李 哲，高軍偉，張柏娜

(青島大學自動化學院,山東青島 266071)

0 引言

鐵路是綜合交通運輸體系的骨干和主要交通方式，列車輪對作為承載列車運行的重要走行部件，在列車行駛過程中，會接受撞擊、循環(huán)應(yīng)力、摩擦以及高低溫等影響，很容易造成輪對踏面磨損、裂紋和剝離等傷損現(xiàn)象，對列車安全運行造成巨大隱患[1]。

長久以來，我國列車采用的是傳統(tǒng)的計劃預(yù)防檢修制度，主要是定期檢修和事后維修為主，在維修時加強對輪對的檢查，對出現(xiàn)故障的輪對及時進行更換和鏇修[2]。這種檢修制度存在一些弊端，列車檢修過頻，修時過長，導(dǎo)致了車輛的利用率降低；過剩維修嚴重，造成維修成本的增加，不利于車輛可靠性的提高[3]。面對當前列車的高速發(fā)展速度，現(xiàn)有的檢修制度難免遇到一些挑戰(zhàn)，亟需一種準確的、高效的檢測手段。

當今時代，互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的進步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)工業(yè)向智能化變革提供了技術(shù)條件[4]。射頻識別技術(shù)(RFID)是智能化物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，將它應(yīng)用到列車監(jiān)控中來，從列車運行的關(guān)鍵部件輪對入手，進而推廣到其他結(jié)構(gòu)件，對實現(xiàn)列車監(jiān)控向數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的變革具有重大意義。

1 RFID技術(shù)簡介

RFID技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和電子標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。系統(tǒng)主要由3部分組成，包括電子標簽、讀寫器、天線以及后臺應(yīng)用系統(tǒng)[5]。

工作原理是將儲存著輪對信息的電子標簽安裝到車輪的合適位置，天線安裝在軌道旁邊，當裝有電子標簽的列車行駛到天線的工作范圍時，輪對上的電子標簽獲得能量被激活，將自身標識信息以載波信號的形式通過天線調(diào)節(jié)器發(fā)送出去。讀寫器接收到電子標簽的載波信號后，對信號進行解調(diào)和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理[6]。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，若數(shù)據(jù)合法，便可獲得電子標簽中的信息。

RFID技術(shù)不僅穩(wěn)定可靠，讀寫迅速，成本低廉，同時讀取間隔遠，生命周期長，防水防磁，耐高溫，可動態(tài)實時通信。憑借這些優(yōu)點，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療、物流、倉庫等各個領(lǐng)域中，為物品的精準識別提供了解決方案。

2 系統(tǒng)概述

利用RFID技術(shù)可以實現(xiàn)輪對的識別、定位和通信，若能再與故障診斷技術(shù)結(jié)合起來，便可以形成全面的輪對設(shè)備監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。針對輪對的故障診斷，傳統(tǒng)方法主要有噪聲檢測、圖像檢測、超聲波檢測、電信號檢測、振動檢測[7]。

本文選用基于加速度的振動檢測技術(shù)，通過加速度傳感器采集振動加速度信號。通過對振動信號的分析處理便可以提取出與輪對故障相關(guān)的特征信息[8]。

通過將電子標簽和加速度傳感器安裝在列車輪對上，在RFID讀寫器獲取的電子標簽數(shù)據(jù)識別到輪對位置的同時采集振動信號，通過對振動信號處理和分析判斷故障車輪，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)綜合報警。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示，首先根據(jù)系統(tǒng)的要求進行分析，選擇對應(yīng)系統(tǒng)標準的硬件，構(gòu)建了下位機硬件平臺和相應(yīng)的上位機程序，逐步搭建了系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

RFID輪對智能監(jiān)控系統(tǒng)分為輪對識別和振動信號2部分，硬件采用模塊化設(shè)計，主要包括控制模塊、射頻模塊、電子標簽；傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、信號采集模塊以及上位機。圖2為基于RFID的列車輪對智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 RFID識別設(shè)計

