軌道交通俘能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

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摘要：《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中明確交通運(yùn)輸綠色低碳行動(dòng)要求，并提出降低交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期能耗和碳排放的具體要求，綠色軌道交通意義重大。軌道交通監(jiān)測系統(tǒng)中使用大量的傳感器設(shè)備，受到布線、地理環(huán)境等條件限制，傳統(tǒng)有線傳感器應(yīng)用受到限制，而基于ZigBee的無線傳感器節(jié)點(diǎn)通信方式在軌道車輛健康監(jiān)測和軌下基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。目前無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電方式，其維保工作量繁重。文章通過對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)方式和芯片參數(shù)進(jìn)行梳理，以及對列車振動(dòng)產(chǎn)生的電能進(jìn)行仿真分析，從理論上論證利用軌道振動(dòng)能量為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的可行性，并說明俘能發(fā)電在軌道交通中的意義。

關(guān)鍵詞：軌道交通；俘能發(fā)電；ZigBee；無線傳感器節(jié)點(diǎn)；監(jiān)測系統(tǒng)

1引言

《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》[1]為碳達(dá)峰、碳中和這項(xiàng)重大戰(zhàn)略進(jìn)行系統(tǒng)謀劃、總體部署，方案提出，到2025年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020年下降18%的近期目標(biāo)，以及構(gòu)建綠色、高效、智能交通運(yùn)輸體系的要求。《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》[2]中提出，到2025年，交通運(yùn)輸領(lǐng)域綠色生產(chǎn)生活方式逐步形成，交通基礎(chǔ)設(shè)施綠色化建設(shè)比例顯著提升，資源要素利用效率持續(xù)提高，綜合交通運(yùn)輸基本實(shí)現(xiàn)一體化融合發(fā)展，智能化、綠色化取得實(shí)質(zhì)性突破。截至2021年底，我國高鐵運(yùn)營里程突破4萬km，中國鐵路營運(yùn)總里程突破15萬km[3]，中國內(nèi)地累計(jì)有50個(gè)城市投運(yùn)城市軌道交通線路9192.62km[4]，伴隨軌道交通里程的增加和列車速度的提高，以及無線傳感技術(shù)的發(fā)展，軌道交通健康狀況實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測已成為軌道交通智能化運(yùn)營的發(fā)展趨勢。無線傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感系統(tǒng)重要組成部分，采用電池供電方式，雖具有低功耗特點(diǎn)（使用2節(jié)干電池可維持6～24個(gè)月），但無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，難拆卸，且受地理環(huán)境限制，定期定點(diǎn)的進(jìn)行電池維保，工作量繁重。俘能發(fā)電技術(shù)是利用周圍環(huán)境中可用能量（如風(fēng)、光、溫等），通過壓電、電磁等方式將環(huán)境能量俘獲、轉(zhuǎn)換為電能并儲存在超級電容或電池內(nèi)的能源利用技術(shù)。因此，研究、應(yīng)用俘能發(fā)電技術(shù)為軌道交通中無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電可提高設(shè)備可維護(hù)性，降低檢查人員勞動(dòng)工作強(qiáng)度，減少電池污染，對綠色軌道交通意義重大。

2軌道交通無線傳感技術(shù)應(yīng)用

無線傳感技術(shù)使用多種無線通信方式，伴隨科技的進(jìn)步，人們對無線低功耗、低成本需求越來越高，ZigBee無線通信技術(shù)在此背景下誕生，它具有功耗低、延時(shí)短、成本低、速率低、網(wǎng)絡(luò)容量高、傳輸距離短、可靠性高、保密性高以及開放性和通用性的特點(diǎn)。ZigBee技術(shù)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，并擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備通信，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集、無線工控設(shè)備以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域，解決了短距離布線問題[5]。因此，基于ZigBee的無線傳感器節(jié)點(diǎn)通信方式在軌道車輛和軌下基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用[6-7]。

2.1軌道車輛狀態(tài)監(jiān)測

陳啟武等[8]根據(jù)貨運(yùn)列車安全狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線通信技術(shù)的貨運(yùn)列車安全狀態(tài)監(jiān)測，通過在每節(jié)車廂轉(zhuǎn)向架軸箱內(nèi)安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集軸溫和煙霧數(shù)據(jù)并發(fā)送至機(jī)車監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)對貨運(yùn)列車的安全狀態(tài)監(jiān)測功能。其中，ZigBee節(jié)點(diǎn)選用CC2530芯片，該芯片由電源模塊采用1節(jié)5V電池供電，使用直流變壓器HT7533將5V降至其工作電壓3.3V。謝千野[9]針對列車軸溫高而不能及時(shí)排除故障，可能會引起切軸事故的問題，設(shè)計(jì)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地鐵列車軸溫實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對列車軸溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，解決了人工觸碰測量不可靠和地鐵環(huán)境不宜安裝軌旁紅外測溫探頭的問題。系統(tǒng)選用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收發(fā)，并設(shè)計(jì)使用2節(jié)干電池為芯片供電，電池更換周期約為1年。邱曉歡等[10]針對貨運(yùn)列車軸溫實(shí)時(shí)性問題，進(jìn)行貨運(yùn)列車軸溫檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用ZigBee搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將軸溫信息發(fā)送到車載監(jiān)控平臺，再發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，解決貨運(yùn)列車運(yùn)行過程中軸溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測問題。其中通信模塊選用CC2630主控芯片，該芯片供電電壓為1.8～3.8V，采用紐扣電池為其供電。王銳等[11]針對高速列車車廂內(nèi)環(huán)境舒適度問題，設(shè)計(jì)列車環(huán)境智能無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至主控中心，主控中心通過該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)空調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)溫濕度、氣壓、CO濃度和煙霧度等一系列環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，提高車廂環(huán)境舒適性。其中，ZigBee組網(wǎng)核心芯片采用CC2430。

