面向现代物流的长钢轨专用座架监测系统研究

刘飞，张义川，胡淦，何涛

(中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

0 引言

《国铁集团关于加快铁路现代物流体系建设的意见》中的《推进物流信息数智化改造工程实施方案》，指出推动专业管理数字化，实现装卸管理、自备车管理、路用车管理、超限超重货物运输管理、抑尘防冻管理、装载加固管理全链条数字化贯通。装载加固器材作为实现货物安全运输的重要保证，与货物装卸、运行接送、交付等环节密切相关，是实现货物全流程、全要素在线化、数字化和网联化的重要载体之一。因此，利用传感器技术、物联网技术和大数据技术提升装载加固器材的数字化、网联化和智能化水平，同时建立基于物流信息数字化的仓储、使用及回送管理模式，对于推进数字铁路建设具有重要支撑作用[1-3]。

与货车、集装箱、集装单元等铁路货物载运器具日新月异的发展相比，装载加固器材以《铁路货物装载加固规则》(铁总运〔2015〕296号)附件5《常用装载加固材料及装置》为主，主要为一次性使用的镀锌铁线、盘条、铁丝绳紧固器，可循环使用的卷钢座架、长钢轨座架等[4-6]，在物流信息技术应用上，与铁路货运物流的数智化发展要求存在较大差距。以长钢轨专用座架为例，使用次数、状态等需要在发送环节进行人工记录，无法实时跟踪座架使用状态和确认货物加固状态，缺乏有效的在线监控手段和物流管理信息系统。

1 监测系统构架

1.1 长钢轨专用座架监测需求分析

长钢轨专用座架主要在钢厂及焊轨基地使用，专用座架使用流程如图1所示。100 m长钢轨采用专用座架从生产钢厂运输至焊轨基地[7]，焊接成500 m长钢轨后运输至工程局铺轨基地。在座架使用周期内，包括运输状态和非运输状态。运输状态下，涉及专用座架空重2种状态，即承载、非承载工况。非运输状态下，涉及专用座架库存、安装、拆除、维保等工况。

图1 专用座架使用流程Fig.1 Use process of special supports

专用座架监测应能够实时采集位置信息，同时应具备空、重、库存、安装等状态识别功能，并向使用者提供座架预计到达时间，为物流计划、库存、维保等提供依据，实现实物流、信息流一体化管理，具体如下。

（1）实时位置信息，专用座架实时位置信息采集，灵活切换的卫星定位与基站定位双定位模式，卫星定位应支持北斗、GPS等系统，并能远程进行开启与关闭。

（2）使用状态信息，专用座架的空、重、库存、安装与拆除状态信息化管理，其中空、重状态应具备自判断能力。

（3）数据传输能力，采用无线通信方式将专用座架实时位置信息和使用状态信息传输至系统平台，数据传输应满足系统平台通信协议要求。

（4）数据缓冲能力，能够在通信不畅的情况下将相关信息缓存于设备内置存储器中，当通信条件具备时设备能够自动补传数据。

（5）通信制式要求，支持2G/3G/4G通信，支持LTE FDD，LTE TDD，WCDMA HSPA+，TDSCDMA，GSM/GPRS/EDGE等满足技术要求的制式。

（6）预报警能力，能够判断专用座架与车辆分离状态，并自动报警提示。

（7）适应环境能力，数据采集模块能在工作温度-40℃~+80℃，湿度5%~95%条件下正常工作，防护等级不低于IP66。

（8）监测设备要求，电源使用时间不低于3年，加速度传感器量程不小于4 g、抗冲击能力不低于1 000 g。

1.2 长钢轨专用座架监测系统总体框架

专用座架监测系统总体框架如图2所示，系统采用分布式结构、集中部署，主要由监测查询及管理应用(外部接入)、监测数据处理中心、前端监测数据采集服务、对外数据接口和监测设备等不同模块组成。在监测设备模块中，主要用于物理数据采集，包括专用座架实时位置、结构强度和加速度值等，需要根据专用座架的结构特点进行设计。基于集中式的监测数据处理中心，可用于客户信息、订单信息及专用座架状态信息等数据的存储及管理。其中专用座架位置及使用状态数据采集，主要通过前端监测数据采集服务实现。依托集中式的监测数据处理中心，可通过Webservice或Restful等成熟的网络传输接口[8]实现相关外部企业生产系统的信息共享交换，实现企业实物流、信息流一体化管理。

