1、概述

在“互聯(lián)網(wǎng)+”、《中國(guó)制造2025》等國(guó)家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)政策的推動(dòng)和引導(dǎo)下，鐵路行業(yè)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品智能化提升，在保證車輛管理以及安全運(yùn)用方面發(fā)揮了重大作用。鐵路起重機(jī)作為鐵路運(yùn)營(yíng)安全保障體系中的重要裝備，在鐵路事故救援、線路工程施工、裝卸作業(yè)、設(shè)備和構(gòu)件安裝等方面發(fā)揮著不可替代的作用,但其在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用層面仍是空白。

遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)集無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(GPS,Global?Positioning?System)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、地理信息系統(tǒng)(GIS,Geo-graphic?Information?System)及管理信息系統(tǒng)(MIS,Management?Information?System)等技術(shù)于一身。在工程機(jī)械領(lǐng)域，三一重機(jī)有限公司針對(duì)挖掘機(jī)產(chǎn)品打造了“易維訊”智能管理系統(tǒng)(圖1)。易維訊管理系統(tǒng)具備設(shè)備管理、服務(wù)調(diào)度、債權(quán)管理和客戶增值四大主要功能，支持手機(jī)APP服務(wù)，除實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷功能以外，還為機(jī)主、操作人員和服務(wù)工程師搭建了溝通交流的平臺(tái)。

圖1三一集團(tuán)易維訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)

近年來，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司分別搭建了機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)(CMD)、動(dòng)車組車載動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(包括中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司搭建的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)DDU(Diagnostic?Downloading Unit)和中車青島四方機(jī)車車輛有限公司搭建的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置WTD(Wireless?data?Transmit?De-vice)),實(shí)現(xiàn)了車輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警以及地面專家遠(yuǎn)程故障應(yīng)急指導(dǎo)、檢修支持等功能。圖2是機(jī)車CMD系統(tǒng)架構(gòu)圖。

在實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外鐵路行業(yè)都在更加深入地研究其相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵系統(tǒng)(部件)的故障預(yù)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)技術(shù)以及產(chǎn)品健康管理,力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修以及基于狀態(tài)的生產(chǎn)調(diào)度，提升產(chǎn)品運(yùn)用的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性。圖3是狀態(tài)監(jiān)控及診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文通過研究車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控涉及的GPS定位、數(shù)據(jù)采集、無線傳輸以及Web應(yīng)用開發(fā)(包含手機(jī)APP應(yīng)用開發(fā))等相關(guān)技術(shù)，以中車齊齊哈爾車輛有限公司生產(chǎn)的高鐵救援起重機(jī)6為監(jiān)控對(duì)象，設(shè)計(jì)并開發(fā)鐵路救援起重機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)(平臺(tái)),實(shí)現(xiàn)高鐵救援起重機(jī)的位置、工況、故障等信息的遠(yuǎn)程采集，通過Web技術(shù)將信息以網(wǎng)頁(yè)的形式予以發(fā)布，制造廠商技術(shù)人員、起重機(jī)操作人員以及各級(jí)管理人員通過授權(quán)可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且支持用手機(jī)、智能終端等移動(dòng)設(shè)備的訪問。

圖2機(jī)車CMD系統(tǒng)架構(gòu)圖

2、關(guān)鍵技術(shù)研究

鐵路救援起重機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)采集、無線通信、Web應(yīng)用開發(fā)等技術(shù)，其中監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)是搭建鐵路起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖3狀態(tài)監(jiān)控及診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式研究

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式一

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式一是通用型架構(gòu)模式，見圖4,車輛通過加裝獨(dú)立的車載智能終端，實(shí)現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

圖4遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)圖(模式一)

車載終端集成GPS定位模塊，無線通信模塊(GPRS模塊)以及總線通信接口(RS232/CAN),通過總線通信接口接入設(shè)備的控制系統(tǒng)，采集并解析控制總線傳輸?shù)膱?bào)文，實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與傳輸。

車載終端還可作為監(jiān)控平臺(tái)與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)(文件)中轉(zhuǎn)站，接收監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的文件(控制程序),并對(duì)所接收到的程序文件進(jìn)行完整性校驗(yàn)后暫時(shí)存貯，待條件具備時(shí)進(jìn)行文件分發(fā)，將程序文件發(fā)送至相應(yīng)的控制器和顯示器，實(shí)現(xiàn)控制程序的遠(yuǎn)程升級(jí)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式二

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式二是集成式架構(gòu)模式，見圖5,通過車載控制系統(tǒng)的顯示器件或控制器件集成GPS/GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)車輛信息的遠(yuǎn)程采集和無線傳輸，無須單獨(dú)配置車載智能終端。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式三

