創(chuàng)新式網(wǎng)絡(luò)和天線設(shè)計(jì)可以為鐵路車輛的新一代穩(wěn)健無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鋪平道路，斯凱孚的鐵路工程經(jīng)理 Mario Rossi如是說(shuō)。

正如交通運(yùn)輸行業(yè)的眾多領(lǐng)域一樣，提高鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的安全性和可靠性以及減少維護(hù)需求等驅(qū)動(dòng)因素使得對(duì)狀態(tài)維護(hù)方案的關(guān)注與日俱增。 該方案需要使用以下監(jiān)測(cè)技術(shù)： 監(jiān)測(cè)在正常運(yùn)行期間溫度、振動(dòng)和其他變量的變化，對(duì)機(jī)械故障發(fā)出早期預(yù)警，從而使操作人員可以在故障發(fā)生前采取行動(dòng)。 到目前為止一直存在的問(wèn)題是：需要安裝一系列的傳感器從關(guān)鍵部件收集上述數(shù)據(jù)，這需要使用具有更多接線的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。 而電纜安裝成本很高，并且會(huì)使得日常維護(hù)更耗時(shí)、更費(fèi)力。
如今，斯凱孚的工程師團(tuán)隊(duì)和兩個(gè)意大利領(lǐng)先機(jī)構(gòu)的學(xué)者1共同協(xié)作，演示了如何利用低功率的無(wú)線通信系統(tǒng)運(yùn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)，大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)。
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)很難用于鐵路狀態(tài)監(jiān)測(cè)，原因如下： 首先，在不充電或更換的情況下，傳感器必須能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。 例如，現(xiàn)代一些客運(yùn)列車的檢修周期預(yù)計(jì)超過(guò)一百萬(wàn)公里，而運(yùn)營(yíng)公司正滿懷信心想要使該周期加倍。 需要自己發(fā)電和儲(chǔ)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(wú)線信號(hào)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(yuǎn)的位于車輛中心的接收器。 列車車廂處也很難實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。 車輛的轉(zhuǎn)向架、底盤和車身有大量導(dǎo)電材料，可能阻擋或干擾信號(hào)。
為了建立滿足上述要求的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，斯凱孚團(tuán)隊(duì)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(shè)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(quán)衡。
團(tuán)隊(duì)最初關(guān)注了三個(gè)可能的頻率： 434 MHz、868 MHz和2.4 GHz。之后，他們使用先進(jìn)的仿真工具檢查了鐵路系統(tǒng)的特性，仿真工具能對(duì)通過(guò)列車車廂結(jié)構(gòu)和在列車車廂結(jié)構(gòu)周圍的無(wú)線電波的反射和繞射建模。
本次仿真對(duì)許多可能的網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行了探究， 這包括一個(gè)系統(tǒng)（各個(gè)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€(gè)替代方案（傳感器配有發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）天線，各個(gè)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(shí)出現(xiàn)傳輸問(wèn)題并且車載Wi-Fi信號(hào)可能干擾傳輸，但以434 MHz 和868 MHz頻率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)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(fù)雜的天線，所以不采用該頻率，團(tuán)隊(duì)最終決定采用868 MHz頻率作為完成任務(wù)的最佳方案。 使用安裝在真實(shí)列車上的樣機(jī)設(shè)備進(jìn)行物理試驗(yàn)，確認(rèn)了仿真結(jié)果。
新方案的下一個(gè)關(guān)鍵要素是新型的天線設(shè)計(jì)，為應(yīng)對(duì)鐵路環(huán)境的獨(dú)特挑戰(zhàn)必須對(duì)天線進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間工作，天線的設(shè)計(jì)必須具備防灰和防潮功能，并且能夠承受較大的溫度波動(dòng)和較高的振動(dòng)水平。
為了制造出滿足上述要求的天線，團(tuán)隊(duì)選擇了一種稱為平面倒F型天線（PIFA）的配置。 在這一設(shè)計(jì)中，天線元件安裝在印刷電路板（PCB）上方，印刷電路板由導(dǎo)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(jiān)固，可沿任意方向傳輸數(shù)據(jù)——這對(duì)于可能必須要塞入難以接近部位的部件來(lái)說(shuō)是另一個(gè)重要特性。
通過(guò)使用具有非常高相對(duì)介電常數(shù)（εr=10.9）的介質(zhì)材料，團(tuán)隊(duì)成功縮減了天線尺寸，確保其適用于標(biāo)準(zhǔn)的鐵路軸箱。 對(duì)安裝在軸箱內(nèi)部的新型天線進(jìn)行的試驗(yàn)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(duì)鐵路市場(chǎng)的下一代物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，這些研究結(jié)果的價(jià)值也在不斷凸顯。
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¹ 研發(fā)幕后團(tuán)隊(duì)包括SKF鐵路部門的Franco Lambertino和Mario Rossi ； 都靈理工大學(xué)電子與通信學(xué)院天線和電磁兼容實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室（LACE）的Sergio Arianos 。 在今年早些時(shí)候于米蘭舉辦的第11^屆 世界鐵路研究大會(huì)上，團(tuán)隊(duì)展示了上述研究成果。