中铁商业公司-科研项目申请表(2012.9.10).doc

- 2012 年上海铁路局科研开发计划项目申请表申请单位（公章）项目名称内燃机车燃油动态管理系统类别Y项目负责人李建华项目联系人徐 奎联系电话0482-76398立题主要依据及目的内燃机车燃油消耗历来是铁路运营的主要成本之一。然而，如按目前全额配给即“凡入库整备机车均按照油箱容积一律加满”的粗放式管理方式，根本无法适应铁路深化改革以及体制改变可能带来的精密的成本核算。影响内燃机车油耗的约束条件很多，诸如：牵引线路环境、机车运用状态、人员操控水平以及无功消耗、长交路轮乘制等等，但是，我们认为最最重要的是我们无法实现对内燃机车油耗的实时监控以及由此带来的准确统计、科学分析、合理补充、精确控制等精细化的科学管理。本系统将致力于实现这一目标。主要内容和技术关键在不改变原机车油箱的基础上，考虑安装和更换的方便，对油箱清洗孔进行改造，供电系统采用充电电池，大约半年到一年时间更换一次，完全满足2到4年中修期间才能对油箱进行维护的要求。数据传输采用无线传输方式，将采集到的数据信息发送给手持式数据处理器；将接收到的原始数据信息处理形成油料余量通过显示模块进行显示；同时将油箱编号和油料余量以及读数时间存储起来，可供管理主机通过USB接口读取，并用数字化微电子技术对采集到的数据进行加工处理。基本原理示意如下：经费预算（万元）路 局自 筹更 改运 支更 改运 支合计经费 ： 更改 ；运支 。路 局 业务处（室）意 见（公章） 年 月 日路 局技术中心意 见（公章） 年 月 日注：表头“类别”栏填写课题类别代号：1.研发项目Y；2.示范性推广项目T。上海铁路局科研开发项目可行性报告项目名称 内燃机车燃油动态管理系统 起止年月 2012年9月至2012年12月 承担单位 上海铁路局科研所 （盖章） 项目负责人 李建华 联系人/电话 徐奎 / 0482-76398 上海铁路局技术中心二O一二年制一、趋势判断和需求分析内燃机车燃油消耗历来是铁路运营的主要成本之一。然而，如按目前全额配给即“凡入库整备机车均按照油箱容积一律加满”的粗放式管理方式，根本无法适应铁路深化改革以及体制改变可能带来的精密的成本核算。影响内燃机车油耗的约束条件很多，诸如：牵引线路环境、机车运用状态、人员操控水平以及无功消耗、长交路轮乘制等等，但是，我们认为最最重要的是我们无法实现对内燃机车油耗的实时监控以及由此带来的准确统计、科学分析、合理补充、精确控制等精细化的科学管理。本系统将致力于实现这一目标。综合比较目前国内外各类油测系统以及技术方案，我们认为铁路内燃机车燃油消耗动态管理系统必须具备：a) 高安全性毋容置疑，安全性是任何一个产品所必须的。但铁路内燃机车燃油消耗动态管理系统除考虑到通常的（阻燃、防爆等）安全约束外，更要将行车安全放在最高的标准来追求。b) 适应原系统的排他性根据铁路行业相关标准，机车上现有各种设备均不得进行改造。因此，新系统必须适应该特性。c) 可扩充性依据发展的需要系统实现应充分考虑到可扩充性。二、研究内容、技术路线和技术关键1.1 设计原则根据燃油机车的使用环境和使用要求，提出下列设计原则：a) 安全性：燃油机车的油箱属于易燃易爆环境，设计中充分考虑安全性要求。b) 可靠性：采用国内外高品质产品，保证系统长期运行稳定可靠。c) 实用性：整个系统简单、经济、实用、满足实际使用要求。d) 工艺性：应满足工艺要求,安装方便,维护简单。由于燃油机车的油箱属于定型产品，设计中应充分考虑系统的安装方式，尽可能地不改变箱体结构。1.2 设计方案系统共由二大部分：数据采集器和手持记录仪。系统框图1.2.1 数据采集器为了不改动内燃机车的油箱结构，前端数据采集器安装在油箱的一个检修孔内。除天线外，前端数据采集器没有任何外露装置。前端数据采集器由数据采集传感器、变送器、数据处理器、无线收发器、天线、电池等部分组成。a) 数据采集传感器将油箱内的剩余油料的高度，变换为电信号。b) 变送器将数据采集系统送来的mV级电压信号首先经过放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器放大，然后将放大后的信号由电压/电流转换器变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入量成线性对应关系的标准电流信号。c) 数据处理器数据处理模块对无线收发模块接收到的数据进行分析，如果是需要本机发送数据的指令，则将变送器的输出信号通过无线收发模块发送出去。a) 无线收发器接收手持式数据处理器的指令；将采集到的数据信息发送给手持式数据处理器。b) 电源采用可拆换的电池，作为前端数据采集器的供电电源。1.2.2 手持记录仪手持记录仪用于和各机车油箱的数据采集器进行通讯并处理和存储接收到的数据，该数据可以定期或不定期的拷贝到管理主机中。1.2.2.1 硬件部分手持记录仪由数据天线、无线收发器、数据处理器、显示模块、USB接口、电池等部分组成。u 采用高性能的32位ARM CPU制作的嵌入式系统；u 通过USB口可以和管理主机通讯；u 通过无线收发器和数据采集器通讯；u 通过一个2.8英寸、320*240分辨率、64K真彩色的TFT LCD触摸屏实现人机交互；u 采用二级国标字库,8000多汉字,方便用户使用；u 体积小,重量轻,安装维护非常方便；u 带有SD卡插槽，任意扩展存储容量。a) 无线收发器向数据采集器发送指令，并接收数据采集部分发送的数据信息。