鐵路專(zhuān)用線(xiàn)車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張正光，李國(guó)寧，田俊鵬，陳 璐

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070;2.北京康吉森交通技術(shù)有限公司，北京 101318)

隨著我國(guó)鐵路的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新，以計(jì)算機(jī)為主的鐵路信號(hào)系統(tǒng)越來(lái)越高效，可靠，安全的運(yùn)用在各鐵路沿線(xiàn)上。目前我國(guó)煤礦、鋼鐵等礦區(qū)鐵路專(zhuān)用線(xiàn)設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)較陳舊、簡(jiǎn)單，加之運(yùn)輸作業(yè)量較大，線(xiàn)路繁忙，所以對(duì)生產(chǎn)安全和高效率有著很大的挑戰(zhàn)［1-2］。為了提高礦區(qū)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩胶瓦\(yùn)輸效率，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、平面調(diào)車(chē)作業(yè)、機(jī)車(chē)定位、貨運(yùn)信息及調(diào)度指揮等系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了一種能達(dá)到整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸作業(yè)和調(diào)度指揮自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)紙化的車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)，從而提高運(yùn)輸效率和安全系數(shù)。

車(chē)地聯(lián)控解決的問(wèn)題［3］:

(1)將調(diào)度計(jì)劃(調(diào)車(chē)作業(yè)通知單等)直接發(fā)送到地面機(jī)和機(jī)車(chē)上，減少了人為錯(cuò)誤，并可根據(jù)生產(chǎn)需要及時(shí)修改調(diào)度計(jì)劃;

(2)作業(yè)情況在機(jī)車(chē)、地面機(jī)、調(diào)度3個(gè)層面做到實(shí)時(shí)“勾勾清”，有利于各環(huán)節(jié)工作人員清楚了解運(yùn)輸現(xiàn)狀;

(3)地面機(jī)與機(jī)車(chē)通過(guò)實(shí)時(shí)信息同步，達(dá)到對(duì)機(jī)車(chē)速度，距前方信號(hào)機(jī)位置，車(chē)列長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)測(cè)量;通過(guò)對(duì)車(chē)列長(zhǎng)度的測(cè)量，計(jì)算出機(jī)車(chē)牽掛車(chē)皮數(shù)，實(shí)時(shí)校對(duì)運(yùn)輸計(jì)劃與實(shí)際作業(yè)的一致性，確保運(yùn)輸信息系統(tǒng)的正確性;

(4)通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)速度、距前方信號(hào)機(jī)距離的測(cè)量以及信號(hào)機(jī)狀態(tài)顯示，對(duì)誤闖信號(hào)和超速行駛的違章作業(yè)給予及時(shí)的報(bào)警，有效提高運(yùn)輸?shù)陌踩?

(5)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車(chē)司機(jī)的在崗情況，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)內(nèi)部情況及時(shí)的視頻傳輸。

1 車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)介紹

車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)［4］中獲取站場(chǎng)實(shí)時(shí)信息、調(diào)度計(jì)劃管理系統(tǒng)［5］中獲取調(diào)度計(jì)劃信息、車(chē)載設(shè)備中獲取機(jī)車(chē)運(yùn)行狀況信息(包括運(yùn)行方向、速度等)，將這些信息綜合起來(lái)進(jìn)行一系列邏輯運(yùn)算后，實(shí)現(xiàn)“車(chē)”與“地”的聯(lián)控來(lái)保證機(jī)車(chē)運(yùn)行安全。車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有:機(jī)車(chē)精確定位、闖信號(hào)機(jī)、超速報(bào)警、機(jī)車(chē)運(yùn)行信息顯示、作業(yè)單無(wú)線(xiàn)傳輸、機(jī)車(chē)工況采集、存儲(chǔ)與回放、電子添乘系統(tǒng)、區(qū)段有車(chē)占用提示、任意區(qū)段限速、緊急停車(chē)功能、作業(yè)信息存儲(chǔ)與回放、電子地圖大屏顯示、站內(nèi)車(chē)皮信息顯示、區(qū)間道口信息顯示等。車(chē)地聯(lián)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)由車(chē)載設(shè)備與地面設(shè)備組成。車(chē)載設(shè)備由車(chē)載主控、車(chē)載終端、安裝的傳感器、GPS接收機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)等部分組成;地面設(shè)備由三取二主控機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)(雙冗余)、電源模塊(雙冗余)、電子地圖等組成。

