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監(jiān)測(cè)電氣化公路受電弓

西門(mén)子正在開(kāi)發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)受電弓的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動(dòng)和混合動(dòng)力卡車(chē)而設(shè)計(jì)的，采用攝像頭和傳感器來(lái)檢查受電弓工況，防止接觸導(dǎo)線(xiàn)損傷。電氣化列車(chē)有時(shí)使用類(lèi)似但更加復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖中所示為德國(guó)Groß Dölln電氣化公路延長(zhǎng)測(cè)試段上的行駛場(chǎng)景。

電氣化公路系統(tǒng)是西門(mén)子專(zhuān)為繁忙的貨運(yùn)路線(xiàn)而開(kāi)發(fā)的低排放解決方案。電動(dòng)和混合動(dòng)力卡車(chē)?yán)檬茈姽?，從高架?dǎo)線(xiàn)獲得電能，這樣一來(lái)，它們?cè)谛旭傔^(guò)程中幾乎不排放任何廢氣。電氣化公路上行駛著眾多車(chē)主的車(chē)輛，尤為重要的是對(duì)受電弓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以防止因高架導(dǎo)線(xiàn)受損而致使道路封閉。電氣化公路系統(tǒng)是一套廉價(jià)的緊湊型系統(tǒng)，可以沿道路廣泛部署，還可以同時(shí)檢測(cè)車(chē)輛是否得到授權(quán)。在不久前舉辦的2014年度 Innotrans貿(mào)易展上，西門(mén)子推出了這套解決方案，并演示了如何將之用于電氣化列車(chē)。

不論是在卡車(chē)還是列車(chē)上，受電弓都會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生磨損。特別是碳接觸片，會(huì)因與高架導(dǎo)線(xiàn)接觸而磨損。如果未能及時(shí)檢測(cè)出已磨損或新近受損的接觸片，那么，凹槽、裂痕或不均勻磨損等會(huì)導(dǎo)致接觸問(wèn)題，從而損壞高架導(dǎo)線(xiàn)的接觸導(dǎo)線(xiàn)。極端情況下，高架接觸導(dǎo)線(xiàn)甚至可能斷裂。

這個(gè)系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動(dòng)和混合動(dòng)力卡車(chē)而設(shè)計(jì)的，采用攝像頭和傳感器來(lái)檢查受電弓工況，防止對(duì)高架接觸導(dǎo)線(xiàn)造成損害。電氣化列車(chē)有時(shí)使用類(lèi)似但又復(fù)雜得多的系統(tǒng)。

特殊攝像頭監(jiān)視接觸片

該系統(tǒng)通過(guò)兩種方式監(jiān)測(cè)受電弓：攝像頭監(jiān)視接觸片的碳表面；特殊算法評(píng)估磨損程度或初發(fā)損傷。一旦各種系統(tǒng)提供了足夠的測(cè)量數(shù)據(jù)，該解決方案也將嘗試預(yù)測(cè)碳接觸片的更換時(shí)間。這樣一來(lái)，便可以根據(jù)磨損狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，盡可能延長(zhǎng)接觸片的使用時(shí)間。此外，傳感器將記錄高架接觸導(dǎo)線(xiàn)的垂直偏轉(zhuǎn)。據(jù)此可以推斷出接觸導(dǎo)線(xiàn)承受的壓力。如果受電弓對(duì)接觸導(dǎo)線(xiàn)施加的壓力太大，那么，碳層和高架接觸導(dǎo)線(xiàn)都會(huì)產(chǎn)生過(guò)度磨損。如果壓力太小，接觸則會(huì)斷開(kāi)，并且可能發(fā)生電弧，這也會(huì)對(duì)連接兩側(cè)構(gòu)成應(yīng)力。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)到，可以安裝在高架導(dǎo)線(xiàn)的電線(xiàn)桿和橋上，以便沿著道路在盡可能多的地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。這樣就可以得出更多關(guān)于高架導(dǎo)線(xiàn)狀況的信息，譬如，高架接觸導(dǎo)線(xiàn)的懸掛情況。就電氣化列車(chē)而言，火車(chē)站或車(chē)輛段入口都是進(jìn)行測(cè)量的合適位置。受電弓工況數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送至控制中心、維護(hù)工程師或卡車(chē)上的車(chē)載裝置。目前，西門(mén)子正在其電氣化公路試驗(yàn)場(chǎng)運(yùn)行這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并優(yōu)化自動(dòng)分析功能，包括評(píng)估接觸片的過(guò)程。此后，公司計(jì)劃制造出一個(gè)功能齊備的原型。

