機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

馮彥斌

摘 要：針對(duì)機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱在鐵路安全運(yùn)輸中的重要性，分析了目前機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱的應(yīng)用現(xiàn)狀、管理手段及實(shí)施效果，研究了以智能機(jī)器、工業(yè)互聯(lián)、管理平臺(tái)為技術(shù)特征的機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)。目的在于建立一套智能化的操縱管理體系，能夠指導(dǎo)司機(jī)平穩(wěn)操縱，對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警，對(duì)司機(jī)操縱過(guò)程進(jìn)行分析和記錄，對(duì)司機(jī)的操縱結(jié)果進(jìn)行考核和打分，對(duì)全區(qū)域內(nèi)的列車(chē)在遇到突發(fā)事件時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一應(yīng)急管理，使機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱的管理提高到了智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的水平。

關(guān)鍵詞：鐵路系統(tǒng) 平穩(wěn)操縱 智能機(jī)器 工業(yè)互聯(lián) 管理平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（a）-00-07

平穩(wěn)操縱的含義。機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱是為了保障列車(chē)的平穩(wěn)安全運(yùn)行和規(guī)范操作而采取的操作技能、技術(shù)手段、操作規(guī)范和管理辦法。

平穩(wěn)操縱的重要性。在列車(chē)司機(jī)日常駕駛中，司機(jī)的操作是否規(guī)范，異常情況能否及時(shí)預(yù)警，都將影響列車(chē)的安全運(yùn)行，諸如發(fā)生抱閘牽引、帶電過(guò)分相、超速、手柄操作不當(dāng)、非正常停車(chē)、非正常制動(dòng)、充排風(fēng)操作不規(guī)范、未正常巡檢、未正常試閘等不當(dāng)操作，都可能造成安全事故；若發(fā)生網(wǎng)壓、總風(fēng)、電池電壓、牽引電流、工況、速度、信號(hào)機(jī)等故障或異常時(shí)，如不能及時(shí)預(yù)警，也會(huì)帶來(lái)安全隱患。

平穩(wěn)操縱的現(xiàn)狀。目前在我國(guó)鐵路系統(tǒng)中，機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱所采取的手段主要是根據(jù)線(xiàn)路情況、機(jī)車(chē)類(lèi)型、牽引組合制定出一套操縱規(guī)范和管理辦法，平穩(wěn)操縱完成的好壞，一方面，要靠司機(jī)對(duì)操縱規(guī)范掌握的熟練程度和操縱技能的高低；另一方面，對(duì)于出現(xiàn)異常情況時(shí)，司機(jī)若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患或故障，會(huì)造成事故的發(fā)生。

平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)研究的內(nèi)容。機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)是利用智能化的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱的過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒、記錄、分析、評(píng)分，并能夠?qū)ν话l(fā)情況進(jìn)行相關(guān)路段的實(shí)時(shí)通知和管制。機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)采用車(chē)載智能分析管理裝置、4G網(wǎng)絡(luò)通信、GPS定位、地面服務(wù)器技術(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)化的平穩(wěn)操縱規(guī)范預(yù)先被車(chē)載智能機(jī)器學(xué)習(xí)，車(chē)載平穩(wěn)操縱智能管理裝置通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)、GPS定位和地面服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)管理。

平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)的研究意義。第一，車(chē)載智能分析管理裝置能夠根據(jù)列車(chē)運(yùn)行的情況，實(shí)時(shí)的對(duì)司機(jī)進(jìn)行操操縱指導(dǎo)；第二，異常情況及時(shí)預(yù)警意義，并能夠?qū)α熊?chē)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，若有故障或隱患存在，能夠及時(shí)地進(jìn)行預(yù)警；第三，對(duì)司機(jī)操縱進(jìn)行評(píng)分考核的意義，地面服務(wù)器能夠?qū)λ緳C(jī)的操縱過(guò)程進(jìn)行評(píng)分和考核；第四，異常情況能夠自動(dòng)對(duì)事故進(jìn)行一鍵音視頻廣播和推送，避免意外情況的發(fā)生。

平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)的研究依據(jù)。根據(jù)各機(jī)務(wù)段的《列車(chē)操縱指導(dǎo)書(shū)》《列車(chē)操縱細(xì)則》《機(jī)務(wù)段LKJ管理分析標(biāo)準(zhǔn)及要求》的操縱管理要求及《軌道交通-機(jī)車(chē)車(chē)輛電子裝置》規(guī)范作為平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)的管理依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

