某型防爆搬运车监测系统的设计与应用.pdf

现 代 制 造 技 术 与 装 备702023 年第 7 期总第 320 期某型防爆搬运车监测系统的设计与应用郭奎1张新福1杜昊2（1.92942 部队，北京 100161；2.内蒙古第一机械集团有限公司，包头 014030）摘要：根据某型防爆搬运车的功能需求，研究其监测系统。从视频监控、动力系统监测及数据显示 3 个方面出发，阐述监测系统的组成、设计原理、视频捕获、数据解析、功能调度控制等方面的作用和设计思路。关键词：防爆搬运车；监测系统；视频捕获；数据解析Designing and Application of the Monitor System for the Explosion-Proof TruckGUO Kui1,ZHANG Xinfu1,DU Hao2(1.Troops 92942,Beijing 100161;2.Inner Mongolia First Machinery Group Co.,Ltd.,Baotou 014030)Abstract:According to the function requirement of an explosion-proof truck,the monitoring system is studied.From the three aspects of video monitoring,power system monitoring and data display,the composition,design principle,video capture,data analysis,function scheduling and control of the monitoring system are described.Keywords:explosion-proof truck;monitor system;video capture;data analysis随着国内大型民用船舶如滚装船、散货船的数量越来越多，船上运载的货物类型也逐渐丰富。部分物资因其形状特殊、防爆要求等因素，对民船的性能提出了更高的要求。民船舱室内空间狭小，且装载有防爆电梯，用于从底层舱室内运送至甲板面。运载货物时由于受空间限制，货物一般采用长条形的储具存放和输转，由防爆搬运车两车共同托举将储具托起运输。储具一般宽度为 1.5 m，长度从 2.7 m 到4.6 m 不等。防爆搬运车采用两车对开输转，行驶时会造成其中一辆车背向行驶。因船舶空间狭小，通道内有各种障碍物，故行驶时要实时观察背后路况，以免产生碰撞，影响车辆行驶安全。防爆搬运车采用动力电池组作为驱动动力，需要实时观察电池组的动态，并观察每块动力电池的温度、电流、电压等，以及电池充电过程中的状态，以免过充、过放、温度过高等因素造成电池的损坏1-2。因此，监测系统要求能够实时监控防爆车的行驶情况，而且能够监测动力电池组及单体电池的使用状态，并在出现异常情况时第一时间报警，提醒操作人员及时开展下一步 工作。1功能设计根据防爆搬运车的使用要求，设计监测系统功能。监测系统主要具有视频监控、动力系统监测及数据显示等功能。功能模块主要包括数据显示模块、视频信号解析模块和数据通信模块。其中：数据显示模块主要根据设计界面要求采用 WIN I/O 访问层，使用系统底层输入/输出（Input/Output，I/O）读取的方式读取相应寄存器值来判断外部按键动作；视频信号解析模块主要用于接收来自前后摄像头的视频实时监控画面并进行信号解析和画面渲染；数据通信模块（RS-485）主要用于接收动力电池组中单体电池的监测数据，如电池的温度、电流、电压、剩余电量等详情监测以及电池充电过程中是否存在过充、过放、温度过高等状态监测，并通过设定的通信协议显示所需的电池的状态监测数据。上述各模块最终通过功能调度模块实时显示在显示屏上3。系统架构原理如图 1 所示。2主要模块设计2.1GPIO 按键采用 Windows 内核驱动 WIN I/O 技术，控制、采集通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）端口的通信状态，将所读取的 I/O 端口状态进行编译转码，向系统发送所专用的键值信息，以便系统进行相应功能状态的切换控制。GPIO 管脚外部按键，需要连通 GPI 和 GND，使其由+5 V 变为 0 V，另外设备上引出了 GPI1 和 GPI2 两个接口。