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)模式三是以太網(wǎng)互聯(lián)式架構(gòu)模式，見圖6,通過互聯(lián)網(wǎng)(如以太網(wǎng)/GPRS/3G/4G等)將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備(以太網(wǎng)接口)與云端服務(wù)器連接，利用云端服務(wù)器，遠(yuǎn)程端工程師站可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備監(jiān)控、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程故障診斷和系統(tǒng)維護(hù)等功能，推動(dòng)制造業(yè)廠家步入“工業(yè)4.0”時(shí)代。

依據(jù)頂層設(shè)計(jì)思想，應(yīng)優(yōu)先選擇架構(gòu)模式二，通過升級(jí)高鐵救援起重機(jī)現(xiàn)有控制系統(tǒng)中的顯示器件(或控制器件),優(yōu)化、完善總線傳輸報(bào)文，實(shí)現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

圖5遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)圖(模式二)

圖6遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)圖(模式三)

目前，國(guó)有鐵路在用救援起重機(jī)總數(shù)量約為240臺(tái)左右[7],包括國(guó)產(chǎn)的100 t/125 t/160 t以及進(jìn)口的NS1600/NS1680/NS2000等多種型號(hào)，但同一型號(hào)的鐵路救援起重機(jī)其生產(chǎn)廠家、性能、控制器件也會(huì)有所不同，因此在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)國(guó)有鐵路救援起重機(jī)控制器件尚未統(tǒng)型的現(xiàn)狀，考慮監(jiān)控系統(tǒng)兼容性以及對(duì)在用控制系統(tǒng)的影響因素，建議選擇架構(gòu)模式一，這種實(shí)現(xiàn)方式配置靈活，通用性強(qiáng)，對(duì)原車載控制系統(tǒng)影響小。

隨著控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由CAN、MVB、TCN網(wǎng)絡(luò)向以太網(wǎng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，高鐵動(dòng)車組、復(fù)興號(hào)已率先實(shí)踐了以太網(wǎng)控制[8],鐵路救援起重機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)也必將向以太網(wǎng)絡(luò)控制方向發(fā)展，因此架構(gòu)模式三是未來車輛監(jiān)控的首選方式。

2.2 信息采集內(nèi)容的確定

鐵路救援起重機(jī)監(jiān)控平臺(tái)(系統(tǒng))的采集內(nèi)容見表1。

鐵路起重機(jī)的工作特點(diǎn)是“養(yǎng)病千日，用兵一時(shí)”,保證鐵路救援快速、安全、可靠作業(yè)是重點(diǎn)，主機(jī)制造廠商、關(guān)鍵部件供應(yīng)商如何協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及時(shí)處理救援起重機(jī)在運(yùn)用過程中出現(xiàn)的問題是核心，因此高鐵救援起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集內(nèi)容以車況信息(工況狀態(tài)、故障信息等)為主，并增加位置信息、日志信息的采集。

表1鐵路救援起重機(jī)監(jiān)控平臺(tái)(系統(tǒng))采集內(nèi)容

信息類型	信息名稱	信息內(nèi)容	采集裝置	功能
動(dòng)態(tài)信息(實(shí)時(shí))	位置信息	地理位置(經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間)	GPS北斗	遠(yuǎn)程定位動(dòng)態(tài)追蹤
	車況信息	關(guān)鍵系統(tǒng)狀態(tài)(控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng))關(guān)鍵部件狀態(tài)(如受電弓、底門、頂控制器蓋)操作日志(司機(jī)操作、作業(yè)信息)視頻信息	控制器傳感器控制器傳感器數(shù)據(jù)記錄儀安全系統(tǒng)攝像頭	故障診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障預(yù)警
靜態(tài)信息	履歷信息	車型、生產(chǎn)廠家、制造日期等	手工輸入	履歷管理
	配件信息	主要零部件信息	手工輸入	配件管理
	保養(yǎng)信息	歷次檢修保養(yǎng)信息	手工輸入	運(yùn)維管理

鐵路起重機(jī)的日志信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)采集儀(俗稱黑匣子),日志信息詳細(xì)記錄了正常作業(yè)信息和超載作業(yè)信息，通過收集高鐵救援起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)救援起重機(jī)產(chǎn)品的功能、性能、可靠性的長(zhǎng)期的跟蹤與驗(yàn)證。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，日志信息采集方式由傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)下載模式向遠(yuǎn)程在線式讀取方式發(fā)展。圖7是數(shù)據(jù)采集儀信息采集方式。

