重載列車智能化操控系統(tǒng)車地實(shí)時(shí)通信方案研究與實(shí)現(xiàn)

陸小紅，張曉鳳，鄭木火，孫瑩瑩

(浙江眾合科技股份有限公司，杭州　310052)

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重載列車智能化操控系統(tǒng)車地實(shí)時(shí)通信方案研究與實(shí)現(xiàn)

陸小紅，張曉鳳，鄭木火，孫瑩瑩

(浙江眾合科技股份有限公司，杭州310052)

為提高重載列車調(diào)度和運(yùn)行的自動(dòng)化水平，提高線路運(yùn)輸能力，基于朔黃線神華機(jī)車進(jìn)行重載列車智能化操控系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的車地實(shí)時(shí)通信方案研究，包括車地通信的接口安全性、車地通信機(jī)制和內(nèi)容以及重載列車智能化操控系統(tǒng)對(duì)地面調(diào)度信息的處理，通過LTE-R 4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)安全交互，實(shí)現(xiàn)朔黃線車地設(shè)備報(bào)文實(shí)時(shí)自動(dòng)交互功能，進(jìn)一步提高朔黃線重載列車運(yùn)行的準(zhǔn)時(shí)性和節(jié)能性。

車地通信; 智能化操控系統(tǒng); 調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng); 重載列車

重載列車智能化操控系統(tǒng)車地通信的實(shí)現(xiàn)是國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“軸重 30 t以上煤炭運(yùn)輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制”中重載列車智能化操控系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)兩課題數(shù)據(jù)交互的保證。本文主要研究其車地通信的安全性和交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)車地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，更好地服務(wù)于朔黃線重載列車運(yùn)行和調(diào)度[1]。

重載列車具有車輛載重力大，列車編掛輛數(shù)多，操控復(fù)雜，運(yùn)行距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)重載列車在路內(nèi)位置的實(shí)時(shí)確定并交互調(diào)度信息，提高調(diào)度運(yùn)行自動(dòng)化水平，提高運(yùn)輸效率有重要的意義[2-3]。目前朔黃線車載和地面設(shè)備之間還沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的通信，并且臨時(shí)限速的下發(fā)由調(diào)度中心以紙質(zhì)司機(jī)報(bào)單和CF卡方式針對(duì)每列列車人工下發(fā)和核對(duì)臨時(shí)限速信息，操作繁瑣且存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；全線以固定閉塞制式運(yùn)行，列車運(yùn)行授權(quán)由信號(hào)機(jī)燈色給出，司機(jī)無法確定前方允許運(yùn)行距離；重載列車從神池南運(yùn)行到黃驊港的計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間為8 h50 mim，而實(shí)際列車全線運(yùn)行一般都在9 h30 min以上，由于調(diào)度系統(tǒng)不進(jìn)行在線優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行計(jì)劃，全線590 km的路程，司機(jī)運(yùn)行過程中難免出現(xiàn)某些站點(diǎn)運(yùn)行與計(jì)劃的較大偏差，導(dǎo)致列車在運(yùn)行過程中受前車影響以及場內(nèi)后長時(shí)間等待作業(yè)[4]。針對(duì)以上問題，本文研究重載列車智能化操控系統(tǒng)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的車地通信方案，以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)限速的自動(dòng)下發(fā)和響應(yīng)；實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的目標(biāo)點(diǎn)在線下發(fā)，增加列車可見的可運(yùn)行距離；實(shí)現(xiàn)站停信息和運(yùn)行時(shí)刻信息的自動(dòng)下發(fā)和及時(shí)響應(yīng)，車地配合實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行時(shí)間的實(shí)時(shí)優(yōu)化。極大地提高重載列車調(diào)度運(yùn)行的自動(dòng)化水平。

1　車地通信接口安全性

1.1車地安全通信結(jié)構(gòu)

