中心議題：

• 機車能耗監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)
• 機車能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

解決方案：

• 電力機車遠程能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

引言

電力機車的能耗以及由于無功造成的罰款是電力機務(wù)段的主要運營成本，占總運營成本的70%以上。如何降低成本是擺在各個機務(wù)段面前的一個難題。因此研究、分析機車動態(tài)能耗與機車運行操作、機車質(zhì)量、機車故障及牽引供電狀態(tài)等的關(guān)系，滿足電能統(tǒng)計及管理要求，指導(dǎo)司機的節(jié)能操作，對機務(wù)段具有重要的現(xiàn)實意義。

1 機車能耗監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

機車遠程能耗監(jiān)測裝置適合于計量電力機車額定參數(shù)為50 Hz 或60 Hz、110 V 或者220 V 的正向有功、正向無功、反向有功、反向無功電能以及頻率、網(wǎng)壓等各項數(shù)值內(nèi)置了大容量的信息存儲器和GPRS 模塊，具備遠程無線通信能力。

機車遠程能耗監(jiān)測裝置功能框圖如圖1 所示，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和GPRS 實時遠程通信等功能。

1.1 數(shù)據(jù)采集

機車遠程能耗監(jiān)測裝置能計量機車的有功電能和無功電能以及網(wǎng)壓、網(wǎng)流和頻率等，通過隔離RS-485 與TAX 箱通信，實時獲取機車運行的速度、公里標(biāo)、時間、司機號、機車號、牽引總重、站號等運行信息[3]，同時實時采集機車運行工況和手柄級位信息，并自動判斷記錄機車過分相點位置，實現(xiàn)對機車車質(zhì)狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測、電量信息和運行信息實時采集。

1.2 數(shù)據(jù)存儲

根據(jù)電量統(tǒng)計的需要，機車能耗監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)時以參數(shù)變化作為記錄條件。記錄條件包括交路號、牽引總重、站號、分相點、司機號、機車號和級位等。只要以上條件發(fā)生變化，就記錄當(dāng)時的參數(shù)，包括電量、速度、時間、公里標(biāo)等。

該裝置采用了大容量的存儲器。由于機車運行的數(shù)據(jù)較多，為了降低GPRS 的使用成本，對于所有采集的信息均采用非分區(qū)定長壓縮方法[2]存儲，每包數(shù)據(jù)定長35 個字節(jié)，由數(shù)據(jù)頭、公共數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)幀標(biāo)識、數(shù)據(jù)校驗位等4 部分組成。數(shù)據(jù)頭占一個字節(jié)，公共數(shù)據(jù)占32 個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀標(biāo)識和校驗結(jié)果各占一個字節(jié)。由于每包數(shù)據(jù)只有35 個字節(jié)，不能包含所有的機車運行信息，因此在上電的時候?qū)⑼暾囊粭l機車運行信息拆分成兩包發(fā)送。另外，@7 代表的級位變化大小N 的值可以在程序中設(shè)定。數(shù)據(jù)頭及其具體含義如表1 所示。
 

1.3 GPRS 實時遠程通信

通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS(general packet radio service)，具有資源利用率高、傳輸速率高、接入時間短、支持IP 協(xié)議和X.25 協(xié)議等優(yōu)點[4]。

本系統(tǒng)采用的GPRS 模塊實際是一款內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議的GPRS Modem。GPRS模塊內(nèi)嵌了完整的 TCP/IP 協(xié)議族，具有訪問Internet 的能力。模塊所有的Internet 參數(shù)和 GPRS 通信參數(shù)都通過軟件設(shè)置(AT/AT+i 指令集)實現(xiàn)。模塊具有永遠在線的特點，即使掉電或重啟也能夠自動上線，可以有效地抵御各種惡劣環(huán)境，抗強電磁干擾，并且高溫散熱能力極強、體積小、適合于安裝在電力機車這種干擾較強的環(huán)境中。

系統(tǒng)采用了GPRS 模塊透明模式下的短連接功能，能夠?qū)崿F(xiàn)鏈路的自動釋放和自動重連。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，模塊會自動連接地面服務(wù)器；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，模塊會自動釋放鏈路，從而最大限度地節(jié)省費用。

2 機車能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于 GPRS 的遠程機車能耗地面監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖2 所示。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)一對多雙向通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)查詢等功能。

2.1 一對多的雙向通信

機車能耗監(jiān)測裝置按照記錄條件記錄機車運行的各種參數(shù)，并且通過GPRS 實時向地面服務(wù)器傳送記錄的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)為一對多雙向通信結(jié)構(gòu)，每個車載GPRS 模塊中已經(jīng)設(shè)置了地面接收服務(wù)器的IP 地址和開放的固定端口，可以實現(xiàn)一臺地面服務(wù)器對多臺電力機車車載能耗監(jiān)測設(shè)備的雙向通信。

通信均由車載GPRS 模塊主動發(fā)起。一旦GPRS 模塊建立起與地面服務(wù)器之間的聯(lián)系，GPRS 與地面服務(wù)器之間的雙向通道也就建立起來。地面服務(wù)器不僅可以接收GPRS 模塊傳送的數(shù)據(jù)，還可以向車載設(shè)備發(fā)送時間校準(zhǔn)值或者要求模塊發(fā)送地面所需的數(shù)據(jù)。當(dāng)多塊車載GPRS 模塊向地面服務(wù)器提出連接請求時，服務(wù)器會給每個模塊分配一個唯一的句柄號，據(jù)此即可實現(xiàn)一對多的雙向通信。