2.2视频捕获防爆搬运车上安装有 2 个摄像头，分别拍摄前后两个视角。前侧主要用于拍摄防爆搬运与储具对接时的画面，在显示屏上设置一条对准线，当切换到前摄像头视频显示画面时对准线自动出现，若与储具上的中线对齐，则可以完成防爆搬运车与储具的对接。后摄像头主要用于拍摄防爆搬运车后退时的画面。视频采集时，需要先 DX 初始化所有资源，系统使用枚举设备 DXGetDeviceCount、DXEnum-VideoDevices 71工 艺 与 装 备获取当前所有可使用的视频采集设备，并放入临时数组。根据配置参数，打开相应的视频采集设备，建立相应的信号通道，可以读取和显示视频预览。在进行功能切换时，将自动停止视频读取功能，停止向界面输出视频信号流，同时断开相应的信号通道，以提高系统资源的可用性。数据通信模块（RS-485）BMS 通信协议解析模块数据过滤器视频信号解析模块WIN I/O 访问层配置文件视频监控功能调度模块电池组概要 状态监测电池组详情监测Active Container图 1系统架构原理图2.3数据通信解析利用电池状态监测系统与底层管理系统构建特定的通信通道，按照管理系统的专用通信协议，对所有通道接收的实时电池元数据，如单体电池的温度、电压、电流以及电池组的总电压、电流等数据进行校验、过滤，并按协议约定解读电池元数据，以供电池状态监测系统中各管理系统相关功能模块实时展示数据信息4。防爆搬运车由两组电池作为动力源，由底层管理系统进行管理。管理系统采集相应单体电池的电压、温度等，以及电池组的充放电电流、总电压等数据，根据通信协议将数据上传至显示状态，由操作人员根据电池状态及电池组电量等信息及时作出反应。单体电池数据上传后，由系统对检测到的单体电池电压温度和电池组电压电流数据进行分析，依照设定保护门限对电池进行告警保护。按照内部算法计算电池容量，控制检测均衡单元对超前电池进行均衡。同时，根据电池的电压或充放电电流判断电池的状态，并控制电池的输入输出。此外，将电池实时数据和状态显示在液晶显示屏上，并在告警保护时产生声光报警5。监控终端采用 RS-485 总线实现数据的接收处理，可以实现一对多的通信。数据传送采用异步方式，起始位 1 位，数据位 8 位，停止位 1 位。无校验信息上传的顺序为概要信息、单体电压、单体温度。概要信息、单体电压、单体温度上传间隔为 500 ms。数据传送速率为 9 600 b s-1。流程图如图 2 所示。2.4功能调度控制对电池状态监测系统内部的各个功能模块进行统一管理、调度及控制。响应经由操作系统转发的外部功能切换按键所产生的功能切换信息，按照电池状态监测系统与其功能代码进行统一调度激活，并将相应功能模块置为活动状态，方便操作人员使用相应功能6。它的主要操作流程如图 3 所示。为能够在显示屏上实时显示监测状态，利用上述功能调度控制功能，实现对视频监控、单体电池状态、电池组状态等信息的切换。操作人员可以根据电池显示状态判断电池状态，并根据报警信息判断动力系统的故障原因，从而快速排除动力系统故障。例如，在充电过程中单体电池报警，提示操作人员电池温度过高，操作人员可将界面切回到电池监控界面，观察哪块电池出现故障，找到故障原因并及时排除。3测试与应用监测系统设计完成后加装在防爆搬运车上，通过显示系统可以完整观察作为动力源的电池组及单体电池的状态，如可观测到电池组的总体电量以及单体电池的电压、容量、温度等信息，也可以在单体电池出现异常时提供报警，以便操作人员能够定位到哪块电池出现故障，如温度异常、容量过低等。当车辆需要与货物承载储具对接或向后倒车时，可随时切换屏幕现 代 制 造 技 术 与 装 备722023 年第 7 期总第 320 期进入视频监控界面。在该界面上绘制有红色十字线，当红色十字线与承载储具上标识线对齐时，车辆与储具能够对接成功7。图 4 为电池组观测界面，通过显示界面可以直观观察电池组的总电流、总电压以及总容量，并且可以显示告警信息，以便操作人员根据告警信息判断故障，并予以及时处理。图 5 为单体电池的电压、温度等信息显示，操作人员能够实时观察某块单体电池的状态，从而准确判断某块电池故障。概要信息（0 x01）解析单体电压（0 x02）解析单体温度（0 x3）解析解析帧类型开始Yes是否为帧头（0 xAF）?