Блок телематики телематической системы мониторинга эксплуатации грузовых вагонов

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к блоку телематики, входящему в состав системы дистанционного мониторинга состояния вагонов, которая может быть использована на грузовых подвижных составах всех типов с целью контроля местоположения грузового вагона, автоматизированного снятия, регистрации, хранения и передачи данных по каналам мобильной сотовой связи телеметрической информации о ряде технических показателей, а также выявления ударных нагрузок, в том числе сверхнормативных, на грузовой вагон.
Блок телематики телематической системы представляет собой центральный блок, предназначенный для приема информации с датчиков контроля, установленных на каждом вагоне, а также хранения и передачи полученной информации далее на сервер для принятия управленческих решений.
Современные подвижные составы (особенно грузовые) могут достигать длины нескольких сотен метров. Поэтому организация связи между блоком телематики и модулем сбора информации, включающим датчики контроля состояния вагона, предполагает использование высокомощных модулей приемопередатчиков информации, которые в процессе длительной эксплуатации могут перегреваться и выходить из строя с необходимостью срочной замены.
Из уровня техники известен блок телематики системы дистанционного мониторинга состояния вагонов (патент РФ №2608206, опубликовано 17.01.2017 г.), содержащий микроконтроллер, соединенный с модулем радиочастотного канала с радиоантенной для приема информации с датчиков контроля состояния вагона, а также обработки, хранения и передачи полученной информации на сервер. При этом микроконтроллер выполнен с возможностью соединения с модулем геолокации для приема данных спутниковых системы ГЛОНАСС/GPS, модулем сотовой связи GSM, акселерометром, часами реального времени, блоком памяти, автономным источником питания.
Существенным недостатком такого блока телематики является необходимость подключения к его микроконтроллеру отдельного высокомощного модуля радиочастотной связи, что предполагает использование громоздкого и мощного автономного источника питания, который перегревается особенно в летний период и в климатических зонах с высокими температурами. В таком случае могут возникать сбои в работе блока телематики, что приводит к задержкам приемопередачи данных о состоянии вагона. Использование же модуля радиочастотной связи недостаточной мощности может сказаться на формировании слабого сигнала приемопередачи информации и потере необходимых для анализа данных о состоянии вагона, что может негативно отразится на безопасности грузовых перевозок.
Известен блок телематики, входящий в состав устройства для мониторинга состояния букс колесных пар вагонов грузового поезда (патент РФ №150994, опубликовано 10.03.2015 г.), принятый за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащий микроконтроллер, соединенный с Bluetooth-модулем связи версии Bluetooth 4.0, обеспечивающим прием, хранение и передачу информации с микроконтроллером буксы и сервером. При этом микроконтроллер выполнен с возможностью соединения с блоком памяти, автономным источником питания.
Модуль связи Bluetooth версии Bluetooth 4.0 представляет собой модуль, обладающий более низким энергопотреблением, чем в случае использования радиочастотного модуля, что позволяет установить зону уверенной приемопередачи сигнала на значительные расстояния, снизить массогабариты используемого аккумулятора, а также использовать освободившуюся мощность для подключения дополнительного оборудования о состоянии вагонов грузового поезда.
Однако такой модуль связи Bluetooth представляет собой отдельный готовый модуль, в котором наряду с интегральными микросхемами, закреплёнными посредством пайки на текстолитовом основании, используются другие навесные элементы (DC-DC преобразователи, пассивные элементы, антенны, защитные экраны и т.д.), предусматривающие наличие дополнительных линий связи между ними, что делает энергопотребление для приемопередачи информации по-прежнему повышенным.
Технической проблемой настоящей полезной модели является создание блока телематики телематической системы мониторинга эксплуатации грузовых вагонов, который позволяет своевременно получить необходимую информацию о состоянии вагона и его местонахождении для принятия управленческих решений и снижения риска развития аварийных ситуаций.
Техническим результатом полезной модели является дальнейшее снижение энергопотребления при организации приемопередачи информации о состоянии и местонахождении вагона при обеспечении качества связи за счет конструктивных особенностей решения.
Технический результат достигается при использовании блока телематики телематической системы мониторинга эксплуатации грузовых вагонов, который содержит первый микроконтроллер, соединенный с модулем сотовой связи GSM, модулем глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, блоком памяти, акселерометром, автономным источником питания, часами реального времени, при этом первый микроконтроллер соединен через шину передачи данных со вторым микроконтроллером, интегрально включающим в себя Bluetooth-модуль, выполненным с возможностью соединения посредством беспроводной связи с аналогичным микроконтроллером с Bluetooth-модулем, соединенным через шины передачи данных с датчиками контроля состояния вагона.
