卢宇星，夏惠兴，华洪斌，王志军，杜 冬

(1.神华铁路装备有限责任公司，北京 100089；2.江苏江凌测控科技股份有限公司，江苏无锡 214422)

1 概述

在“公转铁”运输结构调整的背景下，铁路面临更为艰巨的货运任务[1]，大秦铁路是中国境内首条重载铁路兼煤运通道干线铁路，它以中国铁路1%的营业里程完成全国铁路20%、全国13%的煤炭运量，对国内五大发电集团、各电厂、钢铁公司的发展，以及沿线多家大中型企业和上亿居民的生产生活产生了巨大影响[2]。C80 型敞车是为适应大秦线大载重、高频率运行以及秦皇岛码头不摘钩连续翻卸而设计的运煤专用敞车[3]，货车转向架作为铁路货车的走行部，是铁路货车最为重要和关键的部件之一，其健康状态直接关乎铁路货车的运行安全。当前大秦铁路货运采用的是“5T”安全监测系统，即红外线轴温探测系统（THDS）、货车运行故障动态图像检测系统（TFDS）、货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统（TADS）、货车运行状态地面安全监测系统（TPDS）、车辆轮对故障、尺寸动态检测系统（TWDS），在“5T”安全监测系统中当车载安全监测设备在监测到车辆设备的异常或故障时，自动启动报警实时发送机制，将此信息通过 GPRS 实时发送出去,但GPRS 仅适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，且传输速率较慢[4]。

传统的车地信息传输方式主要分为两类，一类是点式传递方式，包括查询应答器和点式感应环线；另一类是连续式传递信息方式，包括轨道电路、轨道电缆以及无线传输方式[5]。为保证铁路安全，实现列车自动控制，要求车-地之间进行双向、大量信息传输。文献[6]提出基于无线通信的列控系统是中国铁路的发展方向。文献[7]提出基于漏泄波导的无线通信方式，它可以实现车地双向传输，传输频带宽、速率高、信息量大。但漏泄波导在受限空间的电波覆盖性能方面需要提高[8]。

以现有“5T”系统已在铁路轨道两边按一定的距离要求建设好的探测站为基础，在现有“5T”系统的探测站内设置一个轨旁数据基站，该轨旁数据基站仅在探测站内共用供电电源，不占用站内和“5T”系统的其他资源，研究轨旁数据基站和车载无线无源传感与监测组件的多线程WSN 通信技术，将货车转向架的实时状态监测与故障诊断结果通过“5T”网络传输到上位机，便于后台操作人员监控车辆状态，进行车辆故障预警，并根据货车健康状态进行视情维修，在故障刚有苗头的早期阶段发现并予以处理，有效预防重、特大事故的发生，同时，还能减少检修工作量、提高货车车辆使用率。

2 UWB通信技术车地信息传输系统

2.1 UWB通信技术原理

美国FCC 对UWB 定义为：

式中，fH、fL分别为功率较峰值功率下降10 dB时所对应的高端频率和低端频率，fc为载波频率或中心频率，如图1 所示。

图1 超宽带信号与窄带信号的比较Fig.1 Comparison between ultra wide band signal and narrow band signal

UWB 技术最早出现在马可尼的火花放电式的莫尔斯电报试验[9]。超宽带无线电通信可以通过脉冲无线电方式实现，它是采用冲击脉冲作为信息载体的无线电技术[10]。UWB 采用高斯函数的各阶导数函数作为发射脉冲波形，直接发射窄脉冲进行通信，即直接将经过频谱成形之后的宽带窄脉冲发射出去，信道上传输的是基带信号，脉冲UWB 信号波形如图2 所示。所以，接收机不需要经过逐级下变频之后再进行解调，主要由一个相关检测器构成，其收发信机结构也比传统的收发信机结构简单，其结构如图3 所示。

图2 脉冲UWB信号的时域及频域波形Fig.2 Waveforms of the time domain and frequency domain of pulse UWB signal

图3 UWB收发信机结构Fig.3 Structure of UWB transceiver

UWB 技术因其低成本、低功耗等优点而成为短距离无线通信的研究热点。尤其在频谱资源日益紧张的情况下，UWB 的频谱共享特性使得它被广泛利用。UWB 通信技术相较于传统通信技术具有很多优势，首先，UWB 的速率高、容量大，功耗低；其次，UWB 系统的结构简洁、投入低[11]。

