創新式網絡和天線設計可以為鐵路車輛的新一代穩健無線狀態監測系統鋪平道路，斯凱孚的鐵路工程經理 Mario Rossi如是說。

正如交通運輸行業的眾多領域一樣，提高鐵路運輸領域的安全性和可靠性以及減少維護需求等驅動因素使得對狀態維護方案的關注與日俱增。 該方案需要使用以下監測技術： 監測在正常運行期間溫度、振動和其他變量的變化，對機械故障發出早期預警，從而使操作人員可以在故障發生前采取行動。 到目前為止一直存在的問題是：需要安裝一系列的傳感器從關鍵部件收集上述數據，這需要使用具有更多接線的復雜網絡。 而電纜安裝成本很高，并且會使得日常維護更耗時、更費力。
如今，斯凱孚的工程師團隊和兩個意大利領先機構的學者1共同協作，演示了如何利用低功率的無線通信系統運行傳感器網絡，大幅簡化設計、安裝和維護。
無線網絡很難用于鐵路狀態監測，原因如下： 首先，在不充電或更換的情況下，傳感器必須能長時間運行。 例如，現代一些客運列車的檢修周期預計超過一百萬公里，而運營公司正滿懷信心想要使該周期加倍。 需要自己發電和儲電意味著傳感器必須非常高效節能，這大幅限制了用于傳播無線信號的功率。
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據到20 米遠的位于車輛中心的接收器。 列車車廂處也很難實現無線傳輸。 車輛的轉向架、底盤和車身有大量導電材料，可能阻擋或干擾信號。
為了建立滿足上述要求的無線網絡，斯凱孚團隊首先必須為其擬建系統選擇合適的工作頻率。 這一選擇受到各種因素的影響，包括規定電磁波譜使用的地區法規、與列車上或列車附近的其他設備互相干擾的可能性，以及各頻率可能攜帶的數據量和所需硬件尺寸大小之間的權衡。
團隊最初關注了三個可能的頻率： 434 MHz、868 MHz和2.4 GHz。之后，他們使用先進的仿真工具檢查了鐵路系統的特性，仿真工具能對通過列車車廂結構和在列車車廂結構周圍的無線電波的反射和繞射建模。
本次仿真對許多可能的網絡配置進行了探究， 這包括一個系統（各個轉向架上的傳感器將數據傳輸到裝在列車頂的接收器）和一個替代方案（傳感器配有發射器（Tx）和接收器（Rx）天線，各個傳感器與相鄰傳感器通信，之后沿列車發送數據至駕駛室的最終接收器）。 以2.4 GHz頻率傳輸數據時出現傳輸問題并且車載Wi-Fi信號可能干擾傳輸，但以434 MHz 和868 MHz頻率傳輸數據時表現出良好的傳輸性能。 由于以434 MHz頻率傳輸數據需要使用大量復雜的天線，所以不采用該頻率，團隊最終決定采用868 MHz頻率作為完成任務的最佳方案。 使用安裝在真實列車上的樣機設備進行物理試驗，確認了仿真結果。
新方案的下一個關鍵要素是新型的天線設計，為應對鐵路環境的獨特挑戰必須對天線進行優化。 使傳感器可以安裝在需要的地方——例如轉向架的軸箱上，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時間工作，天線的設計必須具備防灰和防潮功能，并且能夠承受較大的溫度波動和較高的振動水平。
為了制造出滿足上述要求的天線，團隊選擇了一種稱為平面倒F型天線（PIFA）的配置。 在這一設計中，天線元件安裝在印刷電路板（PCB）上方，印刷電路板由導電材料包覆作為接地層。 在印刷電路板另一側加裝帶有金屬層的介質基片。 這種配置非常堅固，可沿任意方向傳輸數據——這對于可能必須要塞入難以接近部位的部件來說是另一個重要特性。
通過使用具有非常高相對介電常數（εr=10.9）的介質材料，團隊成功縮減了天線尺寸，確保其適用于標準的鐵路軸箱。 對安裝在軸箱內部的新型天線進行的試驗表明，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針對鐵路市場的下一代物聯網產品，這些研究結果的價值也在不斷凸顯。
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¹ 研發幕后團隊包括SKF鐵路部門的Franco Lambertino和Mario Rossi ； 都靈理工大學電子與通信學院天線和電磁兼容實驗室（LACE）的Gianluca Dassano、Francesca Vipiana和Mario Orefice； 以及都靈 Istituto Superiore Mario Boella（ISMB）天線和電磁兼容實驗室（LACE）的Sergio Arianos 。 在今年早些時候于米蘭舉辦的第11^屆 世界鐵路研究大會上，團隊展示了上述研究成果。