中心議題：
- 機車能耗監測裝置結構
- 機車能耗遠程監測系統設計
解決方案：
- 電力機車遠程能耗監測系統的設計
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段面前的一個難題。因此研究、分析機車動態能耗與機車運行操作、機車質量、機車故障及牽引供電狀態等的關系，滿足電能統計及管理要求，指導司機的節能操作，對機務段具有重要的現實意義。
1 機車能耗監測裝置結構
機車遠程能耗監測裝置適合于計量電力機車額定參數為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、網壓等各項數值內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。
機車遠程能耗監測裝置功能框圖如圖1 所示，具有數據采集、數據存儲和GPRS 實時遠程通信等功能。
1.1 數據采集
機車遠程能耗監測裝置能計量機車的有功電能和無功電能以及網壓、網流和頻率等，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、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，實現對機車車質狀態的動態監測、電量信息和運行信息實時采集。
1.2 數據存儲
根據電量統計的需要，機車能耗監測裝置測量數據時以參數變化作為記錄條件。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。只要以上條件發生變化，就記錄當時的參數，包括電量、速度、時間、公里標等。
該裝置采用了大容量的存儲器。由于機車運行的數據較多，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定長壓縮方法[2]存儲，每包數據定長35 個字節，由數據頭、公共數據、數據幀標識、數據校驗位等4 部分組成。數據頭占一個字節，公共數據占32 個字節，數據幀標識和校驗結果各占一個字節。由于每包數據只有35 個字節，不能包含所有的機車運行信息，因此在上電的時候將完整的一條機車運行信息拆分成兩包發送。另外，@7 代表的級位變化大小N 的值可以在程序中設定。數據頭及其具體含義如表1 所示。
1.3 GPRS 實時遠程通信
通用無線分組業務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 協議和X.25 協議等優點[4]。
本系統采用的GPRS 模塊實際是一款內嵌TCP/IP 協議的GPRS Modem。GPRS模塊內嵌了完整的 TCP/IP 協議族，具有訪問Internet 的能力。模塊所有的Internet 參數和 GPRS 通信參數都通過軟件設置(AT/AT+i 指令集)實現。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境中。
系統采用了GPRS 模塊透明模式下的短連接功能，能夠實現鏈路的自動釋放和自動重連。當有數據發送的時候，模塊會自動連接地面服務器；當數據發送完畢后，模塊會自動釋放鏈路，從而最大限度地節省費用。
2 機車能耗遠程監測系統設計
基于 GPRS 的遠程機車能耗地面監測系統的結構框如圖2 所示。該系統主要實現一對多雙向通信、數據處理、數據存儲和數據查詢等功能。
2.1 一對多的雙向通信
機車能耗監測裝置按照記錄條件記錄機車運行的各種參數，并且通過GPRS 實時向地面服務器傳送記錄的數據。
本系統為一對多雙向通信結構，每個車載GPRS 模塊中已經設置了地面接收服務器的IP 地址和開放的固定端口，可以實現一臺地面服務器對多臺電力機車車載能耗監測設備的雙向通信。
通信均由車載GPRS 模塊主動發起。一旦GPRS 模塊建立起與地面服務器之間的聯系，GPRS 與地面服務器之間的雙向通道也就建立起來。地面服務器不僅可以接收GPRS 模塊傳送的數據，還可以向車載設備發送時間校準值或者要求模塊發送地面所需的數據。當多塊車載GPRS 模塊向地面服務器提出連接請求時，服務器會給每個模塊分配一個唯一的句柄號，據此即可實現一對多的雙向通信。
車載GPRS 模塊與地面服務器通信遵循事先約定的通信協議。GPRS 發送一包數據，地面服務器接收到數據后對數據先進行CRC 校驗，將校驗結果與所接收數據中的校驗結果進行比對，并返回模塊“#+校驗結果+數據幀標識”。若校驗結果正確，則車載模塊的發送指針加1，數據幀標識加 1；反之，車載設備重新檢查所發數據包，并重新發送數據。通過這些嚴格的校驗、握手措施，可以保證收發數據的準確性。
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為了實現Internet 上兩個遠程計算機之間的數據傳送，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，即服務器的Winsock 在某端口進行“偵聽”服務，等待客戶機的申請。通過設置Winsock 控件的屬性并調用其方法就可輕易連接到一臺遠程機器上去，并且可雙向交換數據。
創建服務器應用程序應設置一個收聽端口（LocalPort 屬性）并調用Listen 方法。當客戶計算機需要連接時就會發生ConnectionRequest 事件。為了完成連接，可調用ConnectionRequest 事件內的Accept 方法。一旦連接建立，兩端均可使用SendData 或GetData 進行數據的發送或接收。事件DataArrival 將在另一端數據準備就緒時被觸發。
數據通信程序流程如圖3 所示。當多塊車載GPRS 模塊同時向地面服務器發送數據時，每發生一個ConnectionRequest 事件Index 就加1。這樣每個ConnectionRequest 事件就對應唯一的Index，就可以實現一對多的通信。當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，所以能夠保證系統的穩定。
2.2 數據處理
數據處理主要包括信息還原、數據判斷和數據顯示等。
對于接收的每包數據，解調的時候需要按照原始數據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，只有合法的數據才能寫入數據庫的相應數據表中。
顯示是系統界面的主體部分。顯示的信息分為動態信息顯示和數據庫查詢信息顯示兩大部分。動態信息顯示能夠顯示接收到的最新的機車信息。數據庫查詢信息顯示能按要求顯示所查詢信息內容。系統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 數據存儲
本系統采用Oracle 9i 數據庫來存儲所有數據。Oracle 關系數據庫系統是目前世界上流行的關系數據庫管理系統[1],可伸縮性、可靠性和完整性方面有著很好的表現，是一種高效率、高可靠性并能適應高吞吐量的數據庫解決方案。
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 與服務器建立連接，然后用Command 對象執行命令，如查詢、更新等。用Recordset 對象來操作和查看查詢結果。
通過校驗的合法數據全部存入數據庫中對應的數據表中。數據表中包括的字段有機車設備號、數據頭標識、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、網壓、頻率等。
2.4 數據查詢
數據表中每條數據都不包含所有的字段信息，因此決定了查詢應采取組合、匹配的方法。用于匹配的字段包括機車號、機車設備號、時間、數據頭標識等。
根據實際需求可以實現分司機、機車、區段和時間的組合查詢。查詢的結果以報表的形式顯示出來，包括司機能耗數據報表、機車能耗數據報表、司機交接班數據報表、供電段能耗數據報表、機車分戶帳數據報表、司機工作成績報表等。這些報表可以為機務段、供電段等部門分析能耗、制定節能措施提供一個參考依據。
3 結束語
使用 VB6.0 開發的該系統已經實現了上述功能，在實際的測試運行中也取得了很好的數據，為進一步能耗分析奠定了基礎。
參考文獻
1 Kevin Loney, eorge Koch. Oracle 9i 參考手冊[M].北京: 機械工業出版社, 2003.
2 余祖俊. 微機檢測與控制應用系統設計[M]. 北京：北方交通大學出版社, 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 通用分組無線業務[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2001.(end)
