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監(jiān)測電氣化公路受電弓

西門子正在開發(fā)自動監(jiān)測受電弓的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動和混合動力卡車而設(shè)計的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況，防止接觸導(dǎo)線損傷。電氣化列車有時使用類似但更加復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖中所示為德國Groß Dölln電氣化公路延長測試段上的行駛場景。

電氣化公路系統(tǒng)是西門子專為繁忙的貨運路線而開發(fā)的低排放解決方案。電動和混合動力卡車利用受電弓，從高架導(dǎo)線獲得電能，這樣一來，它們在行駛過程中幾乎不排放任何廢氣。電氣化公路上行駛著眾多車主的車輛，尤為重要的是對受電弓進行監(jiān)測，以防止因高架導(dǎo)線受損而致使道路封閉。電氣化公路系統(tǒng)是一套廉價的緊湊型系統(tǒng)，可以沿道路廣泛部署，還可以同時檢測車輛是否得到授權(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。

不論是在卡車還是列車上，受電弓都會在運行過程中發(fā)生磨損。特別是碳接觸片，會因與高架導(dǎo)線接觸而磨損。如果未能及時檢測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導(dǎo)致接觸問題，從而損壞高架導(dǎo)線的接觸導(dǎo)線。極端情況下，高架接觸導(dǎo)線甚至可能斷裂。

這個系統(tǒng)最初是為電氣化公路上行駛的電動和混合動力卡車而設(shè)計的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況，防止對高架接觸導(dǎo)線造成損害。電氣化列車有時使用類似但又復(fù)雜得多的系統(tǒng)。

特殊攝像頭監(jiān)視接觸片

該系統(tǒng)通過兩種方式監(jiān)測受電弓：攝像頭監(jiān)視接觸片的碳表面；特殊算法評估磨損程度或初發(fā)損傷。一旦各種系統(tǒng)提供了足夠的測量數(shù)據(jù)，該解決方案也將嘗試預(yù)測碳接觸片的更換時間。這樣一來，便可以根據(jù)磨損狀態(tài)進行維護，盡可能延長接觸片的使用時間。此外，傳感器將記錄高架接觸導(dǎo)線的垂直偏轉(zhuǎn)。據(jù)此可以推斷出接觸導(dǎo)線承受的壓力。如果受電弓對接觸導(dǎo)線施加的壓力太大，那么，碳層和高架接觸導(dǎo)線都會產(chǎn)生過度磨損。如果壓力太小，接觸則會斷開，并且可能發(fā)生電弧，這也會對連接兩側(cè)構(gòu)成應(yīng)力。

該系統(tǒng)設(shè)計獨到，可以安裝在高架導(dǎo)線的電線桿和橋上，以便沿著道路在盡可能多的地點進行測量。這樣就可以得出更多關(guān)于高架導(dǎo)線狀況的信息，譬如，高架接觸導(dǎo)線的懸掛情況。就電氣化列車而言，火車站或車輛段入口都是進行測量的合適位置。受電弓工況數(shù)據(jù)會被發(fā)送至控制中心、維護工程師或卡車上的車載裝置。目前，西門子正在其電氣化公路試驗場運行這套監(jiān)測系統(tǒng)，并優(yōu)化自動分析功能，包括評估接觸片的過程。此后，公司計劃制造出一個功能齊備的原型。

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

百分之三十的車流量

車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是西門子交通集團智能停車位監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)項目負責(zé)人，他說：“取決于城市規(guī)模，尋找停車位的車輛約占車流總量的30%。如果我們想在未來解決全球各大城市的停車難問題，僅靠新建停車場和提倡騎車是不夠的。”問題嚴峻。2014年，德國的客運交通量比2013年增長了1.4%；據(jù)德國聯(lián)邦交通和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部稱，2015年這個數(shù)字還將提高1%。

正因如此，自2013年10月以來，Zwick和幾位同事一直在潛心研制能夠解決這個問題的新辦法。2014年11月在慕尼黑召開的歐洲城市網(wǎng)絡(luò)年會上，這個名為“高級停車位管理系統(tǒng)”的解決方案成功亮相。這個解決方案將雷達傳感器集成到路燈中或安裝到建筑物上，以持續(xù)監(jiān)測分布在城市各個角落的停車場，并將停車位占用情況發(fā)送至軟件系統(tǒng)。交通主管部門將收集這些信息并實時將之轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用程序運營商。這樣一來，通過諸如智能電話、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位。

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

地面?zhèn)鞲衅?/strong>

用傳感器來監(jiān)測街道并記錄停車位使用情況的做法，其實并不新鮮。譬如，在倫敦威斯敏斯特區(qū)開展的一個試點項目正在試用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，而并不測量車輛的大小或位置。但一旦下雪或地面?zhèn)鞲衅髅缮蠅m土，大多數(shù)傳感器都會停止發(fā)送測量數(shù)據(jù)。高級停車位管理系統(tǒng)研發(fā)項目的硬件開發(fā)負責(zé)人Florian Poprawa博士解釋道，“所以，我們想到了不從下方，而從上方來監(jiān)測街道。”

