客運列車智能給水及優(yōu)化系統(tǒng)設計
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摘要：隨著我國鐵路運營系統(tǒng)的快速發(fā)展，列車對水資源的需求量也在不斷增加。在人工給水作業(yè)時，時常發(fā)生安全事故，并存在著水資源的大量浪費。為了從根本上解決這一棘手的問題，從列車自動給水系統(tǒng)的整體布局、自動上水執(zhí)行機構的設備和集中端與控制端的控制方案進行了研究，對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障加以分析并提出處理方案，從而對我國鐵路客運專線的給水系統(tǒng)改進提出合理的建議。
關鍵詞：列車自動給水；執(zhí)行機構；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)對列車的運營效率不斷提高，列車速度快速提升，并且列車站內(nèi)停車時間逐漸縮短。然而，在當前人工給水的方式下，水資源存在著大量的浪費，給水工人安全事故頻繁發(fā)生，這些問題已嚴重阻礙了鐵路系統(tǒng)的進一步發(fā)展。改善給水設備，增強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，這些都已成為了當前急需解決的問題。
2系統(tǒng)控制方案
智能控制全自動給水系統(tǒng)完全取代了當前的人工給水，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。滿足了當前鐵路發(fā)展的要求。該系統(tǒng)中的就地端執(zhí)行機構、集中端總控機構和無線通訊系統(tǒng)是系統(tǒng)的主要組成部分。
2.1就地端執(zhí)行機構
針對目前人工拖動水管進行給水工作的安全問題和低效率的缺點，本作品利用機械手臂替代人工給水，實現(xiàn)全自動智能給水，滿足高效率給水的需求。就地端主要由機械手臂、DSP、無線通信模塊（ESP8266）、液位傳感器以及機器視覺進行圖像采集的多種傳感器組成。將機械軌道放置于車站內(nèi)火車道的兩側，機械手臂置于機械軌道上。將液位傳感器從列水箱上的檢測孔中插入，避免對火車內(nèi)部結構的改造。列車進站后，由于液位晃動劇烈，設定一個值，當液位變化頻率低于該值時，DSP再發(fā)出控制信號，控制機械臂給水。
2.2集中端總控機構
針對列車給水過程中的各項檢測以及突發(fā)性設備故障燈多種問題。設計集中端上位機的給水專用軟件。集中端通過ESP8266模塊與就地端DSP相連，進行信息的無線傳輸。此工控機軟件需工作人員登陸進行操作。界面由停止給水，加熱、復位，通訊重連4個按鍵、一個實時列車水箱液位顯示圖和在執(zhí)行機構故障時接收錯誤報告的彈窗組成。設置執(zhí)行機構故障彈窗以及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的機械臂，便于工作人員及時維修；加熱鍵在寒冷地區(qū)使用，防止水管中的水結冰；停止給水鍵在需要緊急停止給水時由工作人員按下。通過集中端這一系統(tǒng)，對就地端進行監(jiān)測、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量信號的控制器、控制機械手臂的DSP、集中端工控機相連，并設計防止高壓影響信息傳輸?shù)碾娐?，使信息快速準確的傳輸。
3客車上水地面系統(tǒng)研究技術
3.1實現(xiàn)注水及觀測技術
3.1.1機械手臂
系統(tǒng)就地端執(zhí)行機構采用機械手臂拖動給水管道運動。機械手臂采用超精簡模型，該機械手臂主要包括兩個轉(zhuǎn)動副，一個移動副，其中兩個轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動角度分別為180°和360°。經(jīng)過兩個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動的配合，可以實現(xiàn)高靈敏度的轉(zhuǎn)動。移動副在機械軌道上前后移動，帶動水管的前行與后退。機械手臂在運動過程中，通過機器視覺自動識別技術對列車注水口進行進準定位，并時刻將其運動的位置信息反饋到DSP處理器中，從而準確到達注水口處，并執(zhí)行給水動作。[1]機械手臂運動過程中，系統(tǒng)機器視覺處理大致為以下幾步：a.由機械手臂轉(zhuǎn)軸上方安裝的CCD相機進行圖像采集，系統(tǒng)將采集的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式并傳入DSP的存儲器；b.接收到采集的圖像后，DSP進行圖像處理，在處理器中預設多種圖像處理的算法,減少圖像提取模糊等因素對圖像處理。c.DSP處理器進行特征提取，識別并量化圖像的關鍵特征，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)進行判決，控制機械臂移動，糾正運動的誤差，直至水管與注水口無縫對接。[2]