3.1.1 射頻模塊

射頻模塊是RFID中讀寫器的主要部分，以射頻收發(fā)芯片Impinj R2000為核心，R2000支持ISO18000-6C協(xié)議，工作頻率在840～960 MHz，采用0.18 μm Sige BiCMOS工藝，低功耗，集成度高，包括低噪聲放大器，混頻器，可變增益放大器，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)射頻信號的接收發(fā)送、調(diào)制解調(diào)、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換，并且內(nèi)部還有一個功率放大器(PA)，以此增加識別距離。

3.1.2 控制模塊

控制模塊主要是對射頻芯片傳輸?shù)男盘柦獯a，獲得電子標簽的消息，也將上位機寫入到電子標簽的信息解碼后發(fā)給射頻芯片，完成對電子標簽數(shù)據(jù)的讀寫[9]?？刂颇K主要采用AT91SAM7S256嵌入式芯片，它是ARM7系列32位RISC處理器，集成了256 KB字節(jié)高速Flash、64 KB字節(jié)高速SRAM，通過4線方式與Indy R2000讀寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照一幀32位的串行傳輸，它與上位機的通信采用串口通信(RS232)的方式。

3.1.3 電子標簽

電子標簽是RFID中數(shù)據(jù)的載體，由射頻前端、模擬前端、存儲器以及數(shù)字基帶組成[10]。標簽的選型是否恰當對識別的準確度有很大的影響，不同類型的電子標簽適應(yīng)不同的環(huán)境?？紤]到列車輪對為鋼鐵材料，為了信息的傳遞不受到金屬的干擾，系統(tǒng)選取超高頻無源抗金屬標簽，其壽命長、體積小，抗干擾能力強，支持ISO1800-6C協(xié)議，符合輪對識別中對速度和精度的要求。

3.2 振動采集設(shè)計

3.2.1 傳感器

振動加速度傳感器可以將機械的相對運動轉(zhuǎn)換為電信號。系統(tǒng)采用CA-YD-186壓電式振動傳感器，CA-YD-186靈敏度高，抗干擾性能好，適合高頻振動信號的測量。

3.2.2 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊將采集到的原始電壓信號，進行信號放大、隔離、濾波、多路轉(zhuǎn)換等，從而提高采集數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性[11]。系統(tǒng)采用YE3822A信號調(diào)理器，通過對采集到的電壓信號隔離和放大，達到信號采集模塊的輸入范圍。

3.2.3 信號采集模塊

信號采集選用USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，集成了多路選擇器、逐次逼近型AD、USB微控制器和一個先入先出的FIFO，內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。采集卡通過USB2.0接口將采集的振動數(shù)據(jù)上傳到上位機，實現(xiàn)與上位機監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

圖3 USB-6009內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主要采用Visual Studio 2013的.NET平臺設(shè)計，開發(fā)了上位機應(yīng)用軟件，設(shè)計輪對的編碼規(guī)則，并設(shè)計了防沖突算法，解決了標簽的沖突問題，通過調(diào)用Measurement Studio的庫，建立了與NI數(shù)據(jù)采集卡的接口，實現(xiàn)了對振動信號的采集、傳輸并以波形圖顯示在監(jiān)控頁面。

4.1 防沖突算法設(shè)計

在列車運行到系統(tǒng)的工作范圍時，會存在多個電子標簽收到能量被激活，這些標簽如果同時向控制模塊發(fā)送輪對的信息，便會使得信號的傳輸發(fā)生沖突，導(dǎo)致控制器無法接收到正確的信號，這便產(chǎn)生了標簽沖突問題。目前常用的防沖突算法有2種，分別是ALOHA算法和二進制搜索算法[12]。

ISO18000-6C協(xié)議采用的是時隙ALOHA算法，又稱Q值防沖突算法。通過標簽中存有數(shù)據(jù)中的時隙值的隨機數(shù)來達到防碰撞目的[13]。若待識別的標簽數(shù)為n，幀長為L，在[0，L]范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機數(shù)，第i個時隙中標簽數(shù)為m，則第i個時隙中有r個標簽的概率P為

(1)

當r=1時，第i個時隙僅有1個標簽，表示該時隙為成功時隙，此時概率P為

(2)

