СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ВАГОНОВ
SYSTEM FOR REMOTE MONITORING OF CAR CONDITIONS

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к системам дистанционного мониторинга состояния вагонов, и может быть использовано для оперативного автономного, не зависящего от внешнего источника питания мониторинга, оценки, сбора и хранения данных о состоянии вагона и вагонного оборудования с последующей передачей собранной информации на сервер системы, где производится формирование эксплуатационной и ремонтной базы данных по каждому вагону.
Из уровня техники известна система дистанционного мониторинга состояния вагонов, включающая датчики состояния вагона, устройство, обеспечивающее возможность обработки и хранения информации с датчиков, модуль геолокации и источник энергии (см. патент CN 204137023, кл. B61L 25/02, опубл. 04.02.2015). Недостатками известной системы являются ограниченная функциональность и низкая надежность, обусловленная полной взаимной зависимостью элементов системы.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание системы дистанционного мониторинга состояния вагонов, обеспечивающей возможность контроля загрузки и целостности оборудования вагона. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и упрощении установки системы. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что система дистанционного мониторинга состояния вагонов, включающая датчики состояния вагона, устройство, обеспечивающее возможность обработки и хранения информации с датчиков, модуль геолокации и источник энергии, содержит сервер, контрольно-настроечный комплекс и вагон-комплект, конструктивно разделенный на центральный блок, по меньшей мере один блок датчиков контроля и по меньшей мере два блока датчиков загрузки, каждый из которых выполнен на основе микроконтроллера и снабжен радиоантенной, часами реального времени и блоком энергонезависимой памяти, при этом центральный блок содержит модуль геолокации и модуль сотовой связи, а его микроконтроллер выполнен с возможностью обработки и хранения информации с датчиков, а также приема этой информации по радиоканалу, блок датчика контроля содержит по меньшей мере один датчик детектирования вмешательства в целостность контролируемого оборудования вагона, а его микроконтроллер выполнен с возможностью получения информации от этого датчика и передачи ее по радиоканалу в центральный блок, который впоследствии передаст эту информацию на телематический сервер, блок датчика загрузки содержит по меньшей мере один датчик величины прогиба надрессорной балки тележки вагона и по меньшей мере один датчик ускорения надрессорной балки тележки вагона, а его микроконтроллер выполнен с возможностью получения информации от этих датчиков и передачи ее по радиоканалу в центральный блок, который впоследствии передаст эту информацию на телематический сервер (сервер). Каждый блок предпочтительно снабжен датчиком температуры и независимым источником энергии в виде автономной батареи.
Для функции взвешивания вагона обязательным условием является наличие как минимум двух блоков датчиков загрузки, установленных на надрессорные балки каждой вагонной тележки. Требование двух блоков датчиков загрузки обусловлено тем, что любой вагон, в своей конструкции, содержит как минимум две тележки.
На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемой системы дистанционного мониторинга состояния вагона;
на фиг. 2 - схема блока датчиков загрузки;
на фиг. 3 - схема блока датчиков контроля;
на фиг. 4 - схема центрального блока.
Предлагаемая системы дистанционного мониторинга состояния вагона (СДМСВ) состоит из крупных функциональных узлов (см. фиг. 1), объединенных между собой каналами информационного обмена, а именно, вагон-комплекта, контрольно-настроечного комплекса и сервера.
Вагон-комплект является устройством сбора и передачи информации от датчиков, установленных на грузовом вагоне. В состав стандартного вагон-комплекта входят центральный блок, два блока датчиков загрузки и до пяти блоков датчиков контроля. Все составные части вагон-комплекта имеют независимое питание от источников энергии в виде автономных батарей и снабжены внутренними радиоантеннами для установления радиочастотных каналов связи. Общее количество блоков датчиков зависит от версии исполнения системы.
Контрольно-настроечный комплекс представляет собой мобильное оборудование, предназначенное для выполнения настройки и проверки правильности функционирования режимов работы, как отдельных датчиков, так и вагон-комплекта в целом. Контрольно-настроечный комплекс применяется для всего спектра сервисных и пуско-наладочных работ.
Сервер представляет собой стационарный вычислительный комплекс, выполняющий функции сбора, хранения и обработки информации, поступающей от всех работающих центральных блоков вагон-комплектов. К серверу может быть подключен сервер пользователя, представляющий собой стационарный вычислительный комплекс, выполняющий функции сбора и хранения данных, полученных от сервера.
