客运列车智能给水及优化系统设计

摘要：随着我国铁路运营系统的快速发展，列车对水资源的需求量也在不断增加。在人工给水作业时，时常发生安全事故，并存在着水资源的大量浪费。为了从根本上解决这一棘手的问题，从列车自动给水系统的整体布局、自动上水执行机构的设备和集中端与控制端的控制方案进行了研究，对系统可能出现的故障加以分析并提出处理方案，从而对我国铁路客运专线的给水系统改进提出合理的建议。

关键词：列车自动给水；执行机构；系统整体布局；故障处理

1客车给水的现状与分析

随着铁路系统的不断完善，铁路系统对列车的运营效率不断提高，列车速度快速提升，并且列车站内停车时间逐渐缩短。然而，在当前人工给水的方式下，水资源存在着大量的浪费，给水工人安全事故频繁发生，这些问题已严重阻碍了铁路系统的进一步发展。改善给水设备，增强给水工作的管理水平，提高地面给水的效率，减少水资源的浪费，这些都已成为了当前急需解决的问题。

2系统控制方案

智能控制全自动给水系统完全取代了当前的人工给水，杜绝了安全事故的发生，节约了水资源，提高了积水效率。满足了当前铁路发展的要求。该系统中的就地端执行机构、集中端总控机构和无线通讯系统是系统的主要组成部分。

2.1就地端执行机构

针对目前人工拖动水管进行给水工作的安全问题和低效率的缺点，本作品利用机械手臂替代人工给水，实现全自动智能给水，满足高效率给水的需求。就地端主要由机械手臂、DSP、无线通信模块（ESP8266）、液位传感器以及机器视觉进行图像采集的多种传感器组成。将机械轨道放置于车站内火车道的两侧，机械手臂置于机械轨道上。将液位传感器从列水箱上的检测孔中插入，避免对火车内部结构的改造。列车进站后，由于液位晃动剧烈，设定一个值，当液位变化频率低于该值时，DSP再发出控制信号，控制机械臂给水。

2.2集中端总控机构

针对列车给水过程中的各项检测以及突发性设备故障灯多种问题。设计集中端上位机的给水专用软件。集中端通过ESP8266模块与就地端DSP相连，进行信息的无线传输。此工控机软件需工作人员登陆进行操作。界面由停止给水，加热、复位，通讯重连4个按键、一个实时列车水箱液位显示图和在执行机构故障时接收错误报告的弹窗组成。设置执行机构故障弹窗以及时发现出现故障的机械臂，便于工作人员及时维修；加热键在寒冷地区使用，防止水管中的水结冰；停止给水键在需要紧急停止给水时由工作人员按下。通过集中端这一系统，对就地端进行监测、控制。

2.3无线通讯系统

无线通信模块为信息传递的重要途径。采用ESP8266模块，与列车上接收传感器测量信号的控制器、控制机械手臂的DSP、集中端工控机相连，并设计防止高压影响信息传输的电路，使信息快速准确的传输。

3客车上水地面系统研究技术

3.1实现注水及观测技术

3.1.1机械手臂

系统就地端执行机构采用机械手臂拖动给水管道运动。机械手臂采用超精简模型，该机械手臂主要包括两个转动副，一个移动副，其中两个转动副的转动角度分别为180°和360°。经过两个转动副转动的配合，可以实现高灵敏度的转动。移动副在机械轨道上前后移动，带动水管的前行与后退。机械手臂在运动过程中，通过机器视觉自动识别技术对列车注水口进行进准定位，并时刻将其运动的位置信息反馈到DSP处理器中，从而准确到达注水口处，并执行给水动作。[1]机械手臂运动过程中，系统机器视觉处理大致为以下几步：a.由机械手臂转轴上方安装的CCD相机进行图像采集，系统将采集的图像转换成数字格式并传入DSP的存储器；b.接收到采集的图像后，DSP进行图像处理，在处理器中预设多种图像处理的算法,减少图像提取模糊等因素对图像处理。c.DSP处理器进行特征提取，识别并量化图像的关键特征，例如注水口位置，口径等信息，并将这些数据传到控制程序；d.处理器的控制程序依据接收的数据进行判决，控制机械臂移动，纠正运动的误差，直至水管与注水口无缝对接。[2]

