无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用

河北工业大学硕士学位论文无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用姓名：张矢申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：杨瑞霞;李铭20071201河北工业大学工程硕士学位论文 无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用 摘 要 列车轴温探测系统是对运行的铁路列车车辆轴温进行监测，发现车辆热轴、防止车辆燃轴的安全保障设施。目前货运列车广泛采用的是红外线轴温探测系统。但是这种利用红外线技术的探测系统不能实时监测列车轴温；并且容易受到列车运行震荡、温度等环境因素的影响，降低探测结果的可靠性。 该文设计了基于无线传感器网络的列车轴温监测系统，利用无线传感网络对铁路货运列车轴温进行实时监测，及时发现车辆热轴、防止车辆燃轴。作为铁路运输重要的的安全保障。 该文研究内容包括三大部分。 第一部分系统整体方案的设计。介绍了无线传感器网络及其特点，描述了基于无线传感器网络的列车轴温监测系统的整体设计思路。 第二部分硬件电路的设计。详细地介绍了轴温监测系统硬件部分，给出了硬件部分的工作流程和全部的电路原理图，指出监测节点的作用及与机车控制台节点的设计区别。 第三部分软件的实现。该部分针对实际的轴温监测系统编写了点对点的数据通信协议，降低了数据通信量；设计了轴温监测节点和机车控制台节点的软件流程。 最后进行实际验证，通过监测系统的实际运行进行分析和验证，完成了整个系统的设计，并实现了本设计。

关键词：轴温监测，无线传感器网络，货运列车

i 无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用 THE APPLICATION OF WIRELESS SENSOR NETWORKS IN THE SYSTEM OF TRAIN AXLE TEMPERATURE MONITORING

ABSTRACT The system of train axle temperature is the security and safeguard instrument to monitor and detect the axle temperature and to find the vehicle hot axle of the running train, prevent the axle from burning. At present, train mostly use infrared ray（IR） detection system. But this system using IR detection cannot detect axle of temperature, and easily influence by several environments，such as train’s shock、temperature , the result’s reliability are reduced. The detect system of axle temperature based on Wireless Sensor Networks(WSN), using WSN to monitor and detect the axle temperature in time ，find the vehicle hot axle of the running train，prevent the axle from burning. In this thesis, the main content of study includes the following three parts. The first part is designing of the whole project, which introduced features of WSN and thoughts.The second part is hardware design，which introduced hardware of the Testing System for the Train Axle Temperature. It includes working-flow, circuit schematics and so on.The third part is software operation. It includes related data communication protocol, software working-flow for testing & controlling units. And software design meets the target requirements.At last，according to the system requirement of railway concentrative axletree temperature alarm integrated test-bed, complete the design of the system and implement the system.

KEY WORDS： axle temperature monitor, wireless sensor networks，train

ii 原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任出本Ａ承担。

学位论文作者签名：孑水乡，＼日期：厶。７ｔ，２、修

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学位论文作者签名导师签名揪火Ｉ｝为｝岛嗄ＦＩ期：ｉｏｕ］．门ｔｌｒＦｌ期：弦ｐ７、／２．／』一河北工业大学工程硕士学位论文 第一章 绪论

§1-1 课题研究的背景及意义 随着铁路运输高速重载战略的实施，机车车辆运行速度提高，载重量增大，对铁路运输机车车辆的安全技术保障提出了更高的要求，其中列车轴温监测对保证列车运行安全具有重要意义。 列车在运行过程中，机车车辆与钢轨的冲击、动力效应和振动，导致车辆走行部分各轴承的发热。当轴承磨损和产生缺陷时，不正常发热增大，轻则热轴、固死造成机损，影响车辆的正常运行；重则造成疲劳破坏和热切轴，车毁人亡，严重影响铁路运输安全，造成巨大的生命和财产损失。例如1998年6月3日，德国的一列以速度200 km／h行驶的高速客车因车轮轴内部疲劳断裂突然出轨，致使100多人丧生，80余人受伤[1]。可见，开发研制性能可靠、优良的高速车辆轴温监测报警系统，对保证行车安

