客運(yùn)列車智能給水及優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：隨著我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的快速發(fā)展，列車對(duì)水資源的需求量也在不斷增加。在人工給水作業(yè)時(shí)，時(shí)常發(fā)生安全事故，并存在著水資源的大量浪費(fèi)。為了從根本上解決這一棘手的問題，從列車自動(dòng)給水系統(tǒng)的整體布局、自動(dòng)上水執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)備和集中端與控制端的控制方案進(jìn)行了研究，對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障加以分析并提出處理方案，從而對(duì)我國(guó)鐵路客運(yùn)專線的給水系統(tǒng)改進(jìn)提出合理的建議。

關(guān)鍵詞：列車自動(dòng)給水；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；系統(tǒng)整體布局；故障處理

1客車給水的現(xiàn)狀與分析

隨著鐵路系統(tǒng)的不斷完善，鐵路系統(tǒng)對(duì)列車的運(yùn)營(yíng)效率不斷提高，列車速度快速提升，并且列車站內(nèi)停車時(shí)間逐漸縮短。然而，在當(dāng)前人工給水的方式下，水資源存在著大量的浪費(fèi)，給水工人安全事故頻繁發(fā)生，這些問題已嚴(yán)重阻礙了鐵路系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。改善給水設(shè)備，增強(qiáng)給水工作的管理水平，提高地面給水的效率，減少水資源的浪費(fèi)，這些都已成為了當(dāng)前急需解決的問題。

2系統(tǒng)控制方案

智能控制全自動(dòng)給水系統(tǒng)完全取代了當(dāng)前的人工給水，杜絕了安全事故的發(fā)生，節(jié)約了水資源，提高了積水效率。滿足了當(dāng)前鐵路發(fā)展的要求。該系統(tǒng)中的就地端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、集中端總控機(jī)構(gòu)和無線通訊系統(tǒng)是系統(tǒng)的主要組成部分。

2.1就地端執(zhí)行機(jī)構(gòu)

針對(duì)目前人工拖動(dòng)水管進(jìn)行給水工作的安全問題和低效率的缺點(diǎn)，本作品利用機(jī)械手臂替代人工給水，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能給水，滿足高效率給水的需求。就地端主要由機(jī)械手臂、DSP、無線通信模塊（ESP8266）、液位傳感器以及機(jī)器視覺進(jìn)行圖像采集的多種傳感器組成。將機(jī)械軌道放置于車站內(nèi)火車道的兩側(cè)，機(jī)械手臂置于機(jī)械軌道上。將液位傳感器從列水箱上的檢測(cè)孔中插入，避免對(duì)火車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造。列車進(jìn)站后，由于液位晃動(dòng)劇烈，設(shè)定一個(gè)值，當(dāng)液位變化頻率低于該值時(shí)，DSP再發(fā)出控制信號(hào)，控制機(jī)械臂給水。

2.2集中端總控機(jī)構(gòu)

針對(duì)列車給水過程中的各項(xiàng)檢測(cè)以及突發(fā)性設(shè)備故障燈多種問題。設(shè)計(jì)集中端上位機(jī)的給水專用軟件。集中端通過ESP8266模塊與就地端DSP相連，進(jìn)行信息的無線傳輸。此工控機(jī)軟件需工作人員登陸進(jìn)行操作。界面由停止給水，加熱、復(fù)位，通訊重連4個(gè)按鍵、一個(gè)實(shí)時(shí)列車水箱液位顯示圖和在執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)接收錯(cuò)誤報(bào)告的彈窗組成。設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障彈窗以及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的機(jī)械臂，便于工作人員及時(shí)維修；加熱鍵在寒冷地區(qū)使用，防止水管中的水結(jié)冰；停止給水鍵在需要緊急停止給水時(shí)由工作人員按下。通過集中端這一系統(tǒng)，對(duì)就地端進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制。

2.3無線通訊系統(tǒng)