重載智能化操控系統(tǒng)采用朔黃線既有的LTE-R 4G網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的通信[5-6]，傳輸層協(xié)議采用面向連接方式的TCP協(xié)議。地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的通信前置服務(wù)器為Server端，重載列車智能化操控系統(tǒng)作為Client端。為保證車地間通信的安全性，需要建立如圖1所示的車地安全通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[7]。

圖1　車地安全通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2車地通信安全措施

重載列車智能化操控系統(tǒng)車地通信結(jié)構(gòu)的構(gòu)建遵循EN50159標(biāo)準(zhǔn)，保證信息的真實(shí)性、完整性、實(shí)時(shí)性和順序性[8]，本文車地通信接口安全性措施具體如下。

(1)時(shí)間戳

系統(tǒng)發(fā)送和接收的所有應(yīng)用報(bào)文均包含時(shí)間戳，用以判斷接報(bào)文是否為新報(bào)文。

在每次接收到報(bào)文時(shí)，比較該報(bào)文的發(fā)送時(shí)間戳和上周期報(bào)文的時(shí)間戳，若大于上周期的時(shí)間戳，更新報(bào)文內(nèi)容，并更新時(shí)間戳，用于下次通信接收?qǐng)?bào)文時(shí)判斷，否則，不更新報(bào)文內(nèi)容和時(shí)間戳；在一個(gè)周期內(nèi)，多次收到同一消息ID的報(bào)文時(shí)，用發(fā)送時(shí)間戳從報(bào)文緩沖池中篩選最新的報(bào)文。

(2)超時(shí)

車地信息傳輸過程中，對(duì)所有周期報(bào)進(jìn)行報(bào)文超時(shí)檢查。

當(dāng)本周期沒有收到有效(指報(bào)文ID正確、發(fā)送端接收端ID正確、CRC校驗(yàn)正確)的新(通過報(bào)文有效性檢查，比之前收到的報(bào)文新)報(bào)文時(shí)，開始超時(shí)計(jì)數(shù)。若計(jì)數(shù)超過判斷閾值，則判斷超時(shí)。

若接收到有效的新報(bào)文時(shí)，判斷報(bào)文不超時(shí)，且將超時(shí)計(jì)數(shù)清零。

若某一周期沒有收到周期報(bào)文且未超時(shí)，則延用上一周期數(shù)據(jù)。若報(bào)文超時(shí)，則將該報(bào)文的內(nèi)容置為無效態(tài)，報(bào)告通信失敗。

(3)源、目的設(shè)備識(shí)別

系統(tǒng)所有報(bào)文應(yīng)用層均含有源和目的地址，以確定報(bào)文來源和目的地的正確性。

接收到報(bào)文時(shí)，檢查報(bào)文中發(fā)送端設(shè)備ID和接收端設(shè)備ID，若發(fā)送設(shè)備ID錯(cuò)誤或接收設(shè)備ID錯(cuò)誤，則判斷該報(bào)文有誤，以此避免從錯(cuò)誤的設(shè)備接收?qǐng)?bào)文或者接收發(fā)送給其他設(shè)備的報(bào)文。

(4)安全碼

系統(tǒng)提供CRC32安全碼措施防止傳輸數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

(5)報(bào)文頭

通過報(bào)文頭識(shí)別報(bào)文的起始，再通過報(bào)文長度讀取相應(yīng)字節(jié)進(jìn)行處理。若應(yīng)用數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)與報(bào)文頭相同，則重復(fù)打上該字節(jié)，確保報(bào)文頭的正確識(shí)別。

(6)其他措施

系統(tǒng)接收?qǐng)?bào)文時(shí)，會(huì)檢查報(bào)文數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度，若數(shù)據(jù)類型或數(shù)據(jù)長度錯(cuò)誤，則丟棄該報(bào)文。

在車地通信超時(shí)后，智能操控系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)起向地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的鏈接，增加系統(tǒng)的可用性。

車地通信過程中，要求本系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)均執(zhí)行規(guī)定的通信協(xié)議，發(fā)送時(shí)在應(yīng)用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上打上上述安全協(xié)議字段，見表1，并且對(duì)收到報(bào)文的相應(yīng)字段進(jìn)行解析及處理，保證發(fā)送端誤操作時(shí)，故障不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大[9]。