在德國(guó)城市，平均需繞行4.5公里左右才能找到地方停車(chē)。德國(guó)聯(lián)邦汽車(chē)交通局稱(chēng)，這意味著，一輛每公里排放約140克二氧化碳的普通汽車(chē)在尋找停車(chē)位的過(guò)程中，將不必要地排放至少630克二氧化碳。頻繁地停停走走也會(huì)大幅增加排放量。

百分之三十的車(chē)流量

車(chē)位不足造成了許多不良后果，譬如，排放尾氣和顆粒物、制造噪音，以及令駕駛員備感沮喪、身心疲憊等。Marcus Zwick是西門(mén)子交通集團(tuán)智能停車(chē)位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，他說(shuō)：“取決于城市規(guī)模，尋找停車(chē)位的車(chē)輛約占車(chē)流總量的30%。如果我們想在未來(lái)解決全球各大城市的停車(chē)難問(wèn)題，僅靠新建停車(chē)場(chǎng)和提倡騎車(chē)是不夠的。”問(wèn)題嚴(yán)峻。2014年，德國(guó)的客運(yùn)交通量比2013年增長(zhǎng)了1.4%；據(jù)德國(guó)聯(lián)邦交通和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部稱(chēng)，2015年這個(gè)數(shù)字還將提高1%。

正因如此，自2013年10月以來(lái)，Zwick和幾位同事一直在潛心研制能夠解決這個(gè)問(wèn)題的新辦法。2014年11月在慕尼黑召開(kāi)的歐洲城市網(wǎng)絡(luò)年會(huì)上，這個(gè)名為“高級(jí)停車(chē)位管理系統(tǒng)”的解決方案成功亮相。這個(gè)解決方案將雷達(dá)傳感器集成到路燈中或安裝到建筑物上，以持續(xù)監(jiān)測(cè)分布在城市各個(gè)角落的停車(chē)場(chǎng)，并將停車(chē)位占用情況發(fā)送至軟件系統(tǒng)。交通主管部門(mén)將收集這些信息并實(shí)時(shí)將之轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用程序運(yùn)營(yíng)商。這樣一來(lái)，通過(guò)諸如智能電話(huà)、平板電腦或?qū)Ш窖b置等終端，每條道路上的駕駛員都能知道哪里有空車(chē)位。

將來(lái)，駕駛員通過(guò)在智能手機(jī)或?qū)Ш窖b置上輸入目的地，即可知道附近是否有車(chē)位并查明車(chē)位的位置。

地面?zhèn)鞲衅?/strong>

用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)街道并記錄停車(chē)位使用情況的做法，其實(shí)并不新鮮。譬如，在倫敦威斯敏斯特區(qū)開(kāi)展的一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目正在試用3,000只地面?zhèn)鞲衅?。這些嵌在瀝青路面中的傳感器只是記錄其上方是否有東西，而并不測(cè)量車(chē)輛的大小或位置。但一旦下雪或地面?zhèn)鞲衅髅缮蠅m土，大多數(shù)傳感器都會(huì)停止發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)。高級(jí)停車(chē)位管理系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目的硬件開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人Florian Poprawa博士解釋道，“所以，我們想到了不從下方，而從上方來(lái)監(jiān)測(cè)街道。”

城市可以在路燈柱上安裝雷達(dá)傳感器，用于監(jiān)測(cè)停車(chē)位。
無(wú)需花費(fèi)高昂成本新建基礎(chǔ)設(shè)施。

雷達(dá)傳感器

西門(mén)子專(zhuān)家選擇在這個(gè)項(xiàng)目中使用基于雷達(dá)的傳感器，此舉得到了德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境部的支持。Zwick表示，“雷達(dá)傳感器的分辨率的確低于常規(guī)監(jiān)視攝像頭，但它們具備其他優(yōu)點(diǎn)。”譬如，由于分辨率很低，它們只能記錄簡(jiǎn)略的圖像。他解釋道，“這可保護(hù)路上往來(lái)人群的個(gè)人隱私。”此外，相比地面?zhèn)鞲衅鞫裕走_(dá)傳感器不太容易受到霧、雨、照明條件變化和冬季天氣等的影響，并且更加經(jīng)濟(jì)劃算。

