創(chuàng)新式網(wǎng)絡和天線設計可以為鐵路車輛的新一代穩(wěn)健無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)鋪平道路，斯凱孚的鐵路工程經(jīng)理 Mario Rossi如是說。

正如交通運輸行業(yè)的眾多領域一樣，提高鐵路運輸領域的安全性和可靠性以及減少維護需求等驅(qū)動因素使得對狀態(tài)維護方案的關注與日俱增。 該方案需要使用以下監(jiān)測技術： 監(jiān)測在正常運行期間溫度、振動和其他變量的變化，對機械故障發(fā)出早期預警，從而使操作人員可以在故障發(fā)生前采取行動。 到目前為止一直存在的問題是：需要安裝一系列的傳感器從關鍵部件收集上述數(shù)據(jù)，這需要使用具有更多接線的復雜網(wǎng)絡。 而電纜安裝成本很高，并且會使得日常維護更耗時、更費力。
如今，斯凱孚的工程師團隊和兩個意大利領先機構的學者1共同協(xié)作，演示了如何利用低功率的無線通信系統(tǒng)運行傳感器網(wǎng)絡，大幅簡化設計、安裝和維護。
無線網(wǎng)絡很難用于鐵路狀態(tài)監(jiān)測，原因如下： 首先，在不充電或更換的情況下，傳感器必須能長時間運行。 例如，現(xiàn)代一些客運列車的檢修周期預計超過一百萬公里，而運營公司正滿懷信心想要使該周期加倍。 需要自己發(fā)電和儲電意味著傳感器必須非常高效節(jié)能，這大幅限制了用于傳播無線信號的功率。
但鐵路車輛本身很大，這與這種低功率要求相悖。 例如，安裝在軸箱處的傳感器可能必須傳送數(shù)據(jù)到20 米遠的位于車輛中心的接收器。 列車車廂處也很難實現(xiàn)無線傳輸。 車輛的轉(zhuǎn)向架、底盤和車身有大量導電材料，可能阻擋或干擾信號。
為了建立滿足上述要求的無線網(wǎng)絡，斯凱孚團隊首先必須為其擬建系統(tǒng)選擇合適的工作頻率。 這一選擇受到各種因素的影響，包括規(guī)定電磁波譜使用的地區(qū)法規(guī)、與列車上或列車附近的其他設備互相干擾的可能性，以及各頻率可能攜帶的數(shù)據(jù)量和所需硬件尺寸大小之間的權衡。
團隊最初關注了三個可能的頻率： 434 MHz、868 MHz和2.4 GHz。之后，他們使用先進的仿真工具檢查了鐵路系統(tǒng)的特性，仿真工具能對通過列車車廂結(jié)構和在列車車廂結(jié)構周圍的無線電波的反射和繞射建模。
本次仿真對許多可能的網(wǎng)絡配置進行了探究， 這包括一個系統(tǒng)（各個轉(zhuǎn)向架上的傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖b在列車頂?shù)慕邮掌鳎┖鸵粋€替代方案（傳感器配有發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）天線，各個傳感器與相鄰傳感器通信，之后沿列車發(fā)送數(shù)據(jù)至駕駛室的最終接收器）。 以2.4 GHz頻率傳輸數(shù)據(jù)時出現(xiàn)傳輸問題并且車載Wi-Fi信號可能干擾傳輸，但以434 MHz 和868 MHz頻率傳輸數(shù)據(jù)時表現(xiàn)出良好的傳輸性能。 由于以434 MHz頻率傳輸數(shù)據(jù)需要使用大量復雜的天線，所以不采用該頻率，團隊最終決定采用868 MHz頻率作為完成任務的最佳方案。 使用安裝在真實列車上的樣機設備進行物理試驗，確認了仿真結(jié)果。
新方案的下一個關鍵要素是新型的天線設計，為應對鐵路環(huán)境的獨特挑戰(zhàn)必須對天線進行優(yōu)化。 使傳感器可以安裝在需要的地方——例如轉(zhuǎn)向架的軸箱上，必須保證傳感器、控制電子裝置和天線的整體尺寸非常小。 為了保證天線能在列車下長時間工作，天線的設計必須具備防灰和防潮功能，并且能夠承受較大的溫度波動和較高的振動水平。
為了制造出滿足上述要求的天線，團隊選擇了一種稱為平面倒F型天線（PIFA）的配置。 在這一設計中，天線元件安裝在印刷電路板（PCB）上方，印刷電路板由導電材料包覆作為接地層。 在印刷電路板另一側(cè)加裝帶有金屬層的介質(zhì)基片。 這種配置非常堅固，可沿任意方向傳輸數(shù)據(jù)——這對于可能必須要塞入難以接近部位的部件來說是另一個重要特性。
通過使用具有非常高相對介電常數(shù)（εr=10.9）的介質(zhì)材料，團隊成功縮減了天線尺寸，確保其適用于標準的鐵路軸箱。 對安裝在軸箱內(nèi)部的新型天線進行的試驗表明，新型天線性能極佳，與目前市售的天線相比，受鄰近的其他大型金屬物體的影響較小。 隨著斯凱孚不斷研發(fā)針對鐵路市場的下一代物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，這些研究結(jié)果的價值也在不斷凸顯。
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¹ 研發(fā)幕后團隊包括SKF鐵路部門的Franco Lambertino和Mario Rossi ； 都靈理工大學電子與通信學院天線和電磁兼容實驗室（LACE）的Gianluca Dassano、Francesca Vipiana和Mario Orefice； 以及都靈 Istituto Superiore Mario Boella（ISMB）天線和電磁兼容實驗室（LACE）的Sergio Arianos 。 在今年早些時候于米蘭舉辦的第11^屆 世界鐵路研究大會上，團隊展示了上述研究成果。