Вагон-комплект является комплексом автономного, информационно связанного между собой оборудования, установленного на грузовой вагон. Вагон-комплект конструктивно разделен на центральный блок, по меньшей мере один блок датчиков контроля и по меньшей мере два блока датчиков загрузки.
Блок датчиков загрузки представляет собой автономное микропроцессорное устройство измерения и передачи по радиоканалу в центральный блок основных параметров, характеризующих техническое состояние и функционирование вагона. В состав блока датчиков загрузки (см. фиг. 2) входят:
- Тензометр: первичный датчик величины прогиба надрессорной балки тележки вагона.
- Акселерометр: первичный датчик ускорения надрессорной балки тележки вагона.
- RTC: часы реального времени, необходимые для синхронной работы системы.
- Датчик температуры: для измерения температуры в местах установки и определения критических температурных факторов, негативно влияющих на функционирование, как самого блока датчиков загрузки, так и вагонного оборудования в целом.
- Блок памяти: энергонезависимая память для хранения результатов измерения и служебной информации.
- Батарея: автономный источник питания блока датчиков загрузки.
- Radio: модуль радиочастотного канала с радиоантенной для связи блока датчиков загрузки с центральным блоком.
- CPU: микроконтроллер блока датчиков загрузки, выполняющий основные функции получения и обработки информации от первичных датчиков, расчета, формирования и хранения параметров функционирования вагона, контроля состояния (заряда) батареи, контроля температуры, процедуры и протоколы радиочастотного обмена информацией с центральным блоком.
Батарея соединена своим выходом с соответствующими входами подачи питания датчика температуры, акселерометра, блока памяти, Radio, RTC и CPU, а также соединена с аналоговым входом АЦП (аналого-цифрового преобразователя) CPU. Датчик температуры подключен своим входом питания к выходу батареи и соединен своим выходом с аналоговым входом АЦП (аналого-цифрового преобразователя) в составе CPU. Акселерометр подключен своим входом питания к выходу батареи и соединен своим цифровым выходом, посредством двунаправленного цифрового интерфейса связи, с соответствующим цифровым входом CPU. Блок памяти подключен своим входом питания к выходу батареи и соединен своим цифровым выходом, посредством двунаправленного цифрового интерфейса связи, с соответствующим цифровым входом CPU. RTC подключен своим входом питания к выходу батареи и соединен своим цифровым выходом, посредством двунаправленного цифрового интерфейса связи, с соответствующим цифровым входом CPU. Radio подключен своим входом питания к выходу батареи и соединен своим цифровым выходом, посредством двунаправленного цифрового интерфейса связи, с соответствующим цифровым входом CPU, а также своим аналоговым выходом подключен к приемо-передающей радиоантенне. CPU подключен своим входом питания к выходу батареи и соединен по аналоговым входам (АЦП) с аналоговым выходом датчика температуры и батареи, также, по своим цифровым входам, посредством двунаправленного цифрового интерфейса связи, соединен с соответствующими цифровыми выходами акселерометра, RTC, блока памяти и Radio.
В предлагаемой системе блок датчиков загрузки является источником получения основных параметров состояния грузового вагона, для чего осуществляет:
а) сбор и предварительную обработку данных прогиба надрессорной балки тележки вагона;
б) сбор и предварительную обработку данных ускорений надрессорной балки тележки вагона;
в) сбор и предварительную обработку данных температуры надрессорной балки тележки вагона;
г) передачу накопленных данных, а также данных служебного назначения в центральный блок вагон-комплекта через радиочастотный канал;
д) получение по радиоканалу служебной информации и команд от центрального блока.
Блок датчиков контроля представляет собой автономное микропроцессорное устройство контроля целостности и комплектности вагонного оборудования и передачи этой информации по радиоканалу в центральный блок. В состав блока датчиков загрузки (см. фиг. 3) входят:
- Акселерометр: датчик детектирования вмешательства в целостность контролируемого оборудования вагона, например, такого физического воздействия, как внешние удары, попытки вскрытия корпуса и т.д.
- RTC: часы реального времени, необходимые для синхронной работы системы.
- Датчик температуры: для измерения температуры в местах установки и определения критических температурных факторов, негативно влияющих на функционирование, как самого блока датчиков контроля, так и вагонного оборудования в целом.
- Блок памяти: энергонезависимая память для хранения детектированных признаков вмешательства.
- Батарея: автономный источник питания блока датчиков контроля.
- Radio: модуль радиочастотного канала с радиоантенной для связи блока датчиков контроля с центральным блоком.