識(shí)別空車(chē)位

Poprawa回憶道，“*次，我們監(jiān)測(cè)了辦公樓前面的停車(chē)區(qū)，我們將一個(gè)裝有雷達(dá)傳感器的盒子安裝在辦公室窗戶(hù)旁邊。這個(gè)盒子跟汽車(chē)輪胎差不多大。”Poprawa的同事開(kāi)發(fā)出這種傳感器，現(xiàn)在，他們可以在顯示器上實(shí)時(shí)觀(guān)察彩色顯示的汽車(chē)停放情況。正在行駛或停止不動(dòng)的車(chē)輛，顯示為紅色，空車(chē)位顯示為藍(lán)色。

監(jiān)測(cè)過(guò)程的基本原理很簡(jiǎn)單。成人拳頭大小的傳感器電路板，在預(yù)定空間內(nèi)發(fā)射微波，微波在撞到障礙物后，反射回傳感器。然后，傳感器利用算法，計(jì)算出停車(chē)位內(nèi)是否有物體，以及它的大小和位置。Poprawa解釋道，“瀝青路面持續(xù)不斷地將微波反射回傳感器。當(dāng)汽車(chē)駛?cè)肫漕A(yù)定空間時(shí)，微波反射回傳感器的方式將有所不同。”個(gè)人輻射暴露量遠(yuǎn)低于法定限值。

開(kāi)發(fā)這種高頻傳感器是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。要知道，這種傳感器必須能夠與其“同事”通信，并且要足夠小，才能安裝到路燈上，此外，它還必須易于制造和安裝。Poprawa說(shuō)：“傳感器由天線(xiàn)、模擬電子系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理元件構(gòu)成。應(yīng)當(dāng)可以輕而易舉地將之集成到城市基礎(chǔ)設(shè)施中。”

Florian Poprawa解釋道：“傳感器由天線(xiàn)、模擬電子系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理元件構(gòu)成。”他希望能直接將傳感器安裝到路燈上。

直接安裝到路燈上

其原因很簡(jiǎn)單。傳感器非常小巧，因此可以將之安裝到路燈上，并由路燈為其供電。它們也可以安裝到路桿或建筑物外墻上。它們可以從高處監(jiān)測(cè)大約30米長(zhǎng)、9米寬的區(qū)域，這相當(dāng)于排成行停放著的大約5到7輛汽車(chē)。Poprawa指出，“不過(guò)，我們可以根據(jù)需要，靈活地改變監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小。”與攝像頭和超聲波傳感器不同的是，可以用塑料外殼來(lái)保護(hù)雷達(dá)傳感器，而不會(huì)干擾雷達(dá)波束。因此，這種傳感器能夠融入城市環(huán)境，讓人渾然不覺(jué)。

聯(lián)網(wǎng)通信：雷達(dá)傳感器（本圖中以點(diǎn)表示）監(jiān)測(cè)停車(chē)位，以確定其是被占用還是空閑，并向控制中心報(bào)告監(jiān)測(cè)結(jié)果。這些信息被實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給道路使用者，通過(guò)智能電話(huà)或?qū)Ш窖b置，引導(dǎo)他們找到空車(chē)位。

自學(xué)習(xí)系統(tǒng)

如何將這種傳感器生成的信息傳送給未來(lái)的駕駛員？傳感器將通過(guò)移動(dòng)式無(wú)線(xiàn)電通信，將其數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心的軟件。在這里，將通過(guò)計(jì)算停車(chē)位的實(shí)時(shí)占用狀態(tài)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為明白易懂的信息。結(jié)合智能電話(huà)或?qū)Ш窖b置提供的位置和目的地?cái)?shù)據(jù)，車(chē)輛將被指引至最近的空車(chē)位。

這款軟件的特殊特性是它采用了自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。它能夠識(shí)別出停車(chē)位按反復(fù)出現(xiàn)的相同周期被占用的情形，譬如，在一天當(dāng)中的某幾個(gè)時(shí)段或一個(gè)星期內(nèi)的某幾天，停車(chē)位是否經(jīng)常被占用或很少被使用。然后，它將根據(jù)這些信息，計(jì)算出關(guān)于道路使用者到達(dá)特定目的地時(shí)可能遇到的停車(chē)位情形的預(yù)測(cè)。