1 機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱的應(yīng)用主要有兩種方式：一是通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱的各種場(chǎng)景進(jìn)行試驗(yàn)和研究，然后得出一套有針對(duì)性的操控方法和指導(dǎo)意見(jiàn)，并形成《列車(chē)操縱指導(dǎo)書(shū)》《列車(chē)操縱細(xì)則》，并要求司機(jī)按照指導(dǎo)和細(xì)則執(zhí)行。二是通過(guò)地面數(shù)據(jù)分析裝置，對(duì)列車(chē)全程記錄進(jìn)行分析，總結(jié)出平穩(wěn)操縱應(yīng)注意的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行操縱反饋。

兩種方式都對(duì)機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱的操控方法、操控規(guī)范起到了理論依據(jù)和行為規(guī)范的作用，但具體實(shí)施過(guò)程都會(huì)受到列車(chē)司機(jī)的操控技能、操縱經(jīng)驗(yàn)、客觀場(chǎng)景、臨場(chǎng)發(fā)揮的因素影響，而且在司機(jī)操縱實(shí)施過(guò)程中沒(méi)有操縱記錄、操縱分析、操縱考核手段，使機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱的管理無(wú)法得到有效保障和落實(shí)，而且對(duì)于突發(fā)狀況也沒(méi)有一個(gè)實(shí)時(shí)的操控管理手段。

為了有效解決目前機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱在實(shí)施過(guò)程中的不足，智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)亟待研究和實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

所研究的機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

（1）平穩(wěn)操縱實(shí)時(shí)在線(xiàn)指導(dǎo)功能：建立一套智能化的實(shí)時(shí)在線(xiàn)管理系統(tǒng)，在列車(chē)行駛過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱進(jìn)行指導(dǎo)，使司機(jī)能夠在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的平穩(wěn)操縱的指導(dǎo)下進(jìn)行操作。

（2）對(duì)操縱過(guò)程進(jìn)行記錄、分析、考核的功能：能夠?qū)λ緳C(jī)的操控過(guò)程進(jìn)行記錄和分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行考核和打分，使機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的管理。

（3）對(duì)機(jī)車(chē)安全隱患、故障、操作不當(dāng)?shù)确钦Ｇ闆r進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警：能夠?qū)C(jī)車(chē)網(wǎng)壓、總風(fēng)、電池電壓、牽引電流、工況、速度、信號(hào)、過(guò)分相、工況、充排風(fēng)等參數(shù)進(jìn)行采集和報(bào)警分析。

（4）聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管理：所有區(qū)域的列車(chē)都可通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)和地面服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，并能夠通過(guò)PC、手機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，能夠?qū)⒏髁熊?chē)的運(yùn)行狀況、操控記錄、操縱評(píng)分報(bào)表進(jìn)行集中管理，并能夠在突發(fā)事故情況下進(jìn)行一鍵上報(bào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通知、事故通報(bào)、臨時(shí)管制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

平穩(wěn)操縱的指導(dǎo)原理：車(chē)載操縱主機(jī)存儲(chǔ)有線(xiàn)路數(shù)據(jù)（車(chē)站、信號(hào)機(jī)、過(guò)分相等）、操縱數(shù)據(jù)（建議標(biāo)準(zhǔn)速度曲線(xiàn)、限速曲線(xiàn)、操縱提醒條件和內(nèi)容、預(yù)警條件和內(nèi)容、操縱算法等）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在機(jī)車(chē)行駛過(guò)程中能夠根據(jù)車(chē)次、交路號(hào)、車(chē)站、輛數(shù)等信息自動(dòng)匹配和調(diào)用相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

機(jī)車(chē)運(yùn)行故障、操縱不當(dāng)?shù)劝踩A(yù)警原理：車(chē)載操縱主機(jī)實(shí)時(shí)的對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行信息、參數(shù)信息、操縱信息進(jìn)行采集和判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常情況時(shí)，能夠結(jié)合各參數(shù)之間的邏輯關(guān)系、機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的提醒和預(yù)警。

平穩(wěn)操縱考核評(píng)分的原理：車(chē)載操縱主機(jī)實(shí)時(shí)的對(duì)操縱過(guò)程進(jìn)行記錄和分析，當(dāng)有不當(dāng)操縱或異常操縱發(fā)生時(shí)，能夠根據(jù)平穩(wěn)操縱的指導(dǎo)原則和規(guī)范進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，并將結(jié)果發(fā)送到管理平臺(tái)，管理平臺(tái)能夠根據(jù)不同操縱項(xiàng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)打分，并最終形成各種條件下的評(píng)分考核報(bào)表。

4 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由車(chē)載智能分析管理裝置、4G傳輸網(wǎng)絡(luò)、地面管理服務(wù)器三大部分組成。

車(chē)載智能分析管理裝置負(fù)責(zé)機(jī)車(chē)運(yùn)行參數(shù)采集、運(yùn)行狀態(tài)分析、平穩(wěn)操控指導(dǎo)、機(jī)車(chē)故障預(yù)警、4G聯(lián)網(wǎng)通信、在線(xiàn)管理功能，是機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)的核心執(zhí)行部分。內(nèi)置有ARM分析控制處理器、機(jī)車(chē)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、平穩(wěn)操縱算法、4G遠(yuǎn)程通信單元。

