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2016年09月22日 13:00 CEST

创新式网络和天线设计可以为铁路车辆的新一代稳健无线状态监测系统铺平道路,斯凯孚的铁路工程经理 Mario Rossi如是说。

正如交通运输行业的众多领域一样,提高铁路运输领域的安全性和可靠性以及减少维护需求等驱动因素使得对状态维护方案的关注与日俱增。 该方案需要使用以下监测技术: 监测在正常运行期间温度、振动和其他变量的变化,对机械故障发出早期预警,从而使操作人员可以在故障发生前采取行动。 到目前为止一直存在的问题是:需要安装一系列的传感器从关键部件收集上述数据,这需要使用具有更多接线的复杂网络。 而电缆安装成本很高,并且会使得日常维护更耗时、更费力。

如今,斯凯孚的工程师团队和两个意大利领先机构的学者1共同协作,演示了如何利用低功率的无线通信系统运行传感器网络,大幅简化设计、安装和维护。

无线网络很难用于铁路状态监测,原因如下: 首先,在不充电或更换的情况下,传感器必须能长时间运行。 例如,现代一些客运列车的检修周期预计超过一百万公里,而运营公司正满怀信心想要使该周期加倍。 需要自己发电和储电意味着传感器必须非常高效节能,这大幅限制了用于传播无线信号的功率。

但铁路车辆本身很大,这与这种低功率要求相悖。 例如,安装在轴箱处的传感器可能必须传送数据到20 米远的位于车辆中心的接收器。 列车车厢处也很难实现无线传输。 车辆的转向架、底盘和车身有大量导电材料,可能阻挡或干扰信号。

为了建立满足上述要求的无线网络,斯凯孚团队首先必须为其拟建系统选择合适的工作频率。 这一选择受到各种因素的影响,包括规定电磁波谱使用的地区法规、与列车上或列车附近的其他设备互相干扰的可能性,以及各频率可能携带的数据量和所需硬件尺寸大小之间的权衡。

团队最初关注了三个可能的频率: 434 MHz、868 MHz和2.4 GHz。之后,他们使用先进的仿真工具检查了铁路系统的特性,仿真工具能对通过列车车厢结构和在列车车厢结构周围的无线电波的反射和绕射建模。

本次仿真对许多可能的网络配置进行了探究, 这包括一个系统(各个转向架上的传感器将数据传输到装在列车顶的接收器)和一个替代方案(传感器配有发射器(Tx)和接收器(Rx)天线,各个传感器与相邻传感器通信,之后沿列车发送数据至驾驶室的最终接收器)。 以2.4 GHz频率传输数据时出现传输问题并且车载Wi-Fi信号可能干扰传输,但以434 MHz 和868 MHz频率传输数据时表现出良好的传输性能。 由于以434 MHz频率传输数据需要使用大量复杂的天线,所以不采用该频率,团队最终决定采用868 MHz频率作为完成任务的最佳方案。 使用安装在真实列车上的样机设备进行物理试验,确认了仿真结果。

新方案的下一个关键要素是新型的天线设计,为应对铁路环境的独特挑战必须对天线进行优化。 使传感器可以安装在需要的地方——例如转向架的轴箱上,必须保证传感器、控制电子装置和天线的整体尺寸非常小。 为了保证天线能在列车下长时间工作,天线的设计必须具备防灰和防潮功能,并且能够承受较大的温度波动和较高的振动水平。

为了制造出满足上述要求的天线,团队选择了一种称为平面倒F型天线(PIFA)的配置。 在这一设计中,天线元件安装在印刷电路板(PCB)上方,印刷电路板由导电材料包覆作为接地层。 在印刷电路板另一侧加装带有金属层的介质基片。 这种配置非常坚固,可沿任意方向传输数据——这对于可能必须要塞入难以接近部位的部件来说是另一个重要特性。

通过使用具有非常高相对介电常数(εr=10.9)的介质材料,团队成功缩减了天线尺寸,确保其适用于标准的铁路轴箱。 对安装在轴箱内部的新型天线进行的试验表明,新型天线性能极佳,与目前市售的天线相比,受邻近的其他大型金属物体的影响较小。 随着斯凯孚不断研发针对铁路市场的下一代物联网产品,这些研究结果的价值也在不断凸显。
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1 研发幕后团队包括SKF铁路部门的Franco Lambertino和Mario Rossi ; 都灵理工大学电子与通信学院天线和电磁兼容实验室(LACE)的Gianluca Dassano、Francesca Vipiana和Mario Orefice; 以及都灵 Istituto Superiore Mario Boella(ISMB)天线和电磁兼容实验室(LACE)的Sergio Arianos 。 在今年早些时候于米兰举办的第11 世界铁路研究大会上,团队展示了上述研究成果。

瑞典斯凯孚
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