全具有重要意义。 随着我国铁路交通运输的发展，客车和货车相继提速，目前客车最高运行速度已达到200公里/小时，货车最高运行速度将达到120公里／小时，正在建造或计划建造的高速铁路，列车最高运行速度将达到300～350公里／小时。这对运输安全的技术保障提出了更高的要求，过去依靠列车停站后人工手摸的方法检测车辆轴温，己不能满足铁路运输安全的需要。 近年来，在铁路沿线每隔30公里，建有列车红外轴温探测站，用来监测货运车辆的轴温变化。客运车普遍安装了车载式传感器的轴温监控装置，严密的监测运行列车轴温变化情况。但是，由于红外探测设备易受外界环境影响、探测点受车身摆动影响定位困难等原因，使得轴温过高告警兑现率低、误报率极高[1]。而客运列车车载式传感器轴温检测装置，主机安装在各车厢列车员的休息室内，轴温信息的

传输方式及集中处理也受到列车特殊环境的种种限制，尚存在不少问题。国内有关部门曾研制过几种轴温集中监测装置，由于未能解决好信息可靠传输及传输通道的问题，因此难以推广使用[2,3]。

§1-2 国内外研究的现状 目前国内外采用的轴温监测装置分为车载接触测量式与地面红外探测式两大类。 绝大多数长途直、特快旅客列车都安装了传感器直接接触式轴温监测报警器（例如TKZW-ITA型），该报警器一般安装在各车厢列车员的休息室内，直接采用声光报警，称为车载接触测量式轴温监测报警器。采用该种方式的轴温测试技术主要是测温传感器的选择，温度信号的实时检测、信号处理、存储、超温报警、显示。尽管多年的实践已使其技术状态趋于稳定，但轴温信息的传输方式及集中处理由于受到列车特殊环境的种种限制，尚存在不少问题。国内有关部门也在研究轴温集中监测装置，希望解决好信息可靠传输及信息存储的问题。目前绝大多数列车轴温报警装置仍然沿用了单车分散报警的模式，这样有时难以及时发现，不能够迅速将故障信息上报、为有关人员及时采取措施提供条件，因此目前要解1 无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用 决的是实时检测、信息传输和集中控制问题[4,5]。在北美、日本、欧洲、澳大利亚等国都有类似产品应用。 另一种是地面红外探测式轴温探测设备。 我国铁路红外线轴温探测设备研制工作始于1958年，采用硫化铅红外线元件进行非接触式探测。1970年研制出我国第一台铁路红外线轴温探测设备（简称一代机），科技水平接近当时世界先进水平。一代机主要由车轮传感器（简称磁钥）、轴温传感器（简称红外探头）、轴温信息传输和描笔记录仪构成。值班人员根据每个轴温脉冲幅值的高低，进行滚滑判别和热轴判别。1985年我国研制出第二代红外线轴温探测设备（简称二代机），科技水平达到世界先进水平。二代机引进了计算机技术，克服了一代机单点应用的缺点，具有网络布点、热轴跟踪、区间无人探测、人机对话等特点，具有自动探测热轴、自动测速、自动计轴计辆、自动识别客货车辆、自动识别滚动和滑动轴承等功能。 HBD-Ⅱ型红外线轴温探测设备动态检测车是利用原HBD型检测车的车体重新研制的，该检测装置解决了原检测车存在测控温精度差、功耗大、无法对地面探头探测方位等问题。随着铁路提速战略的实施，对车辆运行安全保障技术提出了更高的要求。HBD-Ⅱ型检测车车载检测装置在实际使用中暴露出一些问题，如：模拟轴箱的动态控温精度不能满足l60km／h时速要求；对不同厂家设备不能满足探头扫描方位的动态自动检测；车辆在钢轨上的相对偏移量测定受日光照影响。为解决上述问题，上海铁路局车辆处与航天科技集团502所再度合作，在HBD-Ⅱ型检测装置的基础上，对车载红外线轴温探测设备动态检测装置进行了重新研制。重新研制的HBD-Ⅲ型红外线轴温探测设备动态检测装置被安装在25K新型提速车上，并于2002年l0月30日通过了部科技司组织的技术鉴定。近几年国内又研制出了HTK-499型红外线轴温探测系统(THDS)，该系统适应车速3～360 km／h，探测精度±2℃，具有自动计轴计辆，自动判别客车、货车和机车，自动判别列车运行方向和速度，自动判别车辆滚动、滑动轴承，自动读取车号信息进行列车热轴跟踪和预报及远程监控等功能。 目前国内主要生产厂家及其主要设备型号如下：航天部502所，HBDS-II型；哈尔滨铁路局科研所，HTK-391型；成都铁路局广汉通信信号厂，HZT-II 9012型等。但地面红外探测式轴温探测设备由于受环境、车型以及行驶中车体晃动等因素的影响，造成检测兑现率低、误报率高、维修量大等等不可靠情况[6]。