b) 数据处理器将接收到的原始数据信息处理形成油料余量通过显示模块进行显示；同时将油箱编号和油料余量以及读数时间存储起来，可供管理主机通过USB接口读取。c) 显示模块显示油箱编号、油料余量以及读数时间。d) USB接口具有1个USB接口，和管理主机连接后，后端手持式数据处理机被虚拟成一个可移动存储器，方便管理主机读取、删除手持式数据处理机中保存的信息。1.2.2.2 软件部分a) 菜单结构b) 显示界面及操作方法开机后的主界面如右图所示：点击“采集”图标后，进入采集界面。点击【开启扫描】按钮，界面如右图所示：在主界面中，点击“时钟”图标后，显示日期和时间，如右图所示：在主界面中，点击“记录”图标后，显示存储的历史记录，如右图所示：在主界面中，点击“USB连接”图标后，界面如右图所示。用USB线连接管理主机与手持记录仪后，手持记录仪被虚拟成读卡器，可以作为U盘使用。在主界面中，点击“日历”图标后，界面如右图所示，可以查询日历。在主界面中，点击“设置”图标后，界面如右图所示：在设置界面中，点击“时间与日期”图标后，可以设定系统时间，界面如右图所示：在设置界面中，点击“屏保与延时”图标后，可以设定进入屏保时间，界面如右图所示：在设置界面中，点击“黑屏延时”图标后，可以设定进入黑屏时间，黑屏有利于降低功耗，延长电池使用寿命。界面如右图所示：在设置界面中，点击“屏幕校准”图标后，可以进行屏幕校准，提高触摸的准确度。界面如右图所示：在设置界面中，点击“SD卡”图标后，可以查询。界面如右图所示：在设置界面中，点击“关于”图标后，显示系统参数。界面如右图所示：1.2.2.3 技术关键a) 检测方法由于燃油机的车现场环境比较恶劣，易燃易爆，既要保证数据的准确和及时，又要确保油箱的安全，防止意外事故发生，所以检测难度大。因此，选择适合的检测方法并正确的使用检测器件是本系统的关键。液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、微波法、超声波法、光纤法等，这些方法已广泛的应用于石油、化工等行业。在众多的传感器中，根据系统的设计原则，考虑综合因素，我们认为采用压力法是比较合适的选择。压力法是利用液体静压的原理来测量油箱内油液的物理参数。油箱内的油液对安装在油箱底部的压力传感器产生一个静态压力，这个压力反应在传感器模片上是一个压强，即单位面积上的压力，而且这个压强乘以油箱平均有效截面积即可得到油箱内液体的质量(重量)，根据油液密度可以算出油液的体积。计算公式如下： = .g.H + Po式中： P ：传感器测量到的压强 ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：传感器投入液体的深度 b) 抗干扰由于机车使用的电器设备较大多，电磁干扰大。前端采用电池供电，避免了电源串入的干扰。无线收发模块选取干扰较小的波段，且充分考虑各种软、硬件防干扰措施，增强系统的抗电磁干扰能力。c) 防爆考虑到检测介质的特殊性，根据国家相关标准，系统前端检测部分应选用具有防爆合格证的本安型防爆产品。d) 数据采集器的安装在实际安装中，应综合考虑机车各式油箱的特点，在不改变原有功能及基本结构的情况下，尽量不对油箱本身进行加工，对前端检测部分采取防震、防雨，防电磁干扰全封闭方的整体安装方式。e) 数据采集器的供电方式不能采取从机车取电的方法，只能使用电池作电源。要求低功耗、电池易于更换。三、执行年限和计划进度2012年11月至2012月12月 项目准备阶段2012年1月至2013年5月 项目研制开发阶段（中间穿插验证产品的正确性和可推广性）2012年6月至2012年8月 项目产品成型阶段2012年9月至2012年10月 项目产品使用验证阶段2012年11月 课题任务结题验收阶段四、工作条件和环境保障 上海铁路局科研所和安徽中铁商业有限公司是专门从事计算机软件设计、硬件开发和维护、系统集成、网络工程以及企事业单位计算机应用开发的高技术部门，有一批高级专业技术人才。根据机务处下发文件规定，需要对内燃机车燃油情况精细化管理，因此，此项目计划在上海局合肥机务段推广。五、达到的目标、成果形成、技术考核指标及转化前景此项目达到实现内燃机车剩余油量数据的无线采集、存储、并可转存到管理主机，以便进一步进行数据处理分析。最终实现对内燃机车的油耗的科学化管理。主要指标如下：测量介质：0#柴油测量深度：1米测量容积：5米前端采用本安型高精度扩散硅压力传感器前端数据采集部分的供电电压=DC24V测量深度：1米测量容积：5米 更换前端电池时间：半年 手持机存储显示内容：油箱编号、采集时间、剩余油量 手持机存储容量：10000条记录（1MB SD卡）六、预期效果和风险分析由于内燃机车在铁路还担任较多的运输任务，每年铁路投入大量资金购买柴油，此项目实现内燃机车能耗数据的自动采集、存储、传输和数据处理分析。对内燃机车的用油实施科学化管理。能为铁路节省人力和物力，并能节省人工抄油过程的时间。目前此项技术风险较小，成本低，市场前景广阔，是解决铁路目前司机人工抄油、科学管理能源消耗比较好的项目。如果铁路所有内燃机车均安装了自动采集终端设备，把所有地面设备组成网络，可以对全路的内燃机车用油进行管理。七、合作形式和合作单位意见 本项目研究及试点应用实施的技术力量以路局科研所为主，安徽中铁商业有限公司承担产品研发，路局机务处对本方案意见给予大力支持，认为此项目对内燃机车用油进行科学管理，提高内燃