無線通信模塊為信息傳遞的重要途徑。采用ESP8266模塊，與列車上接收傳感器測(cè)量信號(hào)的控制器、控制機(jī)械手臂的DSP、集中端工控機(jī)相連，并設(shè)計(jì)防止高壓影響信息傳輸?shù)碾娐?，使信息快速?zhǔn)確的傳輸。

3客車上水地面系統(tǒng)研究技術(shù)

3.1實(shí)現(xiàn)注水及觀測(cè)技術(shù)

3.1.1機(jī)械手臂

系統(tǒng)就地端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用機(jī)械手臂拖動(dòng)給水管道運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手臂采用超精簡(jiǎn)模型，該機(jī)械手臂主要包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)移動(dòng)副，其中兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別為180°和360°。經(jīng)過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)的配合，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的轉(zhuǎn)動(dòng)。移動(dòng)副在機(jī)械軌道上前后移動(dòng)，帶動(dòng)水管的前行與后退。機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)過程中，通過機(jī)器視覺自動(dòng)識(shí)別技術(shù)對(duì)列車注水口進(jìn)行進(jìn)準(zhǔn)定位，并時(shí)刻將其運(yùn)動(dòng)的位置信息反饋到DSP處理器中，從而準(zhǔn)確到達(dá)注水口處，并執(zhí)行給水動(dòng)作。[1]機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)過程中，系統(tǒng)機(jī)器視覺處理大致為以下幾步：a.由機(jī)械手臂轉(zhuǎn)軸上方安裝的CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，系統(tǒng)將采集的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式并傳入DSP的存儲(chǔ)器；b.接收到采集的圖像后，DSP進(jìn)行圖像處理，在處理器中預(yù)設(shè)多種圖像處理的算法,減少圖像提取模糊等因素對(duì)圖像處理。c.DSP處理器進(jìn)行特征提取，識(shí)別并量化圖像的關(guān)鍵特征，例如注水口位置，口徑等信息，并將這些數(shù)據(jù)傳到控制程序；d.處理器的控制程序依據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判決，控制機(jī)械臂移動(dòng)，糾正運(yùn)動(dòng)的誤差，直至水管與注水口無縫對(duì)接。[2]

3.1.2運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)要點(diǎn)

a.機(jī)器視覺處理過程中，由于涉及很大的數(shù)據(jù)處理量，對(duì)各個(gè)芯片以及工控機(jī)有較高的要求，并且需要高精度的參數(shù)設(shè)定，提高系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)度，在芯片的選型和硬件電路以及無線網(wǎng)絡(luò)的搭建中存在難度，由于經(jīng)驗(yàn)不足，在線路的建立與連接上可能會(huì)出現(xiàn)不足之處，導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定進(jìn)行工作。b.機(jī)械臂以及機(jī)器視覺處理系統(tǒng)需要同步匹配。c.列車進(jìn)站后，自動(dòng)快速地連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大量信息的傳遞和匹配，在通信故障時(shí)，工控機(jī)需要及時(shí)重新連接網(wǎng)絡(luò)，確保給水過程進(jìn)行。d.機(jī)器視覺處理的準(zhǔn)確和快速實(shí)現(xiàn)，確保在成功完成注水的同時(shí)不影響列車運(yùn)行。