城市可以在路燈柱上安裝雷達傳感器，用于監(jiān)測停車位。
無需花費高昂成本新建基礎(chǔ)設(shè)施。

雷達傳感器

西門子專家選擇在這個項目中使用基于雷達的傳感器，此舉得到了德國聯(lián)邦環(huán)境部的支持。Zwick表示，“雷達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。”譬如，由于分辨率很低，它們只能記錄簡略的圖像。他解釋道，“這可保護路上往來人群的個人隱私。”此外，相比地面?zhèn)鞲衅鞫裕走_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)濟劃算。

識別空車位

Poprawa回憶道，“*次，我們監(jiān)測了辦公樓前面的停車區(qū)，我們將一個裝有雷達傳感器的盒子安裝在辦公室窗戶旁邊。這個盒子跟汽車輪胎差不多大。”Poprawa的同事開發(fā)出這種傳感器，現(xiàn)在，他們可以在顯示器上實時觀察彩色顯示的汽車停放情況。正在行駛或停止不動的車輛，顯示為紅色，空車位顯示為藍色。

監(jiān)測過程的基本原理很簡單。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，計算出停車位內(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)汽車駛?cè)肫漕A(yù)定空間時，微波反射回傳感器的方式將有所不同。”個人輻射暴露量遠低于法定限值。

開發(fā)這種高頻傳感器是一個艱巨的挑戰(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：“傳感器由天線、模擬電子系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號處理元件構(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、模擬電子系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號處理元件構(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)測大約30米長、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。Poprawa指出，“不過，我們可以根據(jù)需要，靈活地改變監(jiān)測區(qū)域的大小。”與攝像頭和超聲波傳感器不同的是，可以用塑料外殼來保護雷達傳感器，而不會干擾雷達波束。因此，這種傳感器能夠融入城市環(huán)境，讓人渾然不覺。

聯(lián)網(wǎng)通信：雷達傳感器（本圖中以點表示）監(jiān)測停車位，以確定其是被占用還是空閑，并向控制中心報告監(jiān)測結(jié)果。這些信息被實時轉(zhuǎn)發(fā)給道路使用者，通過智能電話或?qū)Ш窖b置，引導(dǎo)他們找到空車位。

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的駕駛員？傳感器將通過移動式無線電通信，將其數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心的軟件。在這里，將通過計算停車位的實時占用狀態(tài)，對這些數(shù)據(jù)進行處理并轉(zhuǎn)換為明白易懂的信息。結(jié)合智能電話或?qū)Ш窖b置提供的位置和目的地數(shù)據(jù)，車輛將被指引至最近的空車位。

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

輕松停車

Zwick說：“高級停車位管理系統(tǒng)也有助于緩解城市停車壓力，優(yōu)化分布停車位。”這涉及基于一天當(dāng)中的時段、一星期中的各天和停車時長等的自動定價模式。譬如，對于車流量較低的街道，路邊停車位的收費標(biāo)準(zhǔn)可能低于車流量大的主要街道。這樣一來，各個不同社區(qū)間的停車分布可能更加均勻，城市、駕駛員和居民都將從中受益。

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

在投入日常使用之前，在試驗室里對高頻傳感器執(zhí)行了功能檢查。

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

這個系統(tǒng)還能借助使用雷達傳感器發(fā)送的測量數(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輛，幫助他們提高工作效率。另外一個特性可能允許駕駛員使用RFID碼來支付停車費。未來，這個功能將自動精確計算停車費，而無需現(xiàn)金支付。這將精簡手續(xù)，減少停車票的打印，為城市節(jié)省資金。

雷達傳感器可以幫助城市高效地找到違章停放的車輛，如停放在非機動車道或殘障人士車位的車輛。

遠不止停車位管理

Poprawa表示，“這個系統(tǒng)能做的不只是停車優(yōu)化。”可以想象，傳感器將實現(xiàn)更多功能，如測量交通流量、優(yōu)化自主車輛導(dǎo)航，或者向電動汽車駕駛員提供關(guān)于充電站的信息。Zwick補充道，“當(dāng)然，我們想要確保那些無法在目的地周邊找到空車位的駕駛員，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調(diào)節(jié)照明。他總結(jié)道，“因此，我們的停車位監(jiān)測系統(tǒng)可以在未來的智能城市發(fā)揮重要作用。”

西門子的這個解決方案尚未得到廣泛檢驗，但2015年春季將在柏林發(fā)起一個試點項目。在這個項目中，將為一個長100多米長的路邊停車區(qū)配備傳感器。Zwick說：“停車難問題影響著每一座大城市和其中的每一位居民。我們樂觀地認為，未來我們也可以用這個系統(tǒng)來緩解其他城市的停車難題。”