2.2 UWB通信技术车地信息传输系统结构

铁路货车车地信息传输系统包括车载无线无源传感与监测组件、轨旁数据基站和地面监测与诊断主机，系统总体结构框如图4 所示。

轨旁数据基站采用非3.5 GHz、5 GHz 频段的无线通信方式和车载无线无源传感与监测组件组成UWB 通信网络，可最大程度的减小不同系统间的相互干扰隐患。轨旁数据基站具有多线程通信功能，当检测到铁路货运车辆进入UWB 通信网络通信范围，自动启动多线程UWB 通信，接收并缓存货运车辆的运行状态监测数据，直到车辆完全离开UWB 通信网络通信范围才结束UWB 通信。在每次接收数据完成后，轨旁数据基站通过“5T”网络自动将数据传输到车辆段内的地面监测与诊断主机，由地面监测与诊断主机对列车运行状态数据进行分析处理与故障诊断，并根据诊断结果规划下一个轨旁数据基站的数据接收任务。轨旁数据基站在完成车辆运行状态数据的接收与传输后自动进入低功耗待机状态，以最大程度节约电能消耗。

图4 系统总体结构框图Fig.4 Block diagram of overall system structure

1）车载无线无源传感与监测组件

无线无源转向架振动传感与监测组件以一个转向架作为监测单位，该组件安装在铁路货车转向架的一个车轴的轴端，利用微型测速发电机实现转速测量与无线无源转向架振动传感与监测组件供电。本组件连接4 个能监测振动、冲击和温度信号的组合传感器以实现对转向架运行状态的全面监测，原始数据在监测组件中进行实时故障诊断处理，监测结果通过UWB 通信网络传送到轨旁数据基站，并最终汇总于地面监测与诊断主机。无线无源转向架振动传感与监测组件采用低功耗、模块化设计，其结构如图5 所示。

图5 无线无源传感与监测组件结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the structure of wireless passive sensing and monitoring components

该组件中的CPU 模块是无线无源转向架振动传感与监测组件的核心，经无线模块将车载监测与轨旁数据基站组成UWB 通信网络。每个转向架安装一个现场数据诊断传送单元，即UWB 发射模块，UWB 发射模块以单片超宽带无线收发芯片DW1000 为核心设计，它有数据发送功能。通过WSN 无线传输的方式，将该转向架的振动信号传输至安装在铁路轨道旁的轨旁数据基站。

2）轨旁数据基站

轨旁数据基站具有数据接收、数据缓存和数据发送3 个功能，其基本结构框如图6 所示。

UWB 基站模块以基于DW1000 芯片设计的超宽带收发模组DWM1000 模块为核心设计。DWM1000 模块数据传输率有110 kbit/s，850 kbit/s，6.8 Mbit/s 3 种模式，支持从3.5 GHz到 6.5 GHz 的4 个射频波段，通信距离在300 m，而且功耗低，可降低更换电池频率、减少系统生命周期成本。

图6 轨旁数据基站结构框图Fig.6 Block diagram of the structure of trackside data base stations

轨旁数据基站通常处于低功耗待机状态，当安装有无线无源转向架振动传感与监测组件的货运车辆进入轨旁数据基站的UWB 通信网络通信范围内时，轨旁数据基站会自动退出低功耗待机而进入数据接收准备状态；然后根据车辆段内的地面监测与诊断主机的任务规划启动多线程UWB 通信，接收并缓存当前经过轨旁数据基站的货运车辆的运行状态监测数据，直到车辆完全离开UWB 通信网络通信范围才结束UWB 通信；在每次接收数据完成后实时通过“5T”网络自动将数据传输到车辆段内的地面监测与诊断主机。

3）地面监测与诊断主机

系统充分利用现有的5T 系统监测站，特别是其中的“5T”网络，通过在车辆段内增设地面监测与诊断主机、维修部门增设智能运维管理主机，以实现货运车辆的安全运行监测与智能运维，地面监测与诊断系统拓扑结构如图7 所示。

地面监测诊断服务器通过轨旁数据基站接收无线无源转向架振动传感与监测组件发送的监测数据和诊断结论，并保存在诊断主机上。运行在诊断主机上的诊断软件，对列车运行状态数据进行分析处理与故障诊断，并根据诊断结果规划下一个轨旁数据基站的数据接收任务并发送控制指令。根据检测到的转向架、车轮、车轴等部件的振动数据信息，分析振动信息和车辆故障之间的映射规律，研究深层次关联关系，建立振动信息与车辆故障之间的分析诊断模型，并开发相应的故障监控系统。系统对收集的振动、冲击和温度信息通过模型分析计算后，能够得出故障预警、预报信息，分析后的数据结果可以通过网页等展现形式予以直观地展示，最终完成车地信息传输，保障铁路货车安全运行。