表1　通信數(shù)據(jù)幀格式

2　車地通信數(shù)據(jù)交互

重載智能化操控系統(tǒng)車地通信實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行相關(guān)調(diào)度信息的實(shí)時(shí)交互，包括列車注冊信息、時(shí)間校驗(yàn)、列車運(yùn)行信息、列車站停信息、運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)、臨時(shí)限速設(shè)置和取消、調(diào)度命令信息、時(shí)刻信息和規(guī)劃曲線的交互。實(shí)現(xiàn)了朔黃線第一次車地設(shè)備報(bào)文實(shí)時(shí)自動(dòng)交互。

2.1注冊/注銷流程

為實(shí)現(xiàn)列車智能操控系統(tǒng)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的信息交互，列車在正線正常運(yùn)行時(shí)主動(dòng)向地面進(jìn)行注冊請(qǐng)求，僅在注冊完成后調(diào)度系統(tǒng)才對(duì)該列車進(jìn)行調(diào)度管理。

智能操控系統(tǒng)啟動(dòng)后主動(dòng)鏈接調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)并進(jìn)行注冊，以接收調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)度信息。接收到注冊成功的反饋后，發(fā)送列車運(yùn)行信息給調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)本車信息的實(shí)時(shí)掌握，若接收到注冊失敗的反饋，則重復(fù)注冊。當(dāng)智能操控系統(tǒng)與調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的鏈接斷開后，主動(dòng)檢查通信鏈路狀態(tài)并發(fā)起鏈接請(qǐng)求，重新建立鏈接后再次進(jìn)行注冊操作。

當(dāng)智能化操控系統(tǒng)處于由列車模式變?yōu)檎{(diào)車模式、人工軟關(guān)機(jī)、退出正線等非正線正常列車運(yùn)行狀態(tài)，向地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)送列車注銷信息。當(dāng)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)收到列車注銷信息后，在既有在線列車列表里找到該列車，標(biāo)記為列車注銷狀態(tài)，并向智能化操控系統(tǒng)發(fā)送注銷成功消息。

2.2時(shí)間校驗(yàn)

調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)送時(shí)間校驗(yàn)信息，智能優(yōu)化系統(tǒng)校驗(yàn)本系統(tǒng)時(shí)間并反饋時(shí)間偏差，保證后續(xù)運(yùn)行時(shí)間等信息的正確性。

2.3調(diào)度在線優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)重載列車的調(diào)度在線優(yōu)化，智能操控系統(tǒng)需把列車運(yùn)行信息實(shí)時(shí)發(fā)送給地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，并交互運(yùn)行時(shí)間信息，交互機(jī)制見圖2。

圖2　調(diào)度在線優(yōu)化信息交互機(jī)制

智能操控系統(tǒng)組織司機(jī)號(hào)、車次號(hào)和機(jī)車號(hào)等車輛基礎(chǔ)信息以及列車運(yùn)行方向、速度和位置等運(yùn)行信息，發(fā)送給調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，確保調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)本車運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)掌握，調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)接收到列車運(yùn)行信息后，在人機(jī)界面上顯示列車位置和速度、車次等信息，實(shí)時(shí)跟蹤列車運(yùn)行。

同時(shí)列車根據(jù)接收到的調(diào)度站停信息進(jìn)行站?？刂?，根據(jù)站間運(yùn)行時(shí)間信息計(jì)算列車輔助規(guī)劃曲線并根據(jù)該曲線采用專家知識(shí)庫算法給出操控提示，指示列車在計(jì)劃站間運(yùn)行時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，確保準(zhǔn)時(shí)性。并將列車在本站的已運(yùn)行時(shí)間和剩余站間運(yùn)行時(shí)間組成的規(guī)劃曲線信息發(fā)送給調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)。