3.2通信技術(shù)方面

在一定的通信協(xié)議基礎(chǔ)上，MCU和上位工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳遞，當(dāng)MCU和上位工控機(jī)聯(lián)機(jī)以后，MCU將之前收到的站點(diǎn)信息向上位機(jī)傳送，供工控機(jī)做進(jìn)一步的處理。由于MCU與上位工控機(jī)通訊成功以后，信息通過串口傳送給工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交流。發(fā)送的數(shù)據(jù)是通過信源編碼，信道編碼，信息加密等過程，可采用CDMA系統(tǒng)或者TDMA系統(tǒng)分別應(yīng)用RAKE接收或者自適應(yīng)均衡技術(shù)，都能起到抗衰落作用，提高通信的可靠性。同樣地，在接收端同樣對(duì)應(yīng)有信息解碼，信道譯碼和信源譯碼等過程，使得在判決數(shù)據(jù)過程盡量減少誤碼率。保障了兩端MCU接收到的信息能夠真實(shí)還原原操作指令。其中ESP8266是一款性價(jià)比較高的低功耗WIFI芯片。ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。ESP8266負(fù)責(zé)無線上網(wǎng)接入承擔(dān)WIFI適配器的任務(wù)，此時(shí)可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中。ESP8266高度集成的特點(diǎn)使得其外圍設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單容易。[3]采用ESP8266實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制的基本流程是：首先作為控制終端的設(shè)備如手機(jī)，通過WIFI接入ESP8266熱點(diǎn)，并且通過控制端應(yīng)用程序App建立Socket鏈接；第二步是通過App把需要傳遞的數(shù)據(jù)通過WIFI發(fā)送給ESP8266芯片，ESP8266芯片把WIFI信號(hào)轉(zhuǎn)換成串口信號(hào)，并通過串行通信口傳送給MCU；第三步是MCU通過得到的指令數(shù)據(jù)開始執(zhí)行處理；第四步是MCU在處理完成后通過ESP8266芯片，把執(zhí)行結(jié)果通過WIFI反饋給控制終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與電路的通信與控制。[4]

4工控機(jī)使用說明

本系統(tǒng)采用工控機(jī)控制，無線通訊技術(shù)采用無線通信模塊，需工作人員登陸進(jìn)行操作。此工控機(jī)界面由停止給水，加熱、復(fù)位，通訊重連4個(gè)按鍵、一個(gè)實(shí)時(shí)列車水箱液位顯示圖和在執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)接收錯(cuò)誤報(bào)告的彈窗組成：4.1停止給水：此功能鍵主要用于在列車實(shí)然要啟動(dòng)，但上水工作沒完成的情況下而強(qiáng)制停止給水操作。4.2加熱:用于防止在寒冷冰凍天氣時(shí)輸水管道結(jié)冰而導(dǎo)致出水口無法出水。4.3復(fù)位:整個(gè)系統(tǒng)重新啟動(dòng)。4.4通訊重連：用于在無數(shù)據(jù)顯示或數(shù)報(bào)無法實(shí)時(shí)更新時(shí)，重新建立起車廂與中央的通訊。4.5列車水箱液位實(shí)時(shí)顯示圖：每班次列車，每節(jié)車廂的水箱液位皆可查看，所有信息都存儲(chǔ)在工控機(jī)中。4.6錯(cuò)誤報(bào)告彈窗:系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)彈出的窗口，顯示故障原因，以便工作人員進(jìn)行維修。

5結(jié)論

通過對(duì)全自動(dòng)列車智能給水系統(tǒng)的技術(shù)研究與分析，建立了系統(tǒng)的基本構(gòu)架，并對(duì)系統(tǒng)各種故障以。在確保系統(tǒng)快速工作的同時(shí)，對(duì)高壓線路對(duì)通信設(shè)備的影響進(jìn)行了研究，從而使系統(tǒng)信息傳遞順利進(jìn)行。自動(dòng)給水系統(tǒng)的建立，提供了科學(xué)的給水管理平臺(tái)，保證了給水工作的可靠性、高效性與安全性，從而順應(yīng)鐵路系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，滿足其發(fā)展需求。

參考文獻(xiàn)

[1]王雨坤.列車自動(dòng)上水機(jī)器人[P].中國(guó)專利:B61C17/02,2016-08-05.

[2]余文勇,石繪.機(jī)器視覺自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.

[3]曹振民,陳年生,馬強(qiáng),武凌,武婧.基于ESP8266的無線控制電路設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2017,1,25.

作者：程鵬飛 王笑 王佳強(qiáng) 張志樂 江邈 單位：安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院