2.2軌下基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測

于曉東等[12]針對鐵道扣件松脫監(jiān)測問題，設(shè)計(jì)了基于IoT傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)鋼軌檢測系統(tǒng)，通過ZigBee、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB-loT）和互聯(lián)網(wǎng)（Internet）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將扣件松緊程度、列車載重及運(yùn)行速度等狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到云端服務(wù)器，提高監(jiān)測效率，降低漏檢和誤檢率。其中，ZigBee模塊使用CC2530芯片。史經(jīng)科等[13]針對鐵道沿線邊坡滑坡災(zāi)害問題，設(shè)計(jì)基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的鐵道沿線邊坡滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測軌道交通俘能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用探索系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將滑坡位移量傳送至地面監(jiān)控中心的監(jiān)測功能，有效解決了監(jiān)測區(qū)無人值守、布線難等問題。主控芯片選用CC2530，系統(tǒng)采用12V蓄電池配套供電電路作為系統(tǒng)供電，其中，電壓降至3.3V為ZigBee的主控芯片供電。程龍[14]對蘭新高鐵沿線重點(diǎn)風(fēng)區(qū)風(fēng)速監(jiān)測及列車的風(fēng)致安全預(yù)警問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)基于ZigBee方案的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速實(shí)時(shí)監(jiān)測，對線路中行駛的列車提供準(zhǔn)確的限速預(yù)警功能，解決了大風(fēng)對列車的行車安全預(yù)警問題。ZigBee方案采用基于射頻CC2530芯片作為主控芯片。

2.3小結(jié)

通過對軌道車輛及軌下基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)研可知，基于ZigBee無線傳感器節(jié)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[15]，其核心器件為CC2430、CC2530、CC2630芯片，各芯片參數(shù)如表1所示。由表1可知，隨著芯片的迭代，其能耗顯著降低，其中，小型紐扣電池或俘能發(fā)電技術(shù)可為迭代的最新芯片CC2630供電，且該芯片功能為俘能發(fā)電技術(shù)為其供電提供了便利條件。

3俘能發(fā)電為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電探索

3.1俘能發(fā)電仿真分析

無線傳感器節(jié)點(diǎn)周圍可回收能量有振動(dòng)機(jī)械能、風(fēng)能、太陽能、接觸網(wǎng)電磁能等，其中振動(dòng)能能量密度高且易回收[16]，因此，振動(dòng)能的回收利用成為研究熱點(diǎn)[17]。振動(dòng)俘能發(fā)電的方式多種多樣[18]，如電磁式、壓電式、摩擦納米式等。其中，電磁式具有輸出電流大、發(fā)電裝置易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，更適合為無線傳感器節(jié)點(diǎn)的芯片供電。通過對速度200km/h的8輛編組綜合測試車進(jìn)行車-軌作用的振動(dòng)能量譜測試分析，得到軌道與車輛的共振峰值頻率集中在70Hz，應(yīng)用SolidWorks、Maxwell等軟件并結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)電磁俘能柱，模型尺寸為直徑32mm，高61mm，俘能發(fā)電柱剖視圖如圖1所示，主要由線圈組件、外殼、頂蓋、壓簧、銣錋永磁鐵等組成。對該裝置進(jìn)行電能仿真測試，如圖2所示，在70Hz時(shí)，振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能約為25～35mW。

3.2俘能發(fā)電與供電分析

從表1可知CC2630芯片工作直流電壓為1.8～3.8V，工作電流最大值為9.1mA（+5dBm時(shí)），選取該芯片工作最大電壓和電流值，計(jì)算得到其工作功耗最大值為34.58mW。由上文俘能發(fā)電仿真分析可知該綜合測試車振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能約為25～35mW，滿足CC2630芯片功耗需求。

4結(jié)語及展望

通過上述芯片參數(shù)和俘能發(fā)電仿真分析，初步證明軌道交通振動(dòng)俘能發(fā)電為無線傳感器節(jié)點(diǎn)芯片供電的可行性。利用軌道振動(dòng)能量的俘能發(fā)電技術(shù)不僅可以解決無線傳感器節(jié)點(diǎn)芯片的供電問題，而且順應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展需要，更符合綠色、智能軌道交通發(fā)展要求。隨著科技的進(jìn)步，芯片的功耗將會繼續(xù)降低，俘能發(fā)電效率將會進(jìn)一步提高，振動(dòng)俘能發(fā)電技術(shù)或?qū)⒊蔀闊o線傳感技術(shù)領(lǐng)域供電最優(yōu)選擇。

作者:陳超 單位:西安鐵路信號有限責(zé)任公司