調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)接收到規(guī)劃曲線信息后，比對(duì)原有調(diào)度計(jì)劃的站間運(yùn)行時(shí)間，對(duì)該車的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行在線優(yōu)化并下發(fā)站間運(yùn)行時(shí)間給智能操控系統(tǒng)。

2.4目標(biāo)運(yùn)行點(diǎn)

調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)檢測線路上障礙點(diǎn)，包括前方列車、失表的道岔、區(qū)段故障等引起的前方信號(hào)機(jī)紅燈，將該紅燈信號(hào)機(jī)位置作為目標(biāo)點(diǎn)發(fā)送給列車，智能操控系統(tǒng)接收該目標(biāo)點(diǎn)后重新計(jì)算列車運(yùn)行最嚴(yán)格限速曲線，將目標(biāo)點(diǎn)前移安全距離后設(shè)置為輔助規(guī)劃曲線的目標(biāo)停車點(diǎn)，保證列車在該點(diǎn)前安全停車。

其中，安全距離的確定跟當(dāng)前列車的運(yùn)行速度和車輛特性、線路坡道、車地通信延時(shí)、司機(jī)反應(yīng)時(shí)間等有關(guān)。安全距離的預(yù)留保證了列車在目標(biāo)運(yùn)行點(diǎn)前停車，減少了列車紅燈冒進(jìn)的可能性。

2.5臨時(shí)限速信息

由于現(xiàn)場施工、天氣情況等原因線路上需要設(shè)置臨時(shí)限速，目前朔黃線臨時(shí)限速通知的下發(fā)由每列列車司機(jī)交班時(shí)手持CF卡上車載入并人工核對(duì)，本文車地通信實(shí)現(xiàn)后調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)可以直接在調(diào)度中心統(tǒng)一設(shè)置線路臨時(shí)限速，自動(dòng)識(shí)別該區(qū)段的列車并下發(fā)指定有效時(shí)間內(nèi)的臨時(shí)限速到每一列列車。

智能操控系統(tǒng)接收到臨時(shí)限速報(bào)文，檢查臨時(shí)限速起終點(diǎn)公里標(biāo)、限速值等信息確保臨時(shí)限速有效性，并回復(fù)臨時(shí)限速設(shè)置反饋報(bào)文；若接收到臨時(shí)限速取消報(bào)文，則比對(duì)臨時(shí)限速會(huì)話號(hào)，將相應(yīng)的臨時(shí)限速刪除，并發(fā)送臨時(shí)限速反饋報(bào)文。若調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)未接收到有效的反饋報(bào)文(臨時(shí)限速設(shè)置/取消成功)則繼續(xù)下發(fā)臨時(shí)限速設(shè)置/取消報(bào)文。利用數(shù)據(jù)有效性檢查以及反饋確保臨時(shí)限速的有效執(zhí)行。

智能操控系統(tǒng)為保證列車全列完整接受臨時(shí)限速的限制，防止車尾超速，故在接收到的有效的臨時(shí)限速基礎(chǔ)上增加1個(gè)車長距離的限速。列車運(yùn)行最嚴(yán)格限速根據(jù)臨時(shí)限速重新計(jì)算限速曲線，保證列車在限速下運(yùn)行，專家知識(shí)庫算法根據(jù)當(dāng)前列車距限速點(diǎn)的距離以及速度差、車輛制動(dòng)特性、線路條件計(jì)算重載列車允許最大再生力作用下列車是否能夠減速到限速下運(yùn)行，若不能，則提前施加空氣制動(dòng)保證列車不超速。

3　車地通信實(shí)現(xiàn)

重載列車智能化操控系統(tǒng)給出操控提示輔助司機(jī)駕駛，向地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)請(qǐng)求鏈接并注冊成功后，將運(yùn)行信息發(fā)送調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)后進(jìn)行列車顯示見圖3。

圖3　地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)列車顯示

智能操控系統(tǒng)與調(diào)度優(yōu)化車地實(shí)時(shí)通信實(shí)現(xiàn)在線調(diào)度運(yùn)行優(yōu)化，相應(yīng)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間信息進(jìn)行列車輔助駕駛規(guī)劃曲線的重計(jì)算，并接收調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行限速處理，見圖4和圖5。