輕松停車(chē)

Zwick說(shuō)：“高級(jí)停車(chē)位管理系統(tǒng)也有助于緩解城市停車(chē)壓力，優(yōu)化分布停車(chē)位。”這涉及基于一天當(dāng)中的時(shí)段、一星期中的各天和停車(chē)時(shí)長(zhǎng)等的自動(dòng)定價(jià)模式。譬如，對(duì)于車(chē)流量較低的街道，路邊停車(chē)位的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)可能低于車(chē)流量大的主要街道。這樣一來(lái)，各個(gè)不同社區(qū)間的停車(chē)分布可能更加均勻，城市、駕駛員和居民都將從中受益。

這個(gè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)顯著。道路使用者能夠更加快捷、容易地找到停車(chē)位，在大城市里駕車(chē)將更輕松。噪聲和排放都將降低。

在投入日常使用之前，在試驗(yàn)室里對(duì)高頻傳感器執(zhí)行了功能檢查。

不僅如此。未來(lái)，這個(gè)系統(tǒng)可能添加許多不同功能。譬如，西門(mén)子專(zhuān)家可以想象，為汽車(chē)配備RFID芯片，以提高住宅區(qū)私家停車(chē)位的透明度。出發(fā)前，駕駛員可以使用連接至這個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序來(lái)查明其目的地區(qū)域內(nèi)的停車(chē)場(chǎng)，以及有哪些是私家停車(chē)位。這個(gè)思路的一個(gè)方面已經(jīng)得到檢驗(yàn)：安裝在街上的RFID傳感器讀取車(chē)輛芯片，安裝在人行道上的LED顯示屏顯示駕駛員是否有權(quán)在某個(gè)車(chē)位停車(chē)。

這個(gè)系統(tǒng)還能借助使用雷達(dá)傳感器發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)的執(zhí)行軟件，指引交通督導(dǎo)員找到違章停放的車(chē)輛，幫助他們提高工作效率。另外一個(gè)特性可能允許駕駛員使用RFID碼來(lái)支付停車(chē)費(fèi)。未來(lái)，這個(gè)功能將自動(dòng)精確計(jì)算停車(chē)費(fèi)，而無(wú)需現(xiàn)金支付。這將精簡(jiǎn)手續(xù)，減少停車(chē)票的打印，為城市節(jié)省資金。

雷達(dá)傳感器可以幫助城市高效地找到違章停放的車(chē)輛，如停放在非機(jī)動(dòng)車(chē)道或殘障人士車(chē)位的車(chē)輛。

遠(yuǎn)不止停車(chē)位管理

Poprawa表示，“這個(gè)系統(tǒng)能做的不只是停車(chē)優(yōu)化。”可以想象，傳感器將實(shí)現(xiàn)更多功能，如測(cè)量交通流量、優(yōu)化自主車(chē)輛導(dǎo)航，或者向電動(dòng)汽車(chē)駕駛員提供關(guān)于充電站的信息。Zwick補(bǔ)充道，“當(dāng)然，我們想要確保那些無(wú)法在目的地周邊找到空車(chē)位的駕駛員，改為搭乘公共交通工具。”還有可能將交通密度信息發(fā)送給城市路燈系統(tǒng)控制中心。然后，路燈系統(tǒng)控制中心將根據(jù)不斷變化的交通需求來(lái)調(diào)節(jié)照明。他總結(jié)道，“因此，我們的停車(chē)位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在未來(lái)的智能城市發(fā)揮重要作用。”

西門(mén)子的這個(gè)解決方案尚未得到廣泛檢驗(yàn)，但2015年春季將在柏林發(fā)起一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。在這個(gè)項(xiàng)目中，將為一個(gè)長(zhǎng)100多米長(zhǎng)的路邊停車(chē)區(qū)配備傳感器。Zwick說(shuō)：“停車(chē)難問(wèn)題影響著每一座大城市和其中的每一位居民。我們樂(lè)觀(guān)地認(rèn)為，未來(lái)我們也可以用這個(gè)系統(tǒng)來(lái)緩解其他城市的停車(chē)難題。”