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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計的，采用攝像頭和傳感器來檢查受電弓工況，防止接觸導線損傷。電氣化列車有時使用類似但更加復雜的系統(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。在不久前舉辦的2014年度 Innotrans貿易展上，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致接觸問題，從而損壞高架導線的接觸導線。極端情況下，高架接觸導線甚至可能斷裂。

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，防止對高架接觸導線造成損害。電氣化列車有時使用類似但又復雜得多的系統(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線的垂直偏轉。據(jù)此可以推斷出接觸導線承受的壓力。如果受電弓對接觸導線施加的壓力太大，那么，碳層和高架接觸導線都會產生過度磨損。如果壓力太小，接觸則會斷開，并且可能發(fā)生電弧，這也會對連接兩側構成應力。

該系統(tǒng)設計獨到，可以安裝在高架導線的電線桿和橋上，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于高架導線狀況的信息，譬如，高架接觸導線的懸掛情況。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)字基礎設施部稱，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絡年會上，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發(fā)給應用程序運營商。這樣一來，通過諸如智能電話、平板電腦或導航裝置等終端，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導航裝置上輸入目的地，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設施。

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，在預定空間內發(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。當汽車駛入其預定空間時，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)轉換器和信號處理元件構成。應當可以輕而易舉地將之集成到城市基礎設施中。”

Florian Poprawa解釋道：“傳感器由天線、模擬電子系統(tǒng)、模數(shù)轉換器和信號處理元件構成。”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)測結果。這些信息被實時轉發(fā)給道路使用者，通過智能電話或導航裝置，引導他們找到空車位。

自學習系統(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)進行處理并轉換為明白易懂的信息。結合智能電話或導航裝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習系統(tǒng)。它能夠識別出停車位按反復出現(xiàn)的相同周期被占用的情形，譬如，在一天當中的某幾個時段或一個星期內的某幾天，停車位是否經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準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)的應用程序來查明其目的地區(qū)域內的停車場，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)化自主車輛導航，或者向電動汽車駕駛員提供關于充電站的信息。Zwick補充道，“當然，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節(jié)照明。他總結道，“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。”