圖4　智能操控系統(tǒng)運(yùn)行界面1

圖5　智能操控系統(tǒng)運(yùn)行界面2

智能操控系統(tǒng)接收地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的臨時(shí)限速信息并響應(yīng)，見圖6。

圖6　智能操控系統(tǒng)響應(yīng)臨時(shí)限速界面

將本文車地通信應(yīng)用于朔黃線神八機(jī)車牽引萬噸列車智能操控系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了車地實(shí)時(shí)通信以及列車運(yùn)行的在線調(diào)整，較朔黃牽引萬噸列車歷史運(yùn)行時(shí)間符合度和節(jié)能性有了一定的提高[10]，見表2、表3。

表 2　萬噸綜合試驗(yàn)區(qū)間走行時(shí)間指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注：運(yùn)行時(shí)間符合度=(實(shí)際運(yùn)行時(shí)間-計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間)/計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間*100%

表3　萬噸綜合試驗(yàn)區(qū)間節(jié)能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注：節(jié)能百分比=(綜合試驗(yàn)?zāi)芎?朔黃線歷史平均能耗)/朔黃線歷史平均能耗×100%

(能耗負(fù)值表示本區(qū)段列車運(yùn)行的發(fā)電量大于用電量)

4　結(jié)語

通過對(duì)目前朔黃線實(shí)時(shí)車地通信缺失導(dǎo)致的調(diào)度運(yùn)行影響分析，提出實(shí)現(xiàn)重載列車智能操控系統(tǒng)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)車地通信，采取安全措施保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，從而實(shí)現(xiàn)站停信息、運(yùn)行時(shí)間信息和臨時(shí)限速及運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)的車地實(shí)時(shí)交互。其中列車計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間的實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)一步提高了列車運(yùn)行計(jì)劃的符合度，合理調(diào)整了全線列車運(yùn)行計(jì)劃，降低了列車能耗；運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)的在線讀取及限速防護(hù)，增加了列車允許運(yùn)行的可知范圍，為重載列車的準(zhǔn)移動(dòng)或者移動(dòng)閉塞制式的實(shí)現(xiàn)打下了一定的基礎(chǔ)，提高了列車運(yùn)行效率；臨時(shí)限速的實(shí)時(shí)在線讀取并限速處理，增加了異常情況的應(yīng)急處理能力，提高了自動(dòng)化水平，進(jìn)一步保證了列車行車安全。在后續(xù)的工作中，還需對(duì)車地通信內(nèi)容加以拓展，并優(yōu)化車地運(yùn)行時(shí)間交互時(shí)機(jī)以利于更好地在線調(diào)度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度和運(yùn)行的進(jìn)一步自動(dòng)化，更大地提高線路運(yùn)輸效率。

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Research on TWC Program of Heavy Haul Train Intelligent Control

LU Xiao-hong， ZHANG Xiao-feng， ZHENG Mu-huo， SUN Ying-ying

(United Science &technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China)

In order to improve the level of automation heavy haul train dispatching and operation and improve transport capacity， this paper researches the scheme of ground vehicle real-time communication between intelligent control system and scheduling optimization system based on Shuozhou-Huanghuagang railway Shenhua heavy haul train， covering the safety of communication interface， the vehicle-ground communication mechanisms and content， and the ground schedule information processing in intelligent control system. The real-time vehicle-ground data automatic interactive features are fulfilled through LTE-R 4G network to further improve the punctuality and energy efficiency of the Shuozhou-Huanghuagang railway heavy haul train．

Vehicle-ground communication; Intelligent control system; Scheduling optimization system; Heavy haul train

2015-12-18；

2016-01-28

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG20B00，2013BAG20B01)

陸小紅(1986—)，女，工程師，2012年畢業(yè)于西南交通大學(xué)交通信息工程及控制專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：lxh1109xq@163.com。

1004-2954(2016)08-0130-04

U285.21

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.027