- CPU: микроконтроллер блока датчиков контроля, выполняющий основные функции получения и обработки информации от первичных датчиков, расчета, формирования и хранения параметров функционирования вагона, контроля состояния (заряда) батареи, контроля температуры, процедуры и протоколы радиочастотного обмена информацией с центральным блоком.
Подключение элементов блока датчиков контроля происходит аналогично подключению элементов в блоке датчиков загрузки.
Помимо контроля внешнего физического воздействия на оборудование грузового вагона блок датчиков контроля позволяет контролировать возможные действия по несанкционированному вмешательству в оборудование, выявлять кражи оборудования или частей оборудования грузового вагона. Это достигается тем, что во время несанкционированного доступа к оборудованию блок датчиков контроля фиксирует механические воздействия (удары, повышение уровня вибрации и т.д.) и передает эту информацию в центральный блок, а в случае повреждений, демонтажа блока датчиков контроля или кражи оборудования вагона, на котором установлен блок датчиков контроля, пропадает радиочастотная связь блока датчиков контроля с центральным блоком вагон-комплекта.
Центральный блок представляет собой автономное микропроцессорное устройство приема, обработки и хранения информации от всех блоков датчиков вагон-комплекта и имеет в своем составе технические средства определения пространственно-временного положения вагона на основе данных системы ГЛОНАСС/GPS и передачи накопленной или оперативной информации по радиоканалу сетей сотовой связи. В состав центрального блока (см. фиг. 4) входят:
- GPS: модуль геолокации для приема данных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS.
- GSM: модуль сотовой связи для обеспечения радиочастотного канала сетей сотовой связи.
- Акселерометр.
Акселерометр в центральном блоке, помимо измерения допустимого уровня вибрации в зоне его установки на вагоне, выполняет роль детектора движения вагона, как дополнительный канал подтверждения факта движения вагона, что важно в ситуации, когда спутниковая система вне зоны действия (например, туннели).
- RTC: часы реального времени, необходимые для синхронной работы системы.
- Датчик температуры: для измерения температуры в местах установки и определения критических температурных факторов, негативно влияющих на функционирование, как самого центрального блока, так и вагонного оборудования в целом.
- Блок памяти: энергонезависимая память для хранения.
Энергонезависимая память центрального блока служит для хранения данных от всех блоков датчиков загрузки и блока датчиков контроля, а также данных собственных измерений, которые необходимо отправить по каналу сотовой связи на телематический сервер. При этом для минимизации затрат электроэнергии канал сотовой связи с телематическим сервером устанавливается строго по расписанию, и вся информация с датчиков, измеренная в промежутке времени между окнами радиообмена, хранится в памяти центрального блока. Когда, в соответствии с расписанием, открывается окно радиообмена центрального блока и телематического сервера, вся хранимая в памяти центрального блока информация передается на телематический сервер.
- Батарея: автономный источник питания центрального блока.
- Radio: модуль радиочастотного канала с радиоантенной для связи центрального блока с блоками датчиков контроля и загрузки.
- CPU: микроконтроллер центрального блока, выполненный с возможностью обработки и хранения информации с датчиков, а так же приема этой информации по радиоканалу.
Подключение элементов центрального блока происходит аналогично подключению элементов в блоках датчиков загрузки и контроля.
В составе вагон-комплекта системы СДМСВ центральный блок выполняет следующие основные функции:
а) осуществляет сбор данных со всех датчиков вагон-комплекта;
б) осуществляет сбор данных геолокации;
в) осуществляет передачу данных на сервер;
г) осуществляет управление датчиками вагон-комплекта.
Предлагаемая система работает следующим образом.
Основным режимом работы системы является ее функционирование после проведения настроечных, конфигурационных процедур, периодического сервисного обслуживания с подтверждением ее исправного состояния. В системе предусмотрены технические и программные решения резервирования, позволяющие защититься от потери информации, от сбоев программного обеспечения и сбоев в системах сбора информации. Для раскрытия принципа функционирования системы в основном режиме работы целесообразно рассматривать его как синхронизируемое по времени функционирование отдельных блоков, входящих в состав системы.