2.1 工作原理

車(chē)載系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集機(jī)車(chē)工況數(shù)據(jù)(方向、速度、壓力、里程數(shù)累計(jì)等參數(shù))，同時(shí)負(fù)責(zé)機(jī)車(chē)與地面機(jī)的通信。地面機(jī)設(shè)備主要完成跟車(chē)邏輯運(yùn)算、機(jī)車(chē)定位、作業(yè)計(jì)劃發(fā)送、站場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。服?wù)器與地面機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，從地面機(jī)獲取站場(chǎng)信息，機(jī)車(chē)信息，顯示各站的站場(chǎng)狀態(tài)，顯示機(jī)車(chē)詳細(xì)信息。服務(wù)器還與信息化系統(tǒng)連接，傳輸機(jī)車(chē)信息到信息化系統(tǒng)，從信息化終端獲取作業(yè)計(jì)劃信息。GPS基站與服務(wù)器連接，基站定時(shí)傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)到服務(wù)器，服務(wù)器將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到各站的地面機(jī)，地面機(jī)再發(fā)送到站內(nèi)的機(jī)車(chē)。車(chē)地聯(lián)控工作原理如圖2所示。

圖2 車(chē)地聯(lián)控工作原理

2.2 機(jī)車(chē)精確定位

車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)通過(guò)軌道電路和測(cè)速定位法定位當(dāng)前機(jī)車(chē)的準(zhǔn)確位置，機(jī)車(chē)速度傳感器采集速度并計(jì)算里程數(shù)，地面機(jī)每隔50 ms獲取一次機(jī)車(chē)信息，獲取機(jī)車(chē)的當(dāng)前里程數(shù)，與上次的里程數(shù)進(jìn)行比較，獲取里程差，然后在顯示終端上移動(dòng)機(jī)車(chē)位置。GPS定位作為輔助手段對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行定位，當(dāng)?shù)孛孢壿嬇袛鄼C(jī)車(chē)位置不正確的時(shí)候，需要通過(guò)GPS的定位信息對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行修正。通過(guò)多區(qū)段的左右絕緣節(jié)進(jìn)行GPS經(jīng)緯度的測(cè)量，可以獲得區(qū)段的長(zhǎng)度，結(jié)合機(jī)車(chē)傳回的經(jīng)緯度坐標(biāo)，可以判斷機(jī)車(chē)是否在區(qū)段上。通過(guò)軌道電路、測(cè)速定位法和 GPS定位法相結(jié)合，確保了機(jī)車(chē)的精確定位。

2.3 系統(tǒng)組成

車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)。

車(chē)地聯(lián)控車(chē)載系統(tǒng)主要由車(chē)載主控機(jī)、車(chē)載顯示終端、車(chē)載接線(xiàn)盒、GPS接收機(jī)、485轉(zhuǎn)換模塊組成。GPS接收機(jī)通過(guò)天線(xiàn)，獲取GPS衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前機(jī)車(chē)所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將該信息通過(guò)接線(xiàn)盒定時(shí)發(fā)送到車(chē)載主控機(jī)上，車(chē)載主控機(jī)再發(fā)送到地面站進(jìn)行定位計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得機(jī)車(chē)所在的區(qū)段，最終通過(guò)車(chē)載顯示終端實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

車(chē)地聯(lián)控電子添乘系統(tǒng)包括錄像主機(jī)，車(chē)內(nèi)攝像頭和車(chē)外攝像頭。進(jìn)行視頻和音頻信息的采集和保存，配備的硬盤(pán)大約可保存設(shè)備開(kāi)啟期間最近半月的信息。電子添乘系統(tǒng)主要通過(guò)無(wú)線(xiàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證機(jī)車(chē)安全駕駛，防止因人為原因事故的發(fā)生，也便于鑒別司機(jī)的操作技術(shù)和事后責(zé)任的界定。

