于惠鈞，肖宇韜，江志輝

（1.湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學 軌道交通工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

鐵路建設(shè)事業(yè)深受國家社會的支持、重視，《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》中指出國家要大力推進5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)與鐵路各領(lǐng)域的深度融合，提升鐵路智能化水平[1]。目前我國擁有世界上規(guī)模最大的電氣化普速鐵路網(wǎng)，由于其采用帶回流線直接供電方式[2]，因此檢修作業(yè)時接觸網(wǎng)與回流線都需要掛接地線，使得檢修工作愈發(fā)繁重[3]，在作業(yè)中進行接地狀態(tài)監(jiān)測是對作業(yè)員人身安全的重要保障。

目前智能機器人技術(shù)已經(jīng)開始應用在電網(wǎng)中，對變電站的變電設(shè)備進行帶電檢修，這種機器人集數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和預警決策于一體，取代傳統(tǒng)人工檢修方式，有效提升電網(wǎng)運行質(zhì)量[4]。鐵路接觸網(wǎng)同為高壓電環(huán)境，且很多時候檢修作業(yè)會面臨對向仍有列車通行的情況即接觸網(wǎng)V 型(V 停)天窗作業(yè)[5]，利用智能機器人代替人工去完成該操作可以降低安全風險[6]。同時物聯(lián)網(wǎng)及通信技術(shù)的發(fā)展對于實時監(jiān)測接觸網(wǎng)接地狀態(tài)信息有很大的幫助，利用ZigBee 技術(shù)的接觸網(wǎng)接地狀態(tài)監(jiān)測裝置，擬解決通信盲區(qū)問題即無移動網(wǎng)絡覆蓋時的通信[7]，但該技術(shù)是一種應用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù)，在V 型天窗作業(yè)時，現(xiàn)場會產(chǎn)生很強的感應電壓[8]，存在一定的電磁干擾，ZigBee 設(shè)備在干擾下的效果會有所減弱。

針對上述問題設(shè)計一種機器人與遠距離無線電（Long Range Radio,LoRa）的普鐵接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，利用人工智能機器人作為數(shù)據(jù)采集裝置在鐵路上代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工完成驗電與接地操作，不僅可以降低發(fā)生人身安全事故的風險，亦可實時采集驗電與接地狀態(tài)信息；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中應用廣泛的LoRa 通信技術(shù)來解決鐵路這類非完美環(huán)境對于通信的干擾問題[9]，并及時將信息傳遞至云端服務器，最后通過PC 端顯示機器人采集的狀態(tài)信息，完成檢修作業(yè)時對普鐵接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由充當數(shù)據(jù)采集裝置的接觸網(wǎng)驗電接地機器人、LoRa 自組網(wǎng)、云端服務器平臺組成。在作業(yè)現(xiàn)場即鐵路上用來代替人工作業(yè)的接觸網(wǎng)驗電接地機器人作為一個數(shù)據(jù)采集裝置，該智能機器人具有驗電、掛接地線、掛接回流線以及采集這幾項狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能，通過內(nèi)置的LoRa 節(jié)點模塊將信息傳遞至作業(yè)現(xiàn)場外裝載在作業(yè)車上的LoRa 網(wǎng)關(guān)；采用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，利用LoRa 網(wǎng)關(guān)將信息通過4G/5G 網(wǎng)絡傳遞至云服務器，云服務器可以將信息整理、分析，經(jīng)過處理后的信息可在調(diào)度中心的PC 端用直觀方式呈現(xiàn)，實現(xiàn)接地狀態(tài)信息的可視化。該監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 普鐵接觸網(wǎng)接地狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要分為機器人的驗電接地狀態(tài)采集模塊硬件以及LoRa 自組網(wǎng)的硬件設(shè)計。接地狀態(tài)采集機器人主要實現(xiàn)采集并發(fā)送驗電與掛接地線的狀態(tài)數(shù)據(jù)，LoRa 自組網(wǎng)主要實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收與上傳至云端服務器。

2.1 狀態(tài)采集模塊硬件設(shè)計

接觸網(wǎng)驗電接地狀態(tài)采集機器人的主體為電動伸縮桿，頭部的帶抓手電動桿將完成對接觸網(wǎng)的先驗電再接地的操作，側(cè)邊的帶回流線接地夾直桿將完成回流線的接地操作，其整體外觀模型設(shè)計如圖2 所示。

圖2 接觸網(wǎng)驗電接地機器人整體外觀模型

該機器人最核心的部件就是驗電接地狀態(tài)采集模塊，主要由MCU 微處理器單元、驗電器單元、接地斷路器單元、回流線接地控制器單元、LoRa 通信節(jié)點單元、電源單元組成，驗電接地狀態(tài)采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 驗電接地狀態(tài)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 LoRa 自組網(wǎng)的硬件設(shè)計