是否为帧尾（0 x0D）?YesNoNo结束图 2数据解析流程图电池组概要信息回调函数视频回调函数主活动界面功能调度模块系统配置文件单体电池信息回调函数图 3功能调度控制流程图图 4电池组信息及告警信息显示图 5单体电池信息显示73工 艺 与 装 备4结语监测系统的设计与应用解决了防爆搬运车在运行过程中遇到的监测前后视频画面异常、电池状态性能无法显示等问题，使防爆搬运车能够在船舶狭小通道空间内正常运行，避免了运行过程中与通道内的障碍物发生碰撞，能够满足防爆车运载大型长条形货物储具的特殊要求，并能够监测动力电池组的状态实时显示数据，能够判断故障声光报警。同时，根据防爆搬运车的防爆性能要求，采用防爆线缆、防爆接头等元器件将显示终端放置在隔爆箱内，且其电磁兼容检验和防爆性能检验均符合整车设计性能要求。参考文献1 郭奎，赵厚宽，黄海波.某型搬运车防爆电气系统的研究与应用 J.机电产品开发与创新，2018（4）：49-51.2 赵厚宽，翟性泉，郭奎.某型船用搬运车电池组管理系统设计 J.电气防爆，2017（1）：30-33.3 高国红.矿用气瓶搬运车的制作及应用 J.机械管理开发，2020（2）：116-117.4 时榕茂.自动升级程序在船舶监测系统中的应用 J.现代计算机，2021（31）：108-111.5 郑晓龙，陈列，颜永逸，等.桥梁测力支座监测系统设计与工程应用 J.高速铁路技术，2021（1）：50-53.6 庞寅.无线网络在舰船安全监测系统中的应用 J.舰船科学技术，2021（2）：178-180.7 杜一村，杨晨，李玉峰.某舰用安全监控系统模拟训练软件的设计与实现 J.中国舰船研究，2018（4）：157-162.碳/碳复合材料在热声载荷下的疲劳失效过程一般从基体开始，在结构危险点产生应力集中现象并出现微型裂纹，并不停拉压形成裂纹扩展区。由于不同纤维铺设层的刚度不同，最后会导致分层断裂。结合线性累积损伤准则得到热声载荷下碳/碳层合板的疲劳寿命与国外热声试验结果对比图，如图 5 所示。当温度较低而声压级较大时，噪声载荷对寿命损伤起主导作用。噪声载荷越大，疲劳寿命越低。温升过程中，疲劳寿命降低的过程中有一个上升的波动但总体趋势为下降，说明在某高温环境下温度会改变材料的物理性能，温度载荷在某一范围内可以延长碳/碳复合材料加筋板的疲劳寿命，验证了所提计算模型的准确性。0100200温度/疲劳寿命/s 6104 5104140 dB150 dB160 dB试验 4104 3104 2104 1104300400图 5不同工况下疲劳寿命5结论通过有限元法在时域和频域研究碳/碳复合材料加筋板在热声载荷联合作用下的动力学响应特征及疲劳寿命，得到如下结论：（1）碳/碳复合材料加筋板在不同热声载荷下响应趋势不同，温度改变了结构刚度，升温过程中出现软化和硬化现象，使结构基频呈现先降低后逐渐增大趋势；（2）温度会改变材料的物理性能，在某一热声载荷条件下可以延长碳/碳复合材料加筋板的疲劳寿命。参考文献1 杜若，康宁宁.陶瓷基复合材料在高超声速飞行器热防护系统中的应用 J.飞航导弹，2010（2）：80-87.2LEISSA.Buckling of laminated composite plates and shell panelsR.Final Report，1985.3 吴大方，王岳武，蒲颖，等.高超声速飞行器复合材料翼面结构 1100高温环境下的热模态试验 J.复合材料学报，2015（2）：323-331.4SCHNEIDER C W.Acoustic fatigue of aircraft structures at elevated temperaturesC/Aeroacoustics Conference，1973.5SOOVERE J.The effect of acoustic-thermal environments on advanced composite fuselage panelsC/Structural Dynamics and Materials Conference，1983.6 朱元林.碳/碳复合材料疲劳寿命预测模型与分析方法研究 D.南京：南京航空航天大学，2012.7LEATHERWOOD J D，CLEVENSON S A，POWELL C A，et al.Acoustic testing of high-temperature panelsJ.Journal of Aircraft，2015（6）：1130-1136.（上接第 69 页）