Режим работы блока датчиков загрузки
1
2
Блок датчиков загрузки с заданным и программно настраиваемым интервалом времени [t] снимает показания с входящих в его состав первичных датчиков (датчик температуры, датчик ускорения, датчик температуры) и сохраняет эту информацию в своей энергонезависимой памяти. По завершении процедуры измерения и записи параметров блок датчиков загрузки ожидает время начала сеанса радиочастотной связи с центральным блоком, при этом временной интервал радиочастотного обмена информации [t] является программно настраиваемым параметром. При открытии сеанса радиочастотной связи с центральным блоком блок датчиков загрузки передает сохраненные ранее в энергонезависимой памяти собранные параметры, а также свою служебную диагностическую информацию. В процессе сеанса связи блок датчиков загрузки получает от центрального блока синхронизацию по времени следующего сеанса связи, а также служебную информацию и команды.
Режим работы блока датчиков контроля
1
Блок датчиков контроля, также как и блок датчиков загрузки с определенным интервалом времени [t] производит снятие показаний с первичных датчиков, входящих в его состав. Эти данные сохраняются в энергонезависимой памяти блока датчиков контроля, которые затем в окне сеанса радиосвязи передаются по радиоканалу в центральный блок. Временная синхронизация сеанса радиообмена по радиоканалу и интервал времени опроса первичных датчиков задается центральным блоком.
Режим работы центрального блока
Центральный блок по заранее установленному и синхронизированному по времени расписанию окон радиочастотного обмена принимает данные от блоков датчиков загрузки и контроля. В свою очередь, центральный блок передает в указанные блоки служебную информацию и команды, в том числе синхронизирующую работу датчиков информацию. В соответствии с принятой от всех датчиков, входящих в состав вагон-комплекта, информации центральный блок формирует необходимый перечень параметров, характеризующих состояние вагона, а именно:
- величину деформации надрессорной балки вагона;
- вычисление текущего веса вагона по величине деформации надрессорной балки;
- величину вибрации;
- детектирование начала и окончания движения вагона по измерению вибрации;
- детектирование ползунов (выявление дефектных колесных пар) по измерению величины и частоте повторения пиковых значений вибрации;
- измерение температуры;
- детектирование факта вмешательства в конструкцию вагонного оборудования или его демонтажа (кражи), который определяется подтвержденным радиообменом с блоком датчиков контроля и анализом информации о вибрации, полученной от этого блока;
- оценка работоспособности (состояния) блоков датчиков загрузки и контроля, включая информацию о состоянии их аккумуляторных батарей;
- диагностику отказов микроконтроллеров блоков датчиков загрузки и датчиков контроля;
- самодиагностику отказов основных узлов центрального блока, включая аккумуляторную батарею и собственный микроконтроллер с формированием соответствующего сигнала об отказе.
С помощью модуля геолокации центральный блок определяет текущие географические координаты вагона.
После каждого цикла сбора и формирования параметров работы грузового вагона центральный блок производит сохранение и накопление данных в своей энергонезависимой памяти.
Центральный блок по заранее установленному и синхронизированному по времени расписанию по радиочастотному каналу посредством модуля сотовой связи передает накопленные параметры работы грузового вагона на сервер, где производится сбор, хранение и дальнейшая постобработка информации от всех вагон-комплектов. При этом центральный блок отслеживает потерю сигнала сотовой связи, тем самым предотвращает возможную потерю информации и автоматически восстанавливает передачу данных на сервер при появлении связи.
Центральный блок вагон-комплекта позволяет удаленно, по командам от сервера диагностировать состояние работы блоков датчиков загрузки и контроля, а также по запросу с сервера производить конфигурирование этих блоков, обновление внутреннего программного обеспечения, взвешивание вагона, процедуру детектирования дефектов колеса (ползуны) и восстанавливать синхронизацию между блоками системы.
Работа сервера
Сервер осуществляет радиочастотный обмен информацией со всеми зарегистрированными в системе вагон-комплектами с помощью сетей сотовой связи. При этом, сервер предназначен для сбора, обработки и накопления информации с возможностью оперативно, по мере поступления информации от центральных блоков вагон-комплектов запрашивать и отслеживать местоположение грузовых вагонов и параметры их работы. На основе накопленной информации сервер может формировать эксплуатационную и ремонтную базу данных, с выдачей соответствующих технико-экономических отчетов.
В результате предлагаемая система позволяет эффективно проводить дистанционный мониторинг основных данных состояния вагона, а именно:
а) загрузка вагона;
б) местоположение вагона;
в) комплектность, вмешательство в конструкцию съемных элементов и оборудования вагона;
г) дефекты элементов вагона;
д) температура элементов вагона;
е) вычисляемые показатели качества работы грузового вагона.
Таким образом, изобретение значительно расширяет функциональные возможности системы дистанционного мониторинга, при этом упрощая ее установку за счет конструктивной независимости входящих в ее состав элементов.