3.1.2运动控制技术要点

a.机器视觉处理过程中，由于涉及很大的数据处理量，对各个芯片以及工控机有较高的要求，并且需要高精度的参数设定，提高系统的严谨度，在芯片的选型和硬件电路以及无线网络的搭建中存在难度，由于经验不足，在线路的建立与连接上可能会出现不足之处，导致系统不能稳定进行工作。b.机械臂以及机器视觉处理系统需要同步匹配。c.列车进站后，自动快速地连接网络实现大量信息的传递和匹配，在通信故障时，工控机需要及时重新连接网络，确保给水过程进行。d.机器视觉处理的准确和快速实现，确保在成功完成注水的同时不影响列车运行。

3.2通信技术方面

在一定的通信协议基础上，MCU和上位工控机进行数据交换和传递，当MCU和上位工控机联机以后，MCU将之前收到的站点信息向上位机传送，供工控机做进一步的处理。由于MCU与上位工控机通讯成功以后，信息通过串口传送给工控机，实现数据交流。发送的数据是通过信源编码，信道编码，信息加密等过程，可采用CDMA系统或者TDMA系统分别应用RAKE接收或者自适应均衡技术，都能起到抗衰落作用，提高通信的可靠性。同样地，在接收端同样对应有信息解码，信道译码和信源译码等过程，使得在判决数据过程尽量减少误码率。保障了两端MCU接收到的信息能够真实还原原操作指令。其中ESP8266是一款性价比较高的低功耗WIFI芯片。ESP8266是一个完整且自成体系的WIFI网络解决方案，能够独立运行，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。ESP8266负责无线上网接入承担WIFI适配器的任务，此时可以将其添加到任何基于微控制器的设计中。ESP8266高度集成的特点使得其设计非常简单容易。[3]采用ESP8266实现远程无线控制的基本流程是：首先作为控制终端的设备如手机，通过WIFI接入ESP8266热点，并且通过控制端应用程序App建立Socket链接；第二步是通过App把需要传递的数据通过WIFI发送给ESP8266芯片，ESP8266芯片把WIFI信号转换成串口信号，并通过串行通信口传送给MCU；第三步是MCU通过得到的指令数据开始执行处理；第四步是MCU在处理完成后通过ESP8266芯片，把执行结果通过WIFI反馈给控制终端设备，实现终端设备与电路的通信与控制。[4]

4工控机使用说明

本系统采用工控机控制，无线通讯技术采用无线通信模块，需工作人员登陆进行操作。此工控机界面由停止给水，加热、复位，通讯重连4个按键、一个实时列车水箱液位显示图和在执行机构故障时接收错误报告的弹窗组成：4.1停止给水：此功能键主要用于在列车实然要启动，但上水工作没完成的情况下而强制停止给水操作。4.2加热:用于防止在寒冷冰冻天气时输水管道结冰而导致出水口无法出水。4.3复位:整个系统重新启动。4.4通讯重连：用于在无数据显示或数报无法实时更新时，重新建立起车厢与中央的通讯。4.5列车水箱液位实时显示图：每班次列车，每节车厢的水箱液位皆可查看，所有信息都存储在工控机中。4.6错误报告弹窗:系统发生故障时弹出的窗口，显示故障原因，以便工作人员进行维修。

5结论

通过对全自动列车智能给水系统的技术研究与分析，建立了系统的基本构架，并对系统各种故障以。在确保系统快速工作的同时，对高压线路对通信设备的影响进行了研究，从而使系统信息传递顺利进行。自动给水系统的建立，提供了科学的给水管理平台，保证了给水工作的可靠性、高效性与安全性，从而顺应铁路系统的发展趋势，满足其发展需求。

参考文献

[1]王雨坤.列车自动上水机器人[P].中国专利:B61C17/02,2016-08-05.

[2]余文勇,石绘.机器视觉自动检测技术[M].北京:化学工业出版社.

[3]曹振民,陈年生,马强,武凌,武婧.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机,2017,1,25.

作者：程鹏飞 王笑 王佳强 张志乐 江邈 单位：安徽理工大学电气与信息工程学院