LoRa 技術(shù)是一種擴頻調(diào)制技術(shù)，也稱為Chirp 調(diào)制[10]。擴頻技術(shù)是一種用帶寬換取靈敏度的技術(shù)，Wi-Fi、ZigBee 等都使用了擴頻技術(shù)。根據(jù)香農(nóng)定理：

其中，Cx為信道容量，單位為b/s；Bx為信道帶寬，單位為Hz；Sx為信號功率，單位為W；n0為噪聲功率譜密度，單位為W/Hz；Nx為噪聲功率，單位為W。

相比于Wi-Fi、ZigBee 等，LoRa 調(diào)制的特點就是接近香農(nóng)定理的極限，最大效率地提高靈敏度。LoRa 是一種成本花費較低的無線通信技術(shù)，特點是傳輸距離遠、功耗損耗低、連接節(jié)點多、抗干擾性強，同時LoRa 傳輸?shù)奶攸c是低速率、小數(shù)據(jù)。因此，利用LoRa 節(jié)點來傳輸接觸網(wǎng)接地狀態(tài)監(jiān)測機器人的相關(guān)數(shù)據(jù)信息在理論上是適應鐵路作業(yè)環(huán)境的。本系統(tǒng)采用的LoRa 模塊是Ebyte 生產(chǎn)的E22-400 型，將該模塊放置于機器人內(nèi)部，用來與傳感器連接，可以將傳感器采集的各種狀態(tài)信息發(fā)送出去，并由MCU 控制。其電路圖如圖4 所示。

圖4 LoRa 模塊電路圖

為了與LoRa 模塊完美適配，同樣采用Ebyte 生產(chǎn)的GATEWAY E90-DTU 型LoRa 網(wǎng)關(guān)，只需通過配置軟件的進行射頻設(shè)置就可以將多個LoRa 模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)連接起來，構(gòu)成一套LoRa 自組網(wǎng)絡。當LoRa 模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)配置完成并且成功連接后，LoRa 模塊就可以將從傳感器接收到的信息數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa 網(wǎng)關(guān)；利用網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的4G 或5G 移動網(wǎng)絡模塊將信息數(shù)據(jù)上傳至云端服務器。

云服務器可以幫助使用者更加便捷地處理與存儲數(shù)據(jù)信息，只需要有網(wǎng)絡就可以隨時隨地連接云端服務器[11]。尤其是在鐵路進行大小檢修作業(yè)時，鐵路調(diào)度中心的工作人員只需用一臺PC 端就可以連接云端服務器，對作業(yè)現(xiàn)場的接觸網(wǎng)驗電接地狀態(tài)采集機器人傳輸?shù)男畔⒖梢詫崟r查看，一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異?？梢择R上聯(lián)系現(xiàn)場作業(yè)工人并且可以及時進行應急方案的啟動。

LoRa 通信的一種應用模型已經(jīng)廣泛應用于其他各種工業(yè)場景中，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)提升，應用范圍在未來會不斷擴展。該模型如圖5 所示。

圖5 LoRa 通信應用模型圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要分為機器人的驗電接地狀態(tài)采集模塊控制程序以及LoRa 自組網(wǎng)部分的軟件設(shè)計。驗電接地狀態(tài)采集機器人的控制程序主要控制機器人進行驗電、掛接地線與回流線等操作，并向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)指令；LoRa 自組網(wǎng)連接云端服務器需要編寫建立一個TCP 服務端[12]，同時還需要編寫監(jiān)測程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的基本可視化。

3.1 狀態(tài)采集機器人控制程序設(shè)計

狀態(tài)采集機器人的控制程序?qū)⒋鎯Φ組CU 微處理器中，由C 語言編寫。機器人先驗電自檢，該步驟主要是為了驗證該機器人的驗電器工作性能是否良好，是否能夠檢測到自身產(chǎn)生的高壓信號；驗電自檢正常后主伸縮桿開始向上伸展，自檢如果不正常將直接報警，提示作業(yè)人員進行干預；檢測有到位信號就會停止伸展，否則將繼續(xù)伸展直到檢測有到位信號。隨后頭部的帶抓手電動桿旋轉(zhuǎn)90°后垂直向上觸碰接觸網(wǎng)進行驗電操作，檢測到無高壓信號，確認該段接觸網(wǎng)已經(jīng)停電，否則主伸縮桿將向下縮回并報警提示作業(yè)人員，起到安全防護作用；確定停電后，閉合斷路器同時接地線導通，隨即開啟驗電與接地狀態(tài)監(jiān)測。驗電與接地操作完成后，側(cè)邊帶回流線接地夾的直桿旋轉(zhuǎn)90°后觸碰回流線，開始進行回流線接地操作，同樣檢測有無到位信號，到位后將開啟回流線接地狀態(tài)監(jiān)測。待收到作業(yè)完成指令后，將關(guān)閉所有監(jiān)測，然后先縮回側(cè)桿再收回帶抓手電動桿，斷開斷路器和接地線，最后縮回主伸縮桿，完成所有操作。其程序流程如圖6 所示。