4G傳輸網(wǎng)絡(luò)是連接車(chē)載智能分析管理裝置和地面管理服務(wù)器的實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)，是完成集中化、在線(xiàn)管理的保證。

地面管理服務(wù)器是整個(gè)機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理的集中平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操縱自動(dòng)考核打分、各種操縱記錄報(bào)表分析、各種報(bào)警記錄報(bào)表分析、在線(xiàn)運(yùn)行管理的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

系統(tǒng)架構(gòu)和組成示意圖如圖1所示。

5 車(chē)載智能分析管理裝置硬件設(shè)計(jì)

5.1 車(chē)載裝置組成

車(chē)載智能分析管理裝置由車(chē)載操縱主機(jī)、顯示器、外圍傳感、儀表組成。顯示器和主機(jī)之間采用RS232通信，主機(jī)和TAX箱之間采用RS485通信。示意圖如圖2所示。

5.2 車(chē)載操縱主機(jī)設(shè)計(jì)

（1）車(chē)載操縱主機(jī)采用ARM微處理器作為分析控制核心，協(xié)同外圍的供電單元、4G通信單元、模擬采集單元、狀態(tài)采集單元、TAX箱采集單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、LCD通信控制單元共同完成各部分功能，車(chē)載操縱主機(jī)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

（2）ARM處理器選型與電路設(shè)計(jì)。ARM處理器采用STM32F103RCT6，主頻72MHz，程序空間256M，內(nèi)存40K，5路串口，多路DMA硬件緩存。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

（3）模擬量采集單元電路設(shè)計(jì)。模擬量采集選用外置18位的高精度AD轉(zhuǎn)換芯片MCP3421，并通過(guò)8路模擬切換開(kāi)關(guān)74HC4051實(shí)現(xiàn)7路模擬量的分時(shí)切換采集。通道0為網(wǎng)壓采集，通道1為電壓型總風(fēng)壓力傳感器采集，通道2為牽引電流采集，通道3為電池電壓校準(zhǔn)采集通道，通道5為電池組1電壓采集，通道6為電池組2電壓采集，通道7為電流型總風(fēng)壓力傳感器采集。

模擬量切換采集電路如圖5所示。

切換后的AD采集電路如圖6所示。

電池組電壓采集采用光耦繼電器AQW210S進(jìn)行通道隔離切換采集，并用隔離型線(xiàn)性光耦實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離采樣，電路如圖7所示。

電壓型和電流型總風(fēng)壓力傳感器采集分別選用0～5V和4～20mA的采樣信號(hào)范圍，供電電壓為直流15V，設(shè)計(jì)電路如圖8所示。

網(wǎng)壓采集通過(guò)采集網(wǎng)壓表的交流輸出0～100V信號(hào)實(shí)現(xiàn)，選用2～2ma的電壓互感器進(jìn)行信號(hào)隔離采樣，并進(jìn)行信號(hào)采樣、整流、濾波處理，電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

（4）存儲(chǔ)單元電路設(shè)計(jì)。存儲(chǔ)單元選用16M的flesh存儲(chǔ)器芯片W25Q16DV，spi接口，設(shè)計(jì)電路如圖10所示。

（5）主斷狀態(tài)采集電路。主動(dòng)狀態(tài)輸出信號(hào)為直流110V電壓信號(hào)，采樣光耦PC817進(jìn)行信號(hào)隔離采集，電路設(shè)計(jì)圖如圖11所示。

（6）TAX箱通信電路設(shè)計(jì)。TAX箱通信接口為RS485，選用ADM2483隔離RS485芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖12所示。

（7）LCD控制通信電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)2路串口LCD顯示屏接口，供電定壓DC15V，輸出功率5W。

LCD電源控制電路如圖13所示。

LCD串口通信電路設(shè)計(jì)如圖14所示，其中2路串口發(fā)送通道通過(guò)74HC4051進(jìn)行切換實(shí)現(xiàn)，2路串口接收通道通過(guò)74HC1G08與門(mén)進(jìn)行分時(shí)服用。

（8）4G通信電路直接選用4G通信模塊，通信接口為T(mén)TL串口，接口電路如圖15所示。

（9）供電電路選用隔離DC-DC直流110V轉(zhuǎn)15V模塊，并通過(guò)DCDC穩(wěn)壓芯片MP1482獲得3.3V電源，電路如圖16所示。

5.3 車(chē)載操縱顯示器設(shè)計(jì)

車(chē)載操縱顯示器選用7吋的1024×600的觸摸顯示屏，通信接口為串口，內(nèi)置系統(tǒng)，內(nèi)置語(yǔ)音電路，可以顯示曲線(xiàn)、文本、圖標(biāo)等多種內(nèi)容，可以遠(yuǎn)程、本地播放語(yǔ)音。