車(chē)地聯(lián)控地面機(jī)CPU實(shí)時(shí)計(jì)算著站場(chǎng)的信息，并且模擬生成虛擬的機(jī)車(chē)對(duì)象，并進(jìn)行機(jī)車(chē)跟蹤定位、作業(yè)計(jì)劃傳輸?shù)冗壿嬤\(yùn)算，地面機(jī)維護(hù)著本站內(nèi)的所有機(jī)車(chē)。車(chē)地聯(lián)控地面機(jī)從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中獲取站場(chǎng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，通過(guò)以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)電臺(tái)將機(jī)車(chē)位置、車(chē)列長(zhǎng)度等運(yùn)算結(jié)果分別傳輸給機(jī)車(chē)和信息化系統(tǒng)。同時(shí)，調(diào)車(chē)作業(yè)單通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)杰?chē)地聯(lián)控地面機(jī)，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)設(shè)備傳輸?shù)綑C(jī)車(chē)上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)下達(dá)和變更調(diào)車(chē)計(jì)劃，完成了車(chē)站和機(jī)車(chē)間的相互控制［6］。

車(chē)地聯(lián)控服務(wù)器、維修機(jī)顯示所有站場(chǎng)信息，機(jī)車(chē)信息，軌道采集模塊信息，提供人工維護(hù)機(jī)車(chē)界面，站場(chǎng)機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放，車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)運(yùn)行日志記錄，信息化終端連接、作業(yè)計(jì)劃轉(zhuǎn)發(fā)，GPS基站差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，GPS坐標(biāo)補(bǔ)點(diǎn)功能。車(chē)地聯(lián)控服務(wù)器軟件是運(yùn)行在WINDOWS操作系統(tǒng)下的人機(jī)交互軟件，用于監(jiān)控所有站的相關(guān)信息，包括站場(chǎng)信息、機(jī)車(chē)信息等。每個(gè)車(chē)地聯(lián)控項(xiàng)目只需要運(yùn)行一套服務(wù)器軟件，服務(wù)器軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)站的地面機(jī)連接通信，從地面機(jī)獲取站場(chǎng)與機(jī)車(chē)的信息;通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與信息化終端連接，接收信息化下發(fā)的作業(yè)計(jì)劃，同時(shí)發(fā)送機(jī)車(chē)信息給信息化終端。

車(chē)地聯(lián)控電子地圖的特點(diǎn)是通過(guò)結(jié)合GPS信息，精確定位站內(nèi)每個(gè)機(jī)車(chē)的位置，對(duì)機(jī)車(chē)位置進(jìn)行自動(dòng)校正，不需要人工參與維護(hù)。在調(diào)度中心的大屏上可以通過(guò)電子地圖直觀地監(jiān)視到站場(chǎng)的狀態(tài)、機(jī)車(chē)在站場(chǎng)所在的區(qū)段及精確位置、同時(shí)結(jié)合信息化系統(tǒng)能夠直觀地顯示區(qū)段中所有的車(chē)皮信息及狀態(tài)。另外，電子地圖終端實(shí)現(xiàn)了站場(chǎng)之間的區(qū)間顯示，能夠監(jiān)視機(jī)車(chē)在區(qū)間中的準(zhǔn)確位置，所在道口的情況。在調(diào)度中心的大屏上，可以實(shí)現(xiàn)所有站的同時(shí)顯示，一個(gè)小屏幕顯示一個(gè)站場(chǎng)，也支持整個(gè)大屏顯示一個(gè)站場(chǎng)信息。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件包括:服務(wù)器軟件、維修機(jī)軟件、通信軟件、MCCAD軟件、IO數(shù)據(jù)處理模塊軟件等，如圖3所示。

圖3 車(chē)地聯(lián)控軟件體系結(jié)構(gòu)

車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)豐富，各子系統(tǒng)之間進(jìn)行大量的信息傳遞和數(shù)據(jù)交換，這樣就要求各個(gè)子系統(tǒng)、模塊之間要有較強(qiáng)的接口能力。從系統(tǒng)的整體需求出發(fā)，分析各軟件所實(shí)現(xiàn)的功能和其他軟件系統(tǒng)之間的交互關(guān)系，確定組成系統(tǒng)的各個(gè)硬件、系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、部件同步、部件交互和部件通信協(xié)議等，既考慮完全實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能任務(wù)，又考慮軟件的擴(kuò)展和維護(hù)。從整體上軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是模塊化軟件結(jié)構(gòu)［7］。