图2 专用座架监测系统总体框架Fig.2 General framework of monitoring system for special supports

系统设置内部管理及外部服务模块。通过数据处理，内部管理模块可实现用户及权限管理、监测设备管理、监测设备安装及更换管理、库存管理、订单管理等功能，对内提供各种基础信息登记查询、实时监测和统计分析的内部管理服务。在外部服务模块中，通过监测查询及管理应用可向企业提供专用座架位置查询、实时状态查询、报警通知等基础查询服务，通过对监测数据的挖掘分析，系统可提供专用座架分布、运到时限分析等服务。

1.3 长钢轨专用座架监测系统功能设计

长钢轨专用座架监测系统通过功能设计以实现数据采集管理、信息管理和设备运行状态管理。其中信息管理模块包括基础信息管理、用户管理、订单管理、库存管理、统计分析、安装及更换管理、监控及告警管理、设备管理和接口管理9部分，设备运行状态管理包括位置查询服务、运到时限分析、报警通知和设备分布服务4部分。系统功能结构图如图3所示。

图3 系统功能结构图Fig.3 System function structure

数据采集管理包括数据校验、数据解密、数据解析和数据入库，在对远程监测设备按照通信协议和加密规则发送的原始信息进行数据包的校验和解密的基础上，通过对原始数据中的数据体内容进行数据和位置解析，并将解析后的数据调用相关接口存入数据库表单，系统可实现数据管理功能。

信息管理模块中基础信息管理能够提供系统相关的通知公告的编辑、发布及删除等功能，提供与系统相关的基础字典数据和系统参数标准化统一维护与更新功能，以及平台运行的基础参数设置维护和个性化定义功能。用户管理主要用于为各级用户分类提供用户创建、删除、修改、查询以及权限分配等用户管理基本功能。订单管理、库存管理、安装及更换管理、统计管理，主要用于专用座架的购置、仓储、使用及报废的全过程管理，提供下单、接单、签收、入库、出库、安装、更换和报废等功能，并能对专用座架使用状态进行统计分析，对专用座架使用时位置分布、是否处于滞留状态、库存状态等进行分析计算。设备管理、监测及告警管理，主要用于向用户提供对远程监测设备的实时状态监测情况，可实时显示设备电量、位置、时间等状态参量以及其他参量，向用户显示远程监测设备的监测历史履历信息及报警事件，同时提供监测设备基础信息维护、设备状态监测、信息采集间隔参数及电池电量阈值设置等功能。接口管理主要用于与其他外部系统的接口管理，主要包括与社会物流企业生产系统接口、远程监测设备厂家系统接口以及基站解析服务提供方接口。

设备运行状态管理中设备分布服务可为客户提供设备采购相关信息、设备制造相关信息、设备安装相关信息、设备状态相关信息、设备位置属性、设备明细信息等。位置查询服务能够为客户提供专用座架实时位置查询服务，可根据设备编号等条件查看所在国家、省份、车站/区间等信息，并提供位置轨迹信息。运到时限分析能够提供不同OD间的运输完成时长分布、趋势分析、最短时长分析、最长时长分析等服务，并可根据远程监测设备采集的数据信息、地理基础信息以及客户提供的运输发到相关信息进行异常滞留分析服务。报警通知主要针对专用座架使用过程中的异常拆除信息进行分析，为用户提供自动报警通知服务。