6 車(chē)載智能分析管理裝置程序設(shè)計(jì)

6.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)任務(wù)和流程圖如圖17所示。

6.2 TAX箱通信示例

void do_uart2_rx（）

{

if（ uartrx_socktx_flag[SOCK_UART2]==1 ）

{//1

no_data_flag=1；//1=接收到數(shù)據(jù)

no_data_ms=0；

if（ sock_tx_len[SOCK_UART2]>=72 ）//72

{//2

uint8 flag；

uint16 i，a；// a--其他判斷不能用

flag=0；

//------------------------------------------------------------------------

for（i=0； i<72； i++）

{//3

if（dma2_rxbuf[i]==0x38）//協(xié)議3 first part

{//4

if（sock_tx_len[SOCK_UART2]>=（i+72））

{//5

if（dma2_rxbuf[i+32]==0x39）

{//6

a=i+32；

if（check_tax_crc39（a）==1）

{

flag=1；//協(xié)議3 flag

break；

}

}//6

}//5

else break；

}//4

……

}//3

}//2

DMA_UsartrxConfig（1）；

}//1

}

6.3 4G通信處理程序示例

void do_uart1_rx（）

{

if（uartrx_socktx_flag[SOCK_UART1]==1）

{//1

if（sock_tx_len[SOCK_UART1]>4）

{//2

……

}//2

DMA_UsartrxConfig（SOCK_UART1）；//usart1-test：0-3

}//1

}

7 地面管理服務(wù)器設(shè)計(jì)

地面管理服務(wù)器采用B/S的系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，由通信服務(wù)程序、Web服務(wù)程序、mysql數(shù)據(jù)庫(kù)組成，如圖18所示。通信服務(wù)程序負(fù)責(zé)4G通信管理和數(shù)據(jù)解析，Web服務(wù)程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)處理、用戶(hù)管理等功能。

車(chē)載操縱主機(jī)和地面管理服務(wù)器之間采用基于TCP/IP的socket通信方式，地面管理服務(wù)器作為服務(wù)端server，車(chē)載操縱主機(jī)作為客戶(hù)端client，客戶(hù)端client主動(dòng)請(qǐng)求server來(lái)建立通信鏈接。

Web服務(wù)器作為服務(wù)端，用戶(hù)可以遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)WEB服務(wù)器網(wǎng)址進(jìn)行賬戶(hù)登錄，通過(guò)輸入賬號(hào)、密碼進(jìn)軟件登錄。

地面管理服務(wù)器可根據(jù)車(chē)載裝置的上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)操縱的打分考核管理，可生成平穩(wěn)操縱打分考核報(bào)表，并可分別通過(guò)日期、司機(jī)、機(jī)車(chē)牽引組合類(lèi)型、操縱類(lèi)別等條件進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表分析。

地面管理服務(wù)器可遠(yuǎn)程對(duì)車(chē)載裝置進(jìn)行語(yǔ)音、文本信息的通知和廣播。

地面管理服務(wù)器當(dāng)接收到車(chē)載裝置發(fā)來(lái)的廣播請(qǐng)求命令時(shí)，可將該廣播內(nèi)容對(duì)所管轄區(qū)域內(nèi)的所有列車(chē)進(jìn)行語(yǔ)音、文本形式的廣播。

8 試驗(yàn)及應(yīng)用分析

目前平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)已通過(guò)了列車(chē)裝車(chē)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，在使用過(guò)程中，受到了眾多司機(jī)的好評(píng)和歡迎。使司機(jī)有效避免了充風(fēng)不足開(kāi)車(chē)、累計(jì)減壓超過(guò)最大減壓量、連續(xù)減壓次數(shù)超過(guò)規(guī)定次數(shù)、帶電過(guò)分相、工況轉(zhuǎn)換間隔太短、抱閘牽引、單閥制動(dòng)、上下行轉(zhuǎn)換操作時(shí)機(jī)不當(dāng)、超速、總風(fēng)異常、開(kāi)車(chē)前未試閘、起車(chē)空轉(zhuǎn)等非正常操縱現(xiàn)象，并在特定情況下能夠及時(shí)的提醒防洪地段、走廊巡視、慢行提醒等事項(xiàng)。

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)平穩(wěn)操縱管理系統(tǒng)的多車(chē)次、多人員的試驗(yàn)和應(yīng)用，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)列車(chē)平穩(wěn)操縱起到了指導(dǎo)作用，對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行起到了重要保障，有效的減少了不當(dāng)操縱和異常情況的發(fā)生，并對(duì)列車(chē)的安全、平 穩(wěn)操縱提供了科學(xué)的管理平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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