圖6 狀態(tài)采集機器人控制程序流程圖

3.2 TCP 服務端及監(jiān)測程序設(shè)計

C#語言綜合了Visual Basic 和C++簡單的可視化操作以及高運行效率[13]，同時考慮到網(wǎng)關(guān)與云服務器之間采用TCP/IP 傳輸協(xié)議連接，而且需要一個界面式的服務端方便查看數(shù)據(jù)接收情況，因此利用C#語言編寫一個TCP 服務端程序[14]；考慮到Python 語言易于擴展[15]，因此利用Python 語言編寫設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測程序。在云服務器上開啟編寫好的TCP 服務端程序以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測程序，其程序流程如圖7 所示。

圖7 TCP 服務端及監(jiān)測程序流程圖

4 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)模擬測試

4.1 狀態(tài)采集模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)通信測試

首先進行狀態(tài)采集模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)通信測試，實際應用中，不論是在城市中還是在鐵路作業(yè)現(xiàn)場，很多因素都能產(chǎn)生一定的干擾；利用高壓發(fā)生器可以模擬產(chǎn)生高壓信號，狀態(tài)采集模塊的驗電器單元將開始作業(yè)，狀態(tài)信息將通過LoRa 模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，狀態(tài)采集模塊的驗電器單元實物如圖8 所示。

圖8 狀態(tài)采集模塊的驗電器單元實物圖

利用在不同環(huán)境下的幾段距離來測試LoRa 通信的信號強弱?？紤]到在實際作業(yè)中，放置于檢修人員乘坐車輛上的LoRa 網(wǎng)關(guān)離作業(yè)現(xiàn)場的距離不超過3 km（通常情況，距離會在1 km 范圍內(nèi)），因此測試3 km 范圍內(nèi)幾種場景下狀態(tài)采集模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)在幾段距離的信號強弱。在各場景內(nèi)進行一定次數(shù)的收發(fā)信息測試，信號越強，信息收發(fā)速度越快，綜合測試結(jié)果，分析得出采用LoRa 通信的狀態(tài)采集模塊可以達到設(shè)計預期效果，信號強弱測試結(jié)果分析如表1 所示。

表1 信號強弱測試結(jié)果分析

4.2 LoRa 網(wǎng)關(guān)與云服務器數(shù)據(jù)傳輸測試

可以自主搭建一個云服務器，也可以在任意云平臺上注冊申請一個。然后測試LoRa 網(wǎng)關(guān)與云服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸效果。例如在調(diào)度中心的PC 端登錄云服務器，在界面打開LoRa 網(wǎng)絡通信調(diào)試軟件，建立一個TCP Server，與在網(wǎng)關(guān)中配置一樣，配置好相應的地址與端口；在所有步驟無誤后，可以在LoRa 網(wǎng)絡通信調(diào)試軟件中查看到連接已建立的提示，即表示網(wǎng)關(guān)連接云服務器成功。連接成功后即可接收來自LoRa 網(wǎng)關(guān)的Modbus數(shù)據(jù)指令。程序界面如圖9 所示。

圖9 TCP 服務端界面圖

同時PC 端在接收到驗電與接地狀態(tài)信息的相關(guān)指令后，將自動將指令儲存到本地日志中，由Python 編寫的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測程序?qū)⒃诤笈_自動讀取日志中的Modbus 數(shù)據(jù)指令，當接收到的指令表示驗電器正常、接觸網(wǎng)接地正常、回流線接地正常，可以在PC 端的設(shè)備信號監(jiān)測窗口看到表示正常的三盞綠燈亮起，如圖10(a)所示；當運行過程中突然接收到的表示驗電器異常的指令，設(shè)備信號監(jiān)測窗口的驗電器將亮起表示異常的紅燈，如圖10(b)所示。

圖10 狀態(tài)監(jiān)測界面圖

5 結(jié)論

將人工智能機器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于鐵路的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)中構(gòu)建一個狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，這既符合國家對于鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃中提升鐵路智能化水平的要求，同時該接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)利用智能機器人代替人工進行驗電與掛接地線的操作也能夠提升作業(yè)時的安全性；相比傳統(tǒng)的信息傳輸手段，利用物聯(lián)網(wǎng)中的主流通信技術(shù)，不僅能夠有效提升抗干擾性，并且一定程度上可以解決移動網(wǎng)絡無法覆蓋時信息的有效傳輸問題。