客運列車智能給水及優化系統設計

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摘要：隨著我國鐵路運營系統的快速發展，列車對水資源的需求量也在不斷增加。在人工給水作業時，時常發生安全事故，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的整體布局、自動上水執行機構的設備和集中端與控制端的控制方案進行了研究，對系統可能出現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改進提出合理的建議。

關鍵詞：列車自動給水；執行機構；系統整體布局；故障處理

1客車給水的現狀與分析

隨著鐵路系統的不斷完善，鐵路系統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生，這些問題已嚴重阻礙了鐵路系統的進一步發展。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系統控制方案

智能控制全自動給水系統完全取代了當前的人工給水，杜絕了安全事故的發生，節約了水資源，提高了積水效率。滿足了當前鐵路發展的要求。該系統中的就地端執行機構、集中端總控機構和無線通訊系統是系統的主要組成部分。

2.1就地端執行機構

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行機構故障時接收錯誤報告的彈窗組成。設置執行機構故障彈窗以及時發現出現故障的機械臂，便于工作人員及時維修；加熱鍵在寒冷地區使用，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，對就地端進行監測、控制。

2.3無線通訊系統

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的電路，使信息快速準確的傳輸。

3客車上水地面系統研究技術

3.1實現注水及觀測技術

3.1.1機械手臂

系統就地端執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動副，一個移動副，其中兩個轉動副的轉動角度分別為180°和360°。經過兩個轉動副轉動的配合，可以實現高靈敏度的轉動。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，并執行給水動作。[1]機械手臂運動過程中，系統機器視覺處理大致為以下幾步：a.由機械手臂轉軸上方安裝的CCD相機進行圖像采集，系統將采集的圖像轉換成數字格式并傳入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，并將這些數據傳到控制程序；d.處理器的控制程序依據接收的數據進行判決，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，由于涉及很大的數據處理量，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設定，提高系統的嚴謹度，在芯片的選型和硬件電路以及無線網絡的搭建中存在難度，由于經驗不足，在線路的建立與連接上可能會出現不足之處，導致系統不能穩定進行工作。b.機械臂以及機器視覺處理系統需要同步匹配。c.列車進站后，自動快速地連接網絡實現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絡，確保給水過程進行。d.機器視覺處理的準確和快速實現，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

在一定的通信協議基礎上，MCU和上位工控機進行數據交換和傳遞，當MCU和上位工控機聯機以后，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，實現數據交流。發送的數據是通過信源編碼，信道編碼，信息加密等過程，可采用CDMA系統或者TDMA系統分別應用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，使得在判決數據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把需要傳遞的數據通過WIFI發送給ESP8266芯片，ESP8266芯片把WIFI信號轉換成串口信號，并通過串行通信口傳送給MCU；第三步是MCU通過得到的指令數據開始執行處理；第四步是MCU在處理完成后通過ESP8266芯片，把執行結果通過WIFI反饋給控制終端設備，實現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:整個系統重新啟動。4.4通訊重連：用于在無數據顯示或數報無法實時更新時，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:系統發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的技術研究與分析，建立了系統的基本構架，并對系統各種故障以。在確保系統快速工作的同時，對高壓線路對通信設備的影響進行了研究，從而使系統信息傳遞順利進行。自動給水系統的建立，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，從而順應鐵路系統的發展趨勢，滿足其發展需求。

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