3.1.2運動控制技術要點
a.機器視覺處理過程中，由于涉及很大的數(shù)據(jù)處理量，對各個芯片以及工控機有較高的要求，并且需要高精度的參數(shù)設定，提高系統(tǒng)的嚴謹度，在芯片的選型和硬件電路以及無線網(wǎng)絡的搭建中存在難度，由于經(jīng)驗不足，在線路的建立與連接上可能會出現(xiàn)不足之處，導致系統(tǒng)不能穩(wěn)定進行工作。b.機械臂以及機器視覺處理系統(tǒng)需要同步匹配。c.列車進站后，自動快速地連接網(wǎng)絡實現(xiàn)大量信息的傳遞和匹配，在通信故障時，工控機需要及時重新連接網(wǎng)絡，確保給水過程進行。d.機器視覺處理的準確和快速實現(xiàn)，確保在成功完成注水的同時不影響列車運行。
3.2通信技術方面
在一定的通信協(xié)議基礎上，MCU和上位工控機進行數(shù)據(jù)交換和傳遞，當MCU和上位工控機聯(lián)機以后，MCU將之前收到的站點信息向上位機傳送，供工控機做進一步的處理。由于MCU與上位工控機通訊成功以后，信息通過串口傳送給工控機，實現(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)分別應用RAKE接收或者自適應均衡技術，都能起到抗衰落作用，提高通信的可靠性。同樣地，在接收端同樣對應有信息解碼，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還原原操作指令。其中ESP8266是一款性價比較高的低功耗WIFI芯片。ESP8266是一個完整且自成體系的WIFI網(wǎng)絡解決方案，能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。ESP8266負責無線上網(wǎng)接入承擔WIFI適配器的任務，此時可以將其添加到任何基于微控制器的設計中。ESP8266高度集成的特點使得其外圍設計非常簡單容易。[3]采用ESP8266實現(xiàn)遠程無線控制的基本流程是：首先作為控制終端的設備如手機，通過WIFI接入ESP8266熱點，并且通過控制端應用程序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信號轉(zhuǎn)換成串口信號，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)行結果通過WIFI反饋給控制終端設備，實現(xiàn)終端設備與電路的通信與控制。[4]
4工控機使用說明
本系統(tǒng)采用工控機控制，無線通訊技術采用無線通信模塊，需工作人員登陸進行操作。此工控機界面由停止給水，加熱、復位，通訊重連4個按鍵、一個實時列車水箱液位顯示圖和在執(zhí)行機構故障時接收錯誤報告的彈窗組成：4.1停止給水：此功能鍵主要用于在列車實然要啟動，但上水工作沒完成的情況下而強制停止給水操作。4.2加熱:用于防止在寒冷冰凍天氣時輸水管道結冰而導致出水口無法出水。4.3復位:整個系統(tǒng)重新啟動。4.4通訊重連：用于在無數(shù)據(jù)顯示或數(shù)報無法實時更新時，重新建立起車廂與中央的通訊。4.5列車水箱液位實時顯示圖：每班次列車，每節(jié)車廂的水箱液位皆可查看，所有信息都存儲在工控機中。4.6錯誤報告彈窗:系統(tǒng)發(fā)生故障時彈出的窗口，顯示故障原因，以便工作人員進行維修。
5結論
通過對全自動列車智能給水系統(tǒng)的技術研究與分析，建立了系統(tǒng)的基本構架，并對系統(tǒng)各種故障以。在確保系統(tǒng)快速工作的同時，對高壓線路對通信設備的影響進行了研究，從而使系統(tǒng)信息傳遞順利進行。自動給水系統(tǒng)的建立，提供了科學的給水管理平臺，保證了給水工作的可靠性、高效性與安全性，從而順應鐵路系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，滿足其發(fā)展需求。
參考文獻
[1]王雨坤.列車自動上水機器人[P].中國專利:B61C17/02,2016-08-05.
[2]余文勇,石繪.機器視覺自動檢測技術[M].北京:化學工業(yè)出版社.
[3]曹振民,陳年生,馬強,武凌,武婧.基于ESP8266的無線控制電路設計[J].工業(yè)控制計算機,2017,1,25.
作者：程鵬飛 王笑 王佳強 張志樂 江邈 單位：安徽理工大學電氣與信息工程學院