路煤炭运输货车物联网应用实现

2.1 铁路煤炭运输货车物联网应用货车精确定位终端

货车精确定位终端由运动侦测传感器模块、GPRS模块、GPS和北斗模块、蓝牙模块、电源管理模块构成。通过各模块的协同工作实现货车定位、数据上下传、电源管理和巡检等功能。

铁路货车精确定位终端设计架构见图2。

图2 铁路货车精确定位终端设计架构图Fig.2 Terminal architecture of precise positioning of railway freight wagon

控制CPU采用CSR公司蓝牙4.0低功耗芯片。该芯片集微控制单元和蓝牙功能于一身,功耗低,工作电流仅为微安级。其微控制单元控制系统工作,蓝牙用来维护终端通信。CPU控制终端平时工作在节电模式,当接收到运动侦测传感器发出的运动中断信号时从节电模式中被唤醒。芯片遵循蓝牙V4.0版本规范,内置521K字节可擦除存储器,具有PIO/UART/SPI/AIO/I2C多种引出接口,并具有监视时钟功能[2]。

运动侦测传感器采用BOSCH的三轴MEMS运动传感器。该传感器对振动比较灵敏，可实现物体的三轴加速度传感、运动检测和定位识别等功能。BMA223供电范围1.2 V 至3.6 V，可编程的加速度范围为±2 g /±4 g /±8 g /±16 g，内置带宽范围为8 Hz-1 kHz的低通滤波器，利用该传感器内置的运动触发的中断控制器可将CPU控制终端从节电模式唤醒，BMA223与控制CPU的数据传输通过I2C接口实现。

GPRS模块采用功耗相对较低的MTK平台,为四频GSM/GPRS(850/900/1800/1900MHz)工业级模块,该模块供电范围为3.4V至4.2V,物理接口为45脚的邮票孔,集成了两路模拟语音接口、PCM数字音频接口、两路UART接口及I2C接口等多种外设接口,内部集成了TCP/IP协议,通过GSM 07.07, 07.05以及增强型AT命令控制,适用于智能计量、无线POS、车载及安全系统等领域。GPRS模块通过UART接口与CPU进行数据通信,由于其功耗较大,除上传数据外,其他时间均工作在节电模式中[3]。

北斗+GPS模块为MTK3333系列,该模块支持GPS/北斗2代系统,支持EPO/EASY 辅助定位,内置低噪声放大器,具有33个追踪信道和99个捕捉信道,追踪灵敏度小于等于-160 dbm。通过UART接口与CPU进行数据通信,MTK3333系列的主要优点是低功耗[4]。

货车精确定位终端的电源可以由适配器或者电池组供应,电源管理通过CPU的GPIO控制MOS管的通断来实现,合理进行终端电源的分配,进一步降低了终端的功耗。

2.2 铁路煤炭运输货车物联网应用本地无线维护终端

手持无线巡检终端可通过低功耗蓝牙与车载精确定位终端无线通信,完成系统开通配置管理和日常巡检维护的功能,手持无线巡检终端系统采用MediaTek MT6582 1.2GHz 四核CPU,支持Android等主流操作系统,内置巡检维护功能软件。

1)支持BD2 B1和GPS L1频段,定位精度小于等于5 m;

2)GPRS广域无线通讯,支持蓝牙;

3)工业IP65防护等级。

2.3 铁路煤炭运输货车物联网应用云管理平台

铁路煤炭运输货车物联网应用云管理平台采用B/S架构,服务器端分HTTP WEB服务和数据采集模块两大部分。铁路货车车皮精确定位系统云管理平台功能模块如图3所示。WEB服务采用Apache+PHP的方式实现,数据采集模块采用C/C++/JAVA等方式实现。客户端浏览器通过HTTP/HTTPS方式访问WEB服务。被管设备与数据采集模块之间通过TCP传递私有协议,数据库采用MySQL。系统从功能划分系统管理、告警管理、设备管理、位置跟踪等多个模块,每个模块相应有HTTP和数据采集模块两部分。

图3 铁路货车车皮精确定位系统云管理平台功能模块Fig.3 Function modules of cloud management platform for precise positioning system of railway wagon

3 铁路煤炭运输货车物联网应用关键技术

3.1 节电技术

货车精确定位终端节电系统优化流程如图4所示。

图4 货车精确定位终端节电系统优化流程设计Fig.4 Terminal power saving design of precise positioning of railway freight wagon

货车精确定位终端设计采用电池供电方式工作,可以保证正常待机时间1 a,正常工作时间6个月。除了硬件上的节能设计之外,还需要通过软件系统设计进行节电管理。

3.2 精确定位技术

通过精确定位技术可以实时监测地理位置信息的经纬度坐标,还可以与对应的GIS系统结合,转换成对应的地图坐标,实现车辆位置、线路、速度、海拔等信息的收集[5]。

精确定位技术利用北斗和GPS方式实现,并考虑到铁路货车可能在无GPS和北斗信号的场景下运行,因此系统同时设计了AGPS基站辅助定位的手段。为了进一步提升定位的精确度,通过把GPS、北斗、AGS的经纬度信息与铁路线路图结合,可以精确定位到车皮所在线路节点上,定位精度可在9 m以内。

3.3 本地无线维护技术

铁路货车车皮的日常维护场景为传统工业作业场所,安装维护手段不能使用对工作作业人员要求太高的方式方法,在铁路煤炭运输货车物联网应用的设计上,通过在精确定位终端上采用低速蓝牙通信技术,实现与工业作业的手持终端实现通信,这样就可以通过手持终端的简化标准流程和功能,实现本地无线维护,如绑定车辆编号、读取日志数据等,并且系统所有的运行数据实时上传到远程管理维护平台,可以通过远程管理维护。

4 铁路煤炭运输货车物联网应用效果

车辆的运行,实现了货车的精确定位,通过云集中管理平台可实时展示货车的基础信息、状态信息、位置信息、物流信息,提升了铁路货车的运载周转效率,对未来建设全面的互联网大物流系统奠定了基础,同时通过铁路煤炭运输货车物联网应用为未来扩大货车运营范围,减少货车投资有较大帮助。

5 结束语

铁路煤炭运输货车物联网应用通过感知层、网络层、平台层、应用层的四层架构设计,系统通过对节电技术、精确定位技术、蓝牙无线技术、远程通信技术等技术的整合与应用,实现了铁路货车车皮级别的精确定位和追踪,通过对货车的基础信息、状态信息、位置信息、物流信息的掌握,可以提升铁路货车车辆的利用率、周转率,减少货车车辆因为闲置等问题导致的资源浪费,同时实现货车精细化的管理。通过铁路煤炭货车物联网应用的建设,可以为实现社会大物流打下坚实的基础。