一幀內(nèi)有成功時隙的期望E為

(3)

系統(tǒng)的吞吐率s為

(4)

即

(5)

則當標簽數(shù)目n和幀長L近似相等時，系統(tǒng)的識別率達到最大。

(6)

Q值防沖突算法令幀長L等于2Q，通過判斷識別幀內(nèi)空閑和碰撞時隙的數(shù)目，結(jié)合步長調(diào)整Q值，使得幀長達到最佳值，減少了碰撞概率，使系統(tǒng)在不同的標簽數(shù)目范圍內(nèi)都能實現(xiàn)比較好的識別性能。Q值防沖突算法流程圖如圖4所示。

圖4 防沖突算法流程

4.2 輪對的編碼設(shè)計

電子標簽內(nèi)部有4個存儲區(qū)：TID區(qū)、EPC區(qū)、User區(qū)、密碼區(qū)。本系統(tǒng)使用標簽的EPC區(qū)寫入輪對的唯一編制識別碼，用來標識輪對信息。EPC存儲容量有12個字節(jié)，可存24個十六進制數(shù)，輪對信息包括4個內(nèi)容，具體編碼信息見表1。

如當定義信息為“0230C******* ”時，指的是車型為敞車，車號為“******* ”的第2號車廂，第3個輪對。

表1 輪對信息自定義編碼

其中C代表敞車，最后7位為車號，采用的是中國鐵路對列車車種車號的編碼規(guī)范，該編碼方式具有唯一性。

4.3 與數(shù)據(jù)采集卡接口

Visual Studio 2013.NET自身沒有連接NI數(shù)據(jù)采集卡的工具，系統(tǒng)搭配Measurement Studio混合完成編程。NI Measurement Studio為VS 2013.NET環(huán)境提供了一個集成式套件，涵蓋了各種常用的測量和自動化控件、工具和類庫，簡化了數(shù)據(jù)采集和儀器控制接口的連接，因此容易實現(xiàn)對儀器的讀、寫、查詢等操作[14]。利用Measurement Studio中的MAX工具，當USB-6009硬件安裝后，在“設(shè)備和接口”可以掃描出對應(yīng)的硬件信息。然后，利用DAQ Assistant創(chuàng)建任務(wù)配置采集通道、采樣點數(shù)、采樣頻率、采樣范圍等參數(shù)[15]。通過在C#項目中添加NationalInstruments.DAQmx和NationalInstruments.Common引用，便可以直接調(diào)用NI_DAQ庫函數(shù)編程采集振動信號，振動信號采集程序流程如圖5所示。

圖5 信號采集流程圖

5 系統(tǒng)界面及測試

本系統(tǒng)在實驗室搭建了列車輪對仿真平臺，對列車輪對識別與振動監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真測試。假定實驗列車為車號為9999999的敞型列車，監(jiān)控程序運行界面如圖6，通信串口設(shè)置為COM1，波特率設(shè)置為115 200，連接讀寫器初始化設(shè)備。振動信號的采樣率設(shè)置為1 000 Hz，采樣樣本為1 000。系統(tǒng)啟動開始識別按鈕，當安裝電子標簽的輪對處于讀寫器天線的工作范圍時均被系統(tǒng)識別，并在計算機上顯示輪對的ID信息，識別到4個標簽信息為0110C9999999、0120C9999999、0130C9999999、0140C9999999，分別對應(yīng)列車車型為敞車的車號為9999999的第1個車廂的第1、2、3、4個車輪。采集的振動信號在波形圖中實時顯示，橫坐標為采樣時間(s)，縱坐標為振動信號電壓幅值(V)。

圖6 監(jiān)控程序界面

6 結(jié)束語

本文將RFID技術(shù)應(yīng)用到列車輪對識別與振動監(jiān)控上，利用電子標簽存儲輪對信息，并采用C#和Measurement Studio混合編程，開發(fā)了上位機軟件，軟件界面簡潔，易操作，方便人機交互，實現(xiàn)了對輪對的識別和振動信號的采集，為輪對的識別和動態(tài)監(jiān)測提供了一種高效的解決方案。