圖7數(shù)據(jù)采集儀信息采集方式

3高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案見圖8。

系統(tǒng)利用車載子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集高鐵救援起重機(jī)的定位信息(GPS信息)、狀態(tài)參數(shù)信息以及故障診斷信息等等，通過技術(shù)成熟可靠的無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入地面服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，然后由定位監(jiān)控軟件在地圖上實(shí)時(shí)標(biāo)定起重機(jī)的位置或者跟蹤其移動(dòng)軌跡。同時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)信息(結(jié)合歷史數(shù)據(jù))和制造商的技術(shù)資料等信息構(gòu)成高鐵救援起重機(jī)的完整檔案，采用Web技術(shù)將信息以網(wǎng)頁(yè)的形式予以發(fā)布，制造廠商技術(shù)人員、起重機(jī)操作人員以及各級(jí)管理人員通過授權(quán)可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且支持手機(jī)、智能終端等移動(dòng)設(shè)備的訪問。

圖8高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控總體方案示意圖

3.2 高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能

高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)組成，見圖9。車載子系統(tǒng)由車載數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備(簡(jiǎn)稱車載終端)、WLAN/4G/定位天線及配套線纜組成。負(fù)責(zé)車載數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸，并通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

車載終端集成GPS模塊采集車輛位置信息；通過CAN接口接入車載控制系統(tǒng)采集車輛狀態(tài)信息，包括工況信息、故障信息、日志信息等；并預(yù)留總線/以太網(wǎng)接口，待軸溫、制動(dòng)等車載監(jiān)控裝置發(fā)展成熟后，擴(kuò)展信息采集功能。

采集的車輛工況信息包括柴油機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)、力矩限制器系統(tǒng)狀態(tài)以及下車狀態(tài)等。這些狀態(tài)信息涉及控制器件40余個(gè)，包括控制器、傳感器、顯示器等。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)救援起重機(jī)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的傳輸，通過選用聯(lián)通公司的流量卡(SIM卡)安裝在車載數(shù)據(jù)終端GRPS模塊內(nèi)，并且對(duì)地面子系統(tǒng)中的服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，搭建數(shù)據(jù)傳輸通道，定制傳輸報(bào)文及傳輸策略，實(shí)現(xiàn)車載終端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

圖9高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

地面子系統(tǒng)主要由服務(wù)器組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)、Web應(yīng)用服務(wù)(支持手機(jī)APP應(yīng)用)、大數(shù)據(jù)分析服務(wù)等功能。

高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)的核心功能包括車輛管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障管理、大數(shù)據(jù)分析等功能。另外系統(tǒng)還預(yù)留第三方數(shù)據(jù)接口，以便與其它系統(tǒng)對(duì)接。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)方面，高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣及控制系統(tǒng)以及車輛狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可通過Web應(yīng)用和手機(jī)APP應(yīng)用兩種方式實(shí)時(shí)監(jiān)控高鐵救援起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，圖11是車輛運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面。

為提升高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的展示效果，系統(tǒng)引入了Unity?3D實(shí)時(shí)三維可視化技術(shù),構(gòu)建真實(shí)產(chǎn)品與數(shù)字世界的橋梁，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高鐵起重機(jī)實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫功能，見圖12。

4、應(yīng)用前景

2020年11月，高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)完成了樣機(jī)試制，目前系統(tǒng)處于樣機(jī)試運(yùn)用階段，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，未來將開展系統(tǒng)的優(yōu)化完善以及數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用等工作。

通過在高鐵救援起重機(jī)上引入遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵救援起重機(jī)的遠(yuǎn)程定位、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷等功能；并且通過實(shí)時(shí)的收集高鐵救援起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，對(duì)樣機(jī)產(chǎn)品的功能和性能、可靠性做長(zhǎng)期的跟蹤與驗(yàn)證。鐵路救援起重機(jī)制造廠商以實(shí)時(shí)采集、累積的作業(yè)數(shù)據(jù)(信息)作支撐，通過大數(shù)據(jù)分析，實(shí)踐精益研發(fā)、數(shù)字研發(fā)，提升救援起重機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)水平，而不是僅憑經(jīng)驗(yàn)或出現(xiàn)問題再進(jìn)行技術(shù)處理。

圖11車輛運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面

圖12?Unity?3D實(shí)時(shí)三維可視化頁(yè)面

通過高鐵救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)踐了車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控涉及的遠(yuǎn)程定位、數(shù)據(jù)采集、無線傳輸以及Web應(yīng)用、手機(jī)APP應(yīng)用開發(fā)等相關(guān)技術(shù)的測(cè)試、應(yīng)用，并提升了鐵路起重機(jī)產(chǎn)品的智能化水平，在鐵路救援裝備領(lǐng)域餞行了基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，為研究鐵路救援起重機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)踐樣本，為將來全路范圍內(nèi)統(tǒng)一推廣實(shí)施鐵路救援起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。