2 系统监测设备模块设计

2.1 监测设备模块组成

在监测系统总体框架中，监测设备模块主要用于专用座架位置及使用状态数据采集，包括专用座架实时位置、结构强度和加速度值等，需要根据专用座架结构进行设计。监测设备模块包括定位终端主机和监测传感器2个部分，监测设备模块组成图如图4所示。定位终端主机包括主控模块、通信模块、卫星定位模块、蓝牙通信模块、计时模块、外置FLASH存储、可触发式NFC、库仑计、电源管理以及加速度传感器、天线等部分。监测传感器包括主控模块、电源模块、蓝牙通信模块、传感器等组成。其中传感器为压力传感器，能够采集专用座架承载情况，判断座架空、重状态，并通过蓝牙广播模式对状态信息进行广播。定位终端主机定期扫描处于广播状态的监测传感器，建立连接后定位终端主机获取数据值，通过互联网将获取的数据传输至监测数据处理中心。

图4 监测设备模块组成图Fig.4 Components of monitoring equipment

2.2 监测设备电源方案

由专用座架监测系统需求可知，监测设备使用时间不低于3年。同时考虑到需要有短时间大电流脉冲放电的能力，定位终端主机选择常用于物联网追踪定位场景的容量型锂亚硫酰氯电池配合电池电容器的供电方案[9-10]，采用2节ER26500(锂亚硫酰氯电池)加1个SPC1550(电池电容器)，能够适应-40℃~+85℃的温度范围，安全性能高、可靠性强。

统计实测结果表明，监测设备平均单周期耗电量低于3 mAh。以3 mAh计算，根据长钢轨专用座架的使用频次和经验数据，座架按照动态6 h，静态24 h定位一次，一年动静比为1∶2情况下，平均一天定位次数为2次，因此可知终端年消耗容量C1如下。

其中ER26500电芯年自放电损耗约为1%，电池电容器SPC1550日自放电损耗约为0.24 mAh，终端年自放电消耗容量C2为电芯和电池电容器2部分自损耗之和。

电池使用时环境温度、放电电流大小，电池散布系数Kd、可靠性系数Kg，以及存储自放电容量C耗等，都会影响电池容量C。考虑上述影响因素，电池预计放电条件下有效容量为

式中：N为电池数量，取值为2；Kd为电池散布系数，取值为0.85；Kg为电池可靠性系数，取值为0.95。

自放电能耗计算如表1所示。

表1 自放电能耗计算表Tab.1 Self-discharge energy consumption calculation

该电源方案使用时长为5.6年，满足专用座架监测系统监测设备使用时间不低于3年的要求，使用时长计算如表2所示。

表2 使用时长计算Tab.2 Calculation of service time

2.3 监测设备安装方案

监测设备的定位终端主机和监测传感器(从机)2个部分独立安装。其中定位终端主机安装于专用座架底部适当空间内，保证主机头部朝外能够接受天线信号；监测传感器安装于不影响钢轨装载的隔梁内侧，专用座架结构示意图如图5所示[5]。充分考虑到斜支撑底部结构的尺寸、管内部焊点情况以及采用的电池尺寸，监测设备主机的尺寸为长方体为主，尺寸根据不同座架型号而进一步确定。定位终端主机内部采用灌胶方式固定，外壳跟斜支撑结构胶接固定，监测传感器采用焊接方式固定在隔梁内侧，定位终端主机结构示意图如图6所示，监测传感器结构示意图如图7所示。

图5 专用座架结构示意图Fig.5 Structure of special supports

图6 定位终端主机结构示意图Fig.6 Structure of position terminal host

图7 监测传感器结构示意图Fig.7 Structure of monitoring sensor

3 结束语

长钢轨专用座架监测系统作为一种实时监测座架使用状态的解决方案，充分利用现代物流信息技术，同时通过压力、加速度传感器的使用，在实时采集位置信息的基础上，使监测系统具备座架空、重、库存、安装等状态识别功能，集实物流、信息流和安全管理于一身。专用座架监测系统是提高我国铁路货物装载加固器材数字化、网联化和智能化水平的有益探索，可为铁路货物装载加固管理数字化提供技术支撑。