4 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

圖4是車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)界面，從圖中可以看出該系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔，易操作。地面機(jī)采用的是目前鐵路系統(tǒng)中較流行的QNX操作系統(tǒng)［8］，QNX是一種多任務(wù)、多用戶(hù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有優(yōu)先級(jí)占用，方便移植，快速程序切換等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)所有的軟件均使用C++語(yǔ)言按模塊化的結(jié)構(gòu)編寫(xiě)而成。

圖4 車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)界面

通信方式［9］:地面機(jī)與車(chē)載系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通信，地面機(jī)、服務(wù)器、信息化系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，服務(wù)器與GPS基站則通過(guò)串口連接。

系統(tǒng)調(diào)試:對(duì)車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)功能的測(cè)試主要有以下2種方法。(1)將系統(tǒng)安裝在實(shí)際的鐵路運(yùn)行線(xiàn)路中，根據(jù)實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)試。(2)在實(shí)驗(yàn)室里搭建虛擬的測(cè)試平臺(tái)，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行情況［10］，進(jìn)行功能調(diào)試。最后根據(jù)調(diào)試結(jié)果，總結(jié)出系統(tǒng)的不足和漏洞，進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善。

安全性能:結(jié)合鐵路信號(hào)的技術(shù)趨勢(shì)，車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)采用的通信技術(shù)、容錯(cuò)與可靠性技術(shù)以及故障-安全技術(shù)，滿(mǎn)足鐵路專(zhuān)用線(xiàn)安全、高效的要求。其在維護(hù)上集成了許多豐富的功能，主要體現(xiàn)在人工維護(hù)機(jī)車(chē)界面，站場(chǎng)機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放，系統(tǒng)運(yùn)行日志記錄，超速報(bào)警等功能中，電務(wù)維護(hù)人員通過(guò)歷史查詢(xún)就能找到各種軟硬件故障。

5 結(jié)論

車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)硬件上采用動(dòng)態(tài)冗余結(jié)構(gòu)、故障隔離技術(shù)和一些安全防護(hù)措施，保證了系統(tǒng)硬件的安全可靠;軟件上，各軟件子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)冗余機(jī)制保證了對(duì)故障的及時(shí)屏蔽和系統(tǒng)的不間斷安全運(yùn)行，確保了系統(tǒng)中軟件部分的安全可靠。目前，該系統(tǒng)已開(kāi)發(fā)完成，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。車(chē)地聯(lián)控系統(tǒng)的使用提升了企業(yè)的生產(chǎn)管理水平，提高了運(yùn)輸效率，方便、快捷、安全的傳遞生產(chǎn)管理信息，同時(shí)提高了各級(jí)生產(chǎn)管理人員信息化管理水平，為企業(yè)及時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)的決策提供依據(jù)。

［1］趙杰，周恒.關(guān)于礦區(qū)鐵路信號(hào)設(shè)備維修模式在新形勢(shì)下的思考［J］.煤礦現(xiàn)代化，2010(2):88-89.

［2］孫濤.礦區(qū)鐵路道岔常見(jiàn)病害及整治［J］.煤礦機(jī)械，2004(5):127-128.

［3］譚彬.礦區(qū)鐵路車(chē)站調(diào)車(chē)作業(yè)存在問(wèn)題與改進(jìn)對(duì)策［J］.山東煤炭科技，2011(6):216-217.

［4］梁豆豆，范多旺，陳光武.計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)通信模塊的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，20(2):52-54.

［5］王廣，韓莉，劉東曉.平頂山礦區(qū)鐵路運(yùn)輸調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(10-3):122-124.

［6］陶永宏，趙興文.礦區(qū)鐵路智能運(yùn)輸信息系統(tǒng)建設(shè)研究［J］.山東煤炭科技，2011(5):91-93.

［7］侯業(yè)勤.分布式嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)QNX［M］.北京:宇航出版社，2011.

［8］劉志妍，李乃梁，等.煤礦鐵路工務(wù)設(shè)備管理信息系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2007，28(7):191-193.

［9］于志軍.鐵路區(qū)間通信方案研究［J］.中國(guó)鐵路，2011(12):35-36.

［10］趙宇坤.CTC測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，20(7):47-49.