При этом первый микроконтроллер соединен с модулем сотовой связи GSM, модулем глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, блоком памяти, акселерометром, автономным источником питания, часами реального времени через стандартные шины передачи данных.
Также первый микроконтроллер выполнен с возможностью соединения через стандартные шины передачи данных с RFID-устройством для считывания и передачи данных c блока телематики на интегрированные посты автоматизированного приема и диагностики подвижного состава на сортировочных станциях.
В качестве второго микроконтроллера, интегрально включающего в себя Bluetooth-модуль, применен микроконтроллер nRF52832. В качестве альтернативного варианта также может быть использован микроконтроллер nRF52810.
У микроконтроллеров подобного типа Bluetooth-антенна выполняется топологически на участке поверхностного токопроводящего слоя печатной платы.
Микроконтроллер на базе микросхемы nRF52832 имеет высокую производительность, высокую скорость связи, большое количество периферийных устройств, минимально потребляемую энергию и рабочий диапазон частот 2360-2500 МГц (например, интернет-ресурс https://russianblogs.com/article/7496883468/, просмотрено 15.07.2022 г.). В данном случае реализуется канал беспроводного соединения, при котором существенно минимизируется энергопотребление по сравнению с использованием отдельных готовых Bluetooth-модулей, как это имеет место в случае наиболее близкого аналога.
С использованием данного микроконтроллера между блоком телематики и модулем сбора информации возможно организовать связь Bluetooth версии 5.3.
Таким образом, блок телематики обеспечивает прием информации от датчиков, контролирующих состояние грузового вагона, и передачу по каналу связи (GSM) полного массива данных в универсальном (стандартизированном) формате на внешний сервер для их последующей интеграции, хранения, обработки и использования в удобном формате. Блок телематики выполняет привязку зарегистрированных данных о состоянии вагона к мировому времени и позиционированию (текущим координатам), определенным по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. При это блок телематики бесперебойно работает с низким энергопотреблением и качественным обеспечением связи как между датчиками, так и сервером.
Представленная на фигуре телематическая система мониторинга эксплуатации грузовых вагонов содержит заявляемый блок телематики 1 и соединенный с ним посредством беспроводной Bluetooth- связи модуль сбора информации 2.
Заявляемый блок телематики 1 содержит первый микроконтроллер 3, соединенный через стандартные шины передачи данных (например, RS-485) со вторым микроконтроллером 4, интегрально включающим в себя Bluetooth-модуль 5.
При этом первый микроконтроллер 3 через стандартные шины передачи данных соединен с модулем сотовой связи GSM 6, модулем глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS 7, блоком памяти 8, акселерометром 9, автономным источником питания 10, часами реального времени 11, а также RFID-устройством 12.
Второй микроконтроллер 4, интегрально включающий в себя Bluetooth-модуль 5, беспроводной связью соединен с аналогичным Bluetooth-модулем 13, встроенным в микроконтроллер 14, входящий в состав модуля сбора информации 2. К данному микроконтроллеру 14 через стандартные шины передачи данных подключаются датчики контроля состояния вагона 15, а также блок памяти 16 и источник автономного питания 17.
Микроконтроллер 3 блока телематики 1 обеспечивает контроль геолокации грузового вагона (посредством модуля глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS 7), выявление ударных нагрузок на грузовой вагон (посредством акселерометра 9), передачу по каналам связи на внешний сервер телеметрических данных о состоянии вагона с привязкой к мировому времени (посредством  модуля сотовой связи GSM 6 и часов реального времени 11). При отсутствии сотовой связи накопление данных происходит в блоке памяти 8 с последующей передачей данных при восстановлении связи.
В конструкции блока телематики 1 используется трехосевой акселерометр 9 типа LIS3DH, позволяющий регистрировать значения ускорений в продольном направлении, вертикальные и боковые ускорения при внешнем воздействии на грузовой вагон.
За счет использования акселерометра 9 контролируют:
- ненадлежащую эксплуатацию грузовых вагонов в процессе соударения вагонов при проведении маневровых работ, в том числе при роспуске с сортировочных горок;
- также осуществляется мониторинг состояния колесных пар тележек грузовых вагонов, имеющих основные дефекты колес (ползун, выщербина и пр.), в процессе эксплуатации.
Акселерометр 9 расположен внутри блока телематики 1 – на плате, которая обеспечивается герметизирующей изоляцией (инкапсуляцией) всех без исключения ее элементов от внешней среды посредством заливки компаундом.
