铁路救援起重机远程智能监控系统研究

1、概述

在“互联网+”、《中国制造2025》等国家产业转型与升级政策的推动和引导下，铁路行业借助物联网技术进行产品智能化提升，在保证车辆管理以及安全运用方面发挥了重大作用。铁路起重机作为铁路运营安全保障体系中的重要装备，在铁路事故救援、线路工程施工、装卸作业、设备和构件安装等方面发挥着不可替代的作用,但其在物联网技术应用层面仍是空白。

远程状态监控与故障诊断系统集无线通信技术、嵌入式技术、全球定位系统(GPS,Global Positioning System)、计算机网络通信、地理信息系统(GIS,Geo-graphic Information System)及管理信息系统(MIS,Management Information System)等技术于一身。在工程机械领域，三一重机有限公司针对挖掘机产品打造了“易维讯”智能管理系统(图1)。易维讯管理系统具备设备管理、服务调度、债权管理和客户增值四大主要功能，支持手机APP服务，除实现挖掘机产品的远程监控、远程诊断功能以外，还为机主、操作人员和服务工程师搭建了沟通交流的平台。

图1三一集团易维讯网络平台系统

近年来，中国国家铁路集团有限公司分别搭建了机车远程监测与诊断系统(CMD)、动车组车载动态监控系统(包括中车长春轨道客车股份有限公司搭建的远程数据传输系统DDU(Diagnostic Downloading Unit)和中车青岛四方机车车辆有限公司搭建的无线数据传输装置WTD(Wireless data Transmit De-vice)),实现了车辆运行状态的实时监测、故障预警以及地面专家远程故障应急指导、检修支持等功能。图2是机车CMD系统架构图。

在实现设备远程状态监控的基础上，国内外铁路行业都在更加深入地研究其相关产品的关键系统(部件)的故障预测、寿命预测技术以及产品健康管理,力争实现基于状态的维修以及基于状态的生产调度，提升产品运用的可靠性、经济性、科学性。图3是状态监控及诊断技术的发展趋势。

本文通过研究车辆远程监控涉及的GPS定位、数据采集、无线传输以及Web应用开发(包含手机APP应用开发)等相关技术，以中车齐齐哈尔车辆有限公司生产的高铁救援起重机6为监控对象，设计并开发铁路救援起重机远程智能监控及维护系统(平台),实现高铁救援起重机的位置、工况、故障等信息的远程采集，通过Web技术将信息以网页的形式予以发布，制造厂商技术人员、起重机操作人员以及各级管理人员通过授权可以实现起重机状态的远程实时监控，并且支持用手机、智能终端等移动设备的访问。

图2机车CMD系统架构图

2、关键技术研究

铁路救援起重机远程智能监控系统涉及数据采集、无线通信、Web应用开发等技术，其中监控系统架构模式以及数据采集技术是搭建铁路起重机远程监控系统的关键环节。

图3状态监控及诊断技术的发展趋势

2.1 远程监控系统架构模式研究

远程监控系统架构模式一

远程监控系统架构模式一是通用型架构模式，见图4,车辆通过加装独立的车载智能终端，实现车辆远程监控功能。

图4远程监控及维护系统架构图(模式一)

车载终端集成GPS定位模块，无线通信模块(GPRS模块)以及总线通信接口(RS232/CAN),通过总线通信接口接入设备的控制系统，采集并解析控制总线传输的报文，实现车辆状态参数的实时监控与传输。

车载终端还可作为监控平台与控制系统之间的数据(文件)中转站，接收监控平台下发的文件(控制程序),并对所接收到的程序文件进行完整性校验后暂时存贮，待条件具备时进行文件分发，将程序文件发送至相应的控制器和显示器，实现控制程序的远程升级。

远程监控系统架构模式二

远程监控系统架构模式二是集成式架构模式，见图5,通过车载控制系统的显示器件或控制器件集成GPS/GPRS模块，实现车辆信息的远程采集和无线传输，无须单独配置车载智能终端。

远程监控系统架构模式三

远程监控系统架构模式三是以太网互联式架构模式，见图6,通过互联网(如以太网/GPRS/3G/4G等)将工业现场的生产设备(以太网接口)与云端服务器连接，利用云端服务器，远程端工程师站可以实现数据传输、设备监控、故障报警、远程故障诊断和系统维护等功能，推动制造业厂家步入“工业4.0”时代。

依据顶层设计思想，应优先选择架构模式二，通过升级高铁救援起重机现有控制系统中的显示器件(或控制器件),优化、完善总线传输报文，实现车辆的远程监控功能。

图5远程监控及维护系统架构图(模式二)

图6远程监控及维护系统架构图(模式三)

目前，国有铁路在用救援起重机总数量约为240台左右[7],包括国产的100 t/125 t/160 t以及进口的NS1600/NS1680/NS2000等多种型号，但同一型号的铁路救援起重机其生产厂家、性能、控制器件也会有所不同，因此在监控系统设计时，依据国有铁路救援起重机控制器件尚未统型的现状，考虑监控系统兼容性以及对在用控制系统的影响因素，建议选择架构模式一，这种实现方式配置灵活，通用性强，对原车载控制系统影响小。

随着控制网络技术由CAN、MVB、TCN网络向以太网控制技术的不断发展，高铁动车组、复兴号已率先实践了以太网控制[8],铁路救援起重机控制网络也必将向以太网络控制方向发展，因此架构模式三是未来车辆监控的首选方式。

2.2 信息采集内容的确定

铁路救援起重机监控平台(系统)的采集内容见表1。

铁路起重机的工作特点是“养病千日，用兵一时”,保证铁路救援快速、安全、可靠作业是重点，主机制造厂商、关键部件供应商如何协助现场作业人员及时处理救援起重机在运用过程中出现的问题是核心，因此高铁救援起重机监控系统的信息采集内容以车况信息(工况状态、故障信息等)为主，并增加位置信息、日志信息的采集。

