中心議題：

• 機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)
• 機(jī)車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解決方案：

• 電力機(jī)車遠(yuǎn)程能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

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

1 機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

機(jī)車遠(yuǎn)程能耗監(jiān)測(cè)裝置適合于計(jì)量電力機(jī)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(xiàng)數(shù)值內(nèi)置了大容量的信息存儲(chǔ)器和GPRS 模塊，具備遠(yuǎn)程無線通信能力。

機(jī)車遠(yuǎn)程能耗監(jiān)測(cè)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(chǔ)和GPRS 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程通信等功能。

1.1 數(shù)據(jù)采集

機(jī)車遠(yuǎn)程能耗監(jiān)測(cè)裝置能計(jì)量機(jī)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(shí)時(shí)獲取機(jī)車運(yùn)行的速度、公里標(biāo)、時(shí)間、司機(jī)號(hào)、機(jī)車號(hào)、牽引總重、站號(hào)等運(yùn)行信息[3]，同時(shí)實(shí)時(shí)采集機(jī)車運(yùn)行工況和手柄級(jí)位信息，并自動(dòng)判斷記錄機(jī)車過分相點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車車質(zhì)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、電量信息和運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

根據(jù)電量統(tǒng)計(jì)的需要，機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)以參數(shù)變化作為記錄條件。記錄條件包括交路號(hào)、牽引總重、站號(hào)、分相點(diǎn)、司機(jī)號(hào)、機(jī)車號(hào)和級(jí)位等。只要以上條件發(fā)生變化，就記錄當(dāng)時(shí)的參數(shù)，包括電量、速度、時(shí)間、公里標(biāo)等。

該裝置采用了大容量的存儲(chǔ)器。由于機(jī)車運(yùn)行的數(shù)據(jù)較多，為了降低GPRS 的使用成本，對(duì)于所有采集的信息均采用非分區(qū)定長壓縮方法[2]存儲(chǔ)，每包數(shù)據(jù)定長35 個(gè)字節(jié)，由數(shù)據(jù)頭、公共數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)位等4 部分組成。數(shù)據(jù)頭占一個(gè)字節(jié)，公共數(shù)據(jù)占32 個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)和校驗(yàn)結(jié)果各占一個(gè)字節(jié)。由于每包數(shù)據(jù)只有35 個(gè)字節(jié)，不能包含所有的機(jī)車運(yùn)行信息，因此在上電的時(shí)候?qū)⑼暾囊粭l機(jī)車運(yùn)行信息拆分成兩包發(fā)送。另外，@7 代表的級(jí)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(shí)時(shí)遠(yuǎn)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(shí)間短、支持IP 協(xié)議和X.25 協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)[4]。

本系統(tǒng)采用的GPRS 模塊實(shí)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(shí)現(xiàn)。模塊具有永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)，即使掉電或重啟也能夠自動(dòng)上線，可以有效地抵御各種惡劣環(huán)境，抗強(qiáng)電磁干擾，并且高溫散熱能力極強(qiáng)、體積小、適合于安裝在電力機(jī)車這種干擾較強(qiáng)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(dòng)釋放和自動(dòng)重連。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，模塊會(huì)自動(dòng)連接地面服務(wù)器；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，模塊會(huì)自動(dòng)釋放鏈路，從而最大限度地節(jié)省費(fèi)用。

2 機(jī)車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于 GPRS 的遠(yuǎn)程機(jī)車能耗地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖2 所示。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一對(duì)多雙向通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢等功能。

2.1 一對(duì)多的雙向通信

機(jī)車能耗監(jiān)測(cè)裝置按照記錄條件記錄機(jī)車運(yùn)行的各種參數(shù)，并且通過GPRS 實(shí)時(shí)向地面服務(wù)器傳送記錄的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)為一對(duì)多雙向通信結(jié)構(gòu)，每個(gè)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(shí)現(xiàn)一臺(tái)地面服務(wù)器對(duì)多臺(tái)電力機(jī)車車載能耗監(jiān)測(cè)設(shè)備的雙向通信。

通信均由車載GPRS 模塊主動(dòng)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(shí)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(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器會(huì)給每個(gè)模塊分配一個(gè)唯一的句柄號(hào)，據(jù)此即可實(shí)現(xiàn)一對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，將校驗(yàn)結(jié)果與所接收數(shù)據(jù)中的校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，并返回模塊“#+校驗(yàn)結(jié)果+數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)”。若校驗(yàn)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(shí)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(yán)格的校驗(yàn)、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(shí)現(xiàn)Internet 上兩個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，Winsock 編程是一個(gè)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(jìn)行“偵聽”服務(wù)，等待客戶機(jī)的申請(qǐng)。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(tái)遠(yuǎn)程機(jī)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(gè)收聽端口（LocalPort 屬性）并調(diào)用Listen 方法。當(dāng)客戶計(jì)算機(jī)需要連接時(shí)就會(huì)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(jìn)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(shí)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(shí)向地面服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每發(fā)生一個(gè)ConnectionRequest 事件Index 就加1。這樣每個(gè)ConnectionRequest 事件就對(duì)應(yīng)唯一的Index，就可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信。當(dāng)Index 即將溢出時(shí)，清除所有Socket 連接。因?yàn)镚PRS 模塊會(huì)重新自動(dòng)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(duì)于接收的每包數(shù)據(jù)，解調(diào)的時(shí)候需要按照原始數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)格式進(jìn)行。

對(duì)于還原出來的信息，還要對(duì)其合法性進(jìn)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(dòng)態(tài)信息顯示和數(shù)據(jù)庫查詢信息顯示兩大部分。動(dòng)態(tài)信息顯示能夠顯示接收到的最新的機(jī)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(jī)車的最新運(yùn)行情況等，還可以繪出機(jī)車運(yùn)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(chǔ)

本系統(tǒng)采用Oracle 9i 數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)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(duì)象。首先用Connection 與服務(wù)器建立連接，然后用Command 對(duì)象執(zhí)行命令，如查詢、更新等。用Recordset 對(duì)象來操作和查看查詢結(jié)果。

通過校驗(yàn)的合法數(shù)據(jù)全部存入數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)表中包括的字段有機(jī)車設(shè)備號(hào)、數(shù)據(jù)頭標(biāo)識(shí)、機(jī)車號(hào)、時(shí)間、司機(jī)號(hào)、車次、牽引總重、交路、速度、站號(hào)、有功電量、無功電量、手柄級(jí)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(jī)車號(hào)、機(jī)車設(shè)備號(hào)、時(shí)間、數(shù)據(jù)頭標(biāo)識(shí)等。

根據(jù)實(shí)際需求可以實(shí)現(xiàn)分司機(jī)、機(jī)車、區(qū)段和時(shí)間的組合查詢。查詢的結(jié)果以報(bào)表的形式顯示出來，包括司機(jī)能耗數(shù)據(jù)報(bào)表、機(jī)車能耗數(shù)據(jù)報(bào)表、司機(jī)交接班數(shù)據(jù)報(bào)表、供電段能耗數(shù)據(jù)報(bào)表、機(jī)車分戶帳數(shù)據(jù)報(bào)表、司機(jī)工作成績報(bào)表等。這些報(bào)表可以為機(jī)務(wù)段、供電段等部門分析能耗、制定節(jié)能措施提供一個(gè)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(shí)現(xiàn)了上述功能，在實(shí)際的測(cè)試運(yùn)行中也取得了很好的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步能耗分析奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)
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