За счет использования датчиков 15, соединенных с микроконтроллером 14 в составе модуля сбора информации 2, отслеживают:
- превышение нормативного показателя по грузоподъемности (перегруз);
- нагрев корпуса буксы, нагрев корпуса подшипника кассетного типа или адаптера;
- давление в тормозной системе (тормозном цилиндре, запасном резервуаре);
- контроль устройств слива груза из котла вагона-цистерны (танк-контейнера);
- положения зоны повышенного риска отказов в боковой раме тележки грузовых вагонов (на основании регистрации повышенных напряжений в указанных зонах при движении тележки под вагоном в составе поезда);
- несанкционированное вскрытие вагона закрытого типа;
- сход грузового вагона с рельсов (оповещение о сходе грузового вагона с рельсов).
В блоке телематики 1 используется RFID-устройство 12 для считывания и передачи данных c блока телематики на интегрированные посты автоматизированного приема и диагностики подвижного состава на сортировочных станциях. При наступлении события: «превышение порогового значения ускорения встроенного в техническое решение акселерометра» в RFID-устройстве 12 сохраняются параметры события.  Классификация сохраняемых данных производится следующим образом «0» - эксплуатации грузового вагона при штатных условиях; «1» - эксплуатация грузового вагона с отклонением от установленных нормативов.
Диагностические данные, передаваемые от блока телематики 1 в интегрированные посты автоматизированного приема и диагностики подвижного состава на сортировочных станциях, содержат:
-  инвентарный номер грузового вагона;
- критерий оценки диагностических данных («0» или «1»);
- отношение к передаваемым диагностическим данным (ударные нагрузки на грузовой вагон; отклонение от параметров мониторинга требуемых заказчику параметров, в том числе мониторинга технического состояния грузового вагона – при расширении функциональных задач в процессе эксплуатации телематической системы).
Телематическая система, содержащая блок телематики 1 и модуль сбора информации 2, может быть расположена на кузове, раме грузового вагона, а также на тележках грузовых вагонов.
Телематическая система в процессе эксплуатации находится в энергосберегающем режиме. При возникновении сверхнормативных ударных нагрузок на грузовой вагон в процессе эксплуатации происходит автоматическое включение телематической системы и запуск цикла сбора, хранения (при временном отсутствии сотовой связи GSM) и передачи данных на сервер. Регистрация данных о нагрузках на грузовой вагон, возникающих в процессе эксплуатации, производится при достижении пороговых значений. При этом безопасность и защита передачи данных обеспечивается с использованием средств сквозного шифрования данных.
Микроконтроллеры 3 и 4 блока телематики 1 предусматривают возможность перезагрузки (аппаратный сброс и перезапуск) и удаленного обновления встроенного программного обеспечения по команде, принятой по каналу мобильной сотовой связи GSM. Такая же возможность перезагрузки и обновления ПО предусмотрена для микроконтроллера 14 модуля сбора информации 2.
В процессе эксплуатации телематическая система, в состав которой входит заявляемый блок телематики 1, выполняет следующие функции:
- контроль движения и местоположения грузового вагона/танк-контейнера (с накоплением архива данных при невозможности их передачи в условиях отсутствия сотовой связи с телематической системой и последующей передачей данных при восстановлении сотовой связи с телематической системой);
- мониторинг операций в части ненадлежащей эксплуатации грузового вагона/танк-контейнера (с накоплением архива данных при невозможности их передачи в условиях отсутствия сотовой связи с телематической системой и последующей передачей данных при восстановлении сотовой связи с телематической системой);
- контроль ударных воздействий на грузовой вагон/танк-контейнер (при проведении маневровых работ, погрузочно-разгрузочных операций танк-контейнерами);
- мониторинг состояния грузового вагона по параметрам, снимаемым с датчиков, подключенных к модулю сбора информации;
- сбор и передачу данных, с привязкой к мировому времени, с целью дальнейшего контроля фактического пробега грузового вагона и анализа зафиксированных событий.
При этом за счет использования второго микроконтроллера 4 в составе блока телематики 1 со встроенным Bluetooth-модулем 5, а также микроконтроллера 14 со встроенным Bluetooth-модулем 13 в составе модуля сбора информации 2 обеспечивается возможность беспроводного соединения на достаточном расстоянии при отсутствии условий «прямой видимости» и существенно низком энергопотреблении.
Таким образом, заявляемая полезная модель значительно расширяет функциональные возможности как блока телематики, так и телематической системы мониторинга состояния грузового вагона.