表1铁路救援起重机监控平台(系统)采集内容

信息类型	信息名称	信息内容	采集装置	功能
动态信息(实时)	位置信息	地理位置(经度、纬度、高度、时间)	GPS北斗	远程定位动态追踪
	车况信息	关键系统状态(控制系统、动力系统、液压系统、制动系统)关键部件状态(如受电弓、底门、顶控制器盖)操作日志(司机操作、作业信息)视频信息	控制器传感器控制器传感器数据记录仪安全系统摄像头	故障诊断状态监测故障预警
静态信息	履历信息	车型、生产厂家、制造日期等	手工输入	履历管理
	配件信息	主要零部件信息	手工输入	配件管理
	保养信息	历次检修保养信息	手工输入	运维管理

铁路起重机的日志信息存储于数据采集仪(俗称黑匣子),日志信息详细记录了正常作业信息和超载作业信息，通过收集高铁救援起重机运行数据信息，实现对救援起重机产品的功能、性能、可靠性的长期的跟踪与验证。

随着信息技术的发展，日志信息采集方式由传统的转储下载模式向远程在线式读取方式发展。图7是数据采集仪信息采集方式。

图7数据采集仪信息采集方式

3高铁救援起重机远程监控系统方案设计

3.1高铁救援起重机远程监控系统总体方案

高铁救援起重机远程监控系统总体方案见图8。

系统利用车载子系统，实时采集高铁救援起重机的定位信息(GPS信息)、状态参数信息以及故障诊断信息等等，通过技术成熟可靠的无线通讯网络发送到地面监控中心，数据经处理后存入地面服务器数据库，然后由定位监控软件在地图上实时标定起重机的位置或者跟踪其移动轨迹。同时，其状态参数信息(结合历史数据)和制造商的技术资料等信息构成高铁救援起重机的完整档案，采用Web技术将信息以网页的形式予以发布，制造厂商技术人员、起重机操作人员以及各级管理人员通过授权可以实现起重机状态的远程实时监控，并且支持手机、智能终端等移动设备的访问。

图8高铁救援起重机远程监控总体方案示意图

3.2 高铁救援起重机远程监控系统组成及功能

高铁救援起重机远程监控系统由车载子系统、通讯子系统和地面子系统组成，见图9。车载子系统由车载数据采集传输设备(简称车载终端)、WLAN/4G/定位天线及配套线缆组成。负责车载数据采集、处理、存储和传输，并通过数据传输子系统与地面子系统进行信息交互。

车载终端集成GPS模块采集车辆位置信息；通过CAN接口接入车载控制系统采集车辆状态信息，包括工况信息、故障信息、日志信息等；并预留总线/以太网接口，待轴温、制动等车载监控装置发展成熟后，扩展信息采集功能。

采集的车辆工况信息包括柴油机系统状态、力矩限制器系统状态以及下车状态等。这些状态信息涉及控制器件40余个，包括控制器、传感器、显示器等。数据传输子系统的功能是实现救援起重机状态信息数据的传输，通过选用联通公司的流量卡(SIM卡)安装在车载数据终端GRPS模块内，并且对地面子系统中的服务器进行网络配置，搭建数据传输通道，定制传输报文及传输策略，实现车载终端与服务器之间的数据的可靠传输。

图9高铁救援起重机远程监控系统组成图

地面子系统主要由服务器组成，实现数据接入服务、数据存储服务、Web应用服务(支持手机APP应用)、大数据分析服务等功能。

高铁救援起重机远程监控及维护系统的核心功能包括车辆管理、实时监控、故障管理、大数据分析等功能。另外系统还预留第三方数据接口，以便与其它系统对接。

在远程监控技术方面，高铁救援起重机远程监控项目实现了动力系统、液压系统、电气及控制系统以及车辆状态的远程监控，可通过Web应用和手机APP应用两种方式实时监控高铁救援起重机运行状态，图11是车辆运行状态实时监控页面。

为提升高铁救援起重机远程监控系统的展示效果，系统引入了Unity 3D实时三维可视化技术,构建真实产品与数字世界的桥梁，实现了基于数据驱动的高铁起重机实时三维动画功能，见图12。

4、应用前景

2020年11月，高铁救援起重机远程监控及维护系统完成了样机试制，目前系统处于样机试运用阶段，系统的各项功能均达到设计要求，未来将开展系统的优化完善以及数据挖掘应用等工作。

通过在高铁救援起重机上引入远程监控及维护系统，实现对高铁救援起重机的远程定位、设备状态实时运行监控、远程故障诊断等功能；并且通过实时的收集高铁救援起重机运行数据信息，对样机产品的功能和性能、可靠性做长期的跟踪与验证。铁路救援起重机制造厂商以实时采集、累积的作业数据(信息)作支撑，通过大数据分析，实践精益研发、数字研发，提升救援起重机设计、制造技术水平，而不是仅凭经验或出现问题再进行技术处理。

图11车辆运行状态实时监控页面

图12 Unity 3D实时三维可视化页面

通过高铁救援起重机远程监控及维护系统的建设，实践了车辆远程监控涉及的远程定位、数据采集、无线传输以及Web应用、手机APP应用开发等相关技术的测试、应用，并提升了铁路起重机产品的智能化水平，在铁路救援装备领域饯行了基于物联网的应用，为研究铁路救援起重机远程智能监控系统提供了技术基础和实践样本，为将来全路范围内统一推广实施铁路救援起重机远程监控系统提供了技术储备。