車載GPRS 模塊與地面服務(wù)器通信遵循事先約定的通信協(xié)議。GPRS 發(fā)送一包數(shù)據(jù)，地面服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)先進行CRC 校驗，將校驗結(jié)果與所接收數(shù)據(jù)中的校驗結(jié)果進行比對，并返回模塊“#+校驗結(jié)果+數(shù)據(jù)幀標(biāo)識”。若校驗結(jié)果正確，則車載模塊的發(fā)送指針加1，數(shù)據(jù)幀標(biāo)識加 1；反之，車載設(shè)備重新檢查所發(fā)數(shù)據(jù)包，并重新發(fā)送數(shù)據(jù)。通過這些嚴格的校驗、握手措施，可以保證收發(fā)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
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為了實現(xiàn)Internet 上兩個遠程計算機之間的數(shù)據(jù)傳送，Winsock 編程是一個十分便捷、快速的選擇。Winsock通信是基于Client/Server 模式的，即服務(wù)器的Winsock 在某端口進行“偵聽”服務(wù)，等待客戶機的申請。通過設(shè)置Winsock 控件的屬性并調(diào)用其方法就可輕易連接到一臺遠程機器上去，并且可雙向交換數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建服務(wù)器應(yīng)用程序應(yīng)設(shè)置一個收聽端口（LocalPort 屬性）并調(diào)用Listen 方法。當(dāng)客戶計算機需要連接時就會發(fā)生ConnectionRequest 事件。為了完成連接，可調(diào)用ConnectionRequest 事件內(nèi)的Accept 方法。一旦連接建立，兩端均可使用SendData 或GetData 進行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。事件DataArrival 將在另一端數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時被觸發(fā)。

數(shù)據(jù)通信程序流程如圖3 所示。當(dāng)多塊車載GPRS 模塊同時向地面服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，每發(fā)生一個ConnectionRequest 事件Index 就加1。這樣每個ConnectionRequest 事件就對應(yīng)唯一的Index，就可以實現(xiàn)一對多的通信。當(dāng)Index 即將溢出時，清除所有Socket 連接。因為GPRS 模塊會重新自動上線，所以能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括信息還原、數(shù)據(jù)判斷和數(shù)據(jù)顯示等。

對于接收的每包數(shù)據(jù)，解調(diào)的時候需要按照原始數(shù)據(jù)的壓縮存儲格式進行。

對于還原出來的信息，還要對其合法性進行判斷，只有合法的數(shù)據(jù)才能寫入數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)數(shù)據(jù)表中。

顯示是系統(tǒng)界面的主體部分。顯示的信息分為動態(tài)信息顯示和數(shù)據(jù)庫查詢信息顯示兩大部分。動態(tài)信息顯示能夠顯示接收到的最新的機車信息。數(shù)據(jù)庫查詢信息顯示能按要求顯示所查詢信息內(nèi)容。系統(tǒng)還能追蹤在線機車的最新運行情況等，還可以繪出機車運行的速度公里和功率-公里曲線。界面如圖4 所示。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

本系統(tǒng)采用Oracle 9i 數(shù)據(jù)庫來存儲所有數(shù)據(jù)。Oracle 關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是目前世界上流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[1],可伸縮性、可靠性和完整性方面有著很好的表現(xiàn)，是一種高效率、高可靠性并能適應(yīng)高吞吐量的數(shù)據(jù)庫解決方案。

VB 操作Oracle 使用了ADO 方法。ADO 的核心是Connection、Recordset 和Command 對象。首先用Connection 與服務(wù)器建立連接，然后用Command 對象執(zhí)行命令，如查詢、更新等。用Recordset 對象來操作和查看查詢結(jié)果。

通過校驗的合法數(shù)據(jù)全部存入數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)表中包括的字段有機車設(shè)備號、數(shù)據(jù)頭標(biāo)識、機車號、時間、司機號、車次、牽引總重、交路、速度、站號、有功電量、無功電量、手柄級位、網(wǎng)壓、頻率等。

2.4 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)表中每條數(shù)據(jù)都不包含所有的字段信息，因此決定了查詢應(yīng)采取組合、匹配的方法。用于匹配的字段包括機車號、機車設(shè)備號、時間、數(shù)據(jù)頭標(biāo)識等。

根據(jù)實際需求可以實現(xiàn)分司機、機車、區(qū)段和時間的組合查詢。查詢的結(jié)果以報表的形式顯示出來，包括司機能耗數(shù)據(jù)報表、機車能耗數(shù)據(jù)報表、司機交接班數(shù)據(jù)報表、供電段能耗數(shù)據(jù)報表、機車分戶帳數(shù)據(jù)報表、司機工作成績報表等。這些報表可以為機務(wù)段、供電段等部門分析能耗、制定節(jié)能措施提供一個參考依據(jù)。

3 結(jié)束語

使用 VB6.0 開發(fā)的該系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了上述功能，在實際的測試運行中也取得了很好的數(shù)據(jù)，為進一步能耗分析奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻
1 Kevin Loney, eorge Koch. Oracle 9i 參考手冊[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.
2 余祖俊. 微機檢測與控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：北方交通大學(xué)出版社, 2003.
3 鐵道部株洲電力研究所. TAX2 型機車安全信息綜合監(jiān)測裝置安裝使用維護說明書[M].
4 鐘章隊. GPRS 通用分組無線業(yè)務(wù)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2001.(end)