图7 地面监测与诊断系统结构拓扑Fig.7 Topology of the structure of ground monitoring and diagnosis system

2.3 UWB通信技术车地信息传输技术方法

本文采用低功耗自适应集簇分层型(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH) 协议。LEACH 协议是一种WSN 通信协议，是M/T 的Heinzelinan 等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应分簇路由算法，在通信过程当中，多采用一种簇头选举的策略来进行传输[12]。LEACH 的基本思想是：周期性地循环随机选择簇头节点，簇头节点接收簇内节点的数据后，将数据融合转发给骨干节点，从而将整个网络的能量负载均衡分配到每个传感器节点上，以实现最大化网络生存时间、降低网络能耗的目的[13]。LEACH 协议分为两个阶段：簇的建立；稳定的数据传输。一般来说，数据传输时间远远长于簇建立的时间，以达到减少成簇的消耗的目的。与一般的基于平面结构的路由协议和静态的基于多簇结构的路由相比，LEACH 可以将网络整体生存时间延长15%，LEACH 协议算法有很多优势[14]。

LEACH 协议是一种层次型路由协议，簇内成员节点将数据再簇头节点分配时间内传输给簇头节点，簇头节点对接收到的所有数据融合后传输给基站，从而减少节点能耗。

LEACH 协议周期性的随机选举簇头节点，每隔一定时间后再重新选举簇头，把能量消耗平均分配到每个节点上，从而延长整个网络的生存时间。

本文主要以20 辆C80 型敞车上的转K6 转向架为监测对象，每辆车上安装有两组车载无线无源传感与监测组件，即共有40 个UWB 发射模块节点，在经过不同轨旁数据基站时，多个节点周期性的轮流被选择为簇头节点，同时在每个轨旁数据基站中设置1 个UWB 基站模块，接收簇头节点发送的数据。现有5T 系统的红外线轴温探测系统（THDS）一般是每隔30 km 左右设置一个轨旁探测站，将本系统的轨旁数据基站安装在既有的轨旁探测站内。当列车按照最高速度120 km/h 运行时，即每间隔15 min 经过一个数据基站；当列车按照监测系统运行要求最低速度20 km/h 运行时，则每间隔90 min 经过一个数据基站。采用UWB通信方式的最大数据传输速率VMAX为6.8 Mbit/s，有效通信距离为轨旁数据基站前、后100 m；列车120 km/h 速度运行时通过轨旁数据基站的有效通信距离的通信时间T通为30 s，20 km/h 速度运行时通过轨旁数据基站的有效通信距离的通信时间T通为180 s。当载有无线无源传感与监测组件的敞车进入轨旁数据基站的UWB 网络通信范围内时，UWB 基站模块就会接收并缓存UWB 发射模块传输的运行状态监测数据。

无线无源转向架振动传感与监测组件按轮对每旋转8 周同步采样1 次转向架上4 个测点的振动数据（与列车运行速度无关），在监测组件内进行初级诊断形成实时监测的简易档案C1=4×16×8 bit 和精密档案C2=4×2 048×8 bit，然后按采样时间先后与间隔、振动dB 值大小、有无故障、故障严重程度等替换原则始终保持每个测点有30 组简易档案、精密档案。按最大通信速率完全发送监测组件内所有测点的30 组简易档案、精密档案所需的时间是：

而且，通常情况系统只需读取简易档案，只有在存在故障预警时才需读取精密档案，因此，采用UWB 通信方式完全能可靠完整的将数据传输到远端服务器。

3 总结

保证铁路车辆健康状况良好、确保铁路运输安全日益重要，而货车转向架是铁路货车最为重要部件之一，快速、完整地将其监测与故障诊断结果传输至地面站具有重大意义。所以，本文以现有“5T”系统已在铁路轨道两边建设好的探测站为基础，研究轨旁数据基站和车载无线无源传感与监测组件的多线程WSN 通信技术。采用UWB 通信技术开展研究铁路货车车地信息传输技术，UWB 发射模块和UWB 基站模块均以DWM1000 芯片为核心，采用LEACH 协议算法，将监测数据传输到轨旁基站，进而通过“5T”网络汇总到地面监测站。通过计算，在C80 型敞车的运行速度范围内，能够可靠完整的进行数据传输，而且车地信息传输过程不影响列车正常行驶，同时，数据传输具备实时性与完整性等特点。