無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步車載通信系統(tǒng)可行性分析

谷志茹 龍永紅 唐 軍

（1.湖南工業(yè)大學，湖南株洲 412007;2.中車株洲電力機車研究所，湖南株洲 412007）

由于貨運專線緊張，貨運壓力較大，所以發(fā)展重載鐵路運輸是鐵路貨運發(fā)展方向。重載鐵路運輸需要解決的一個關鍵問題是重聯(lián)同步控制，包括重聯(lián)同步和重聯(lián)控制兩個方面。而重聯(lián)同步所使用的通信方式直接決定了同步控制系統(tǒng)的性能和成本。

1 現(xiàn)有列車重聯(lián)同步系統(tǒng)通信方式分析

目前國內(nèi)已有的重載機車線路如表1所示，大秦鐵路作為我國第一條雙線電氣化重載運煤專線，全長653 km，貨遠線路地形復雜多樣，對重聯(lián)同步控制系統(tǒng)的實施帶來很多困難。目前在沿線建GSM-R基站，并配合使用400 MHz無線電臺作為無線同步數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。朔黃重載鐵路全線長662 km，對機車的重聯(lián)、調(diào)度通信等使用比較新的LTE技術，并輔以無線電臺。瓦西鐵路是橫跨晉、豫、魯3省的出海煤運通道，全長1 260 km，是世界上第一條按軸重30 t重載鐵路標準建設的鐵路。蒙西鐵路是“北煤南運”新的國家戰(zhàn)略運輸通道。

表1 中國主要重載鐵路運輸情況一覽表Tab.1 Main heavy haul freight lines in China

基于上述分析，國內(nèi)重載貨運列車已有的重聯(lián)同步控制系統(tǒng)，采用GSM-R或LTE的無線傳輸方式補充400 MHz無線電臺。400 MHz無線電臺建設年代久遠，通信技術落后，帶寬低，可靠性差，存在干擾和衰落嚴重的問題，不適合對安全性要求較高的應用場合。

GSM-R和LTE方式需建立地面基站和設計車載終端，對基礎設施的投入和維護成本較大，不利于在重載貨運線路上大面積實施。而且GSM-R和LTE作為車-地通信方式，要實現(xiàn)編組車輛間的同步控制，存在如下問題：

1）僅解決了機車間同步問題，對中間編組車輛的制動、緩解同步有改善，但并未完全解決；

2）地面網(wǎng)絡的延時及通訊盲區(qū)對系統(tǒng)有影響；

3）無法感知中間車輛的運行狀態(tài)；

4）GSM-R/LTE網(wǎng)絡及車載電臺等建設投資巨大，且目前頻率資源相當緊張，只能用在運輸專線，在既有線路實施該技術基本無可行性。

所以研究無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步控制系統(tǒng)，設計微功率車載無線通信網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)，集成Locotrol重聯(lián)同步控制模塊，實現(xiàn)無線重聯(lián)控制功能，具有實際應用價值和理論研究意義。

2 無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步車載通信系統(tǒng)方案

無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步車載通信目的是選用微功率無線通信技術，設計車載無線傳感通信網(wǎng)絡，并集成Locotrol控制模塊，實現(xiàn)無線重聯(lián)控制系統(tǒng)；目標是所設計系統(tǒng)在滿足可靠性和有效性的前提下，以最低成本和復雜度實施，在已有貨運列車上實現(xiàn)即裝即用，在功能上實現(xiàn)機車間的重聯(lián)同步控制，和中間車輛的運行狀態(tài)感知。

微功率無線重載重聯(lián)控制系統(tǒng)架構如圖1所示，由機車內(nèi)的重聯(lián)控制單元、車載通信單元（OCU）、車載中繼、無線網(wǎng)關和地面站（AN）5部分組成。主要形成如下兩個網(wǎng)絡。

圖1 微功率無線重載重聯(lián)控制系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of micro-power multiple radio control system for heavy freight trains

1）車載無線局域網(wǎng)

機車內(nèi)的重聯(lián)控制單元（RCU）、車載OCU和車載中繼組成車載微功率無線局域網(wǎng)，用來傳輸控制系統(tǒng)的重聯(lián)同步控制信號，實現(xiàn)重聯(lián)同步功能。

具體過程是：控制單元的傳感器組檢測到主控機車運行狀況改變時，控制單元按約定好的編碼規(guī)則對狀態(tài)進行編碼，并把編碼好的狀態(tài)信息發(fā)送給OCU，OCU通過車載中繼網(wǎng)絡（也可不通過中繼網(wǎng)絡）將該數(shù)據(jù)包發(fā)送到從控機車的車載通信單元。從控機車RCU收到從控機車OCU發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，生成控制指令，這些控制指令指揮從控機車與主控機車同步完成相同的操作，同時車輛的OCU單元采集車輛傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)，并送給主控機車。主控機車收到從控機車操作完成返回的數(shù)據(jù)和中間車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)后，重聯(lián)同步的一次操作完成。

2）車-地廣域網(wǎng)

機車車載OCU、中間編組車輛車載OCU、車載中繼、無線網(wǎng)關通過公網(wǎng)連接地面站，形成廣域網(wǎng)。

具體過程是：主控機車車載OCU通過裝在機車和中間編組車輛上的傳感器模塊和微功率車載通信單元，實時采集車輛的速度，車鉤縱向受力等狀態(tài)信息，通過車載無線網(wǎng)絡傳給主控機車本地監(jiān)控服務器，并通過車載中繼和網(wǎng)關單元接入公網(wǎng)，到達AN端，從而實現(xiàn)本地和遠端狀態(tài)感知和狀態(tài)監(jiān)測與告警功能。

目前無線通信技術主要有LoRa、Zigbee、RFID、BlueTooth、Wi-Fi、Wi-Max、GSM/CDMA2000,這些通信持術按特性可以分為3類：

GSM、WiMax、CDMA等：需要建立基站，傳輸距離達到10 km，頻率達到2.4 GHz,電池使用時間是幾小時，適用于寬帶移動通信等。

Wi-Fi為代表，通信距離只有100 m，頻率達到2.4 GHz，電池可使用幾小時，主要解決方向是寬帶的最后節(jié)點接入，需要公網(wǎng)支持。

Zigbee，Bluetooth等，通信距離只有50 m左右，頻率是2.4 G/868M/915 MHz，電池使用時間可達幾年，主要用于低速短距離的通信場合。

LoRa, 通信距離達到1～15 km，工作頻率是137～1 050 MHz，電池使用時間可達幾年，具有超低功耗。

由以上的無線通信技術，可得到通信距離與數(shù)據(jù)傳輸速率是相關聯(lián)的結論，要達到相對遠的通信距離，數(shù)據(jù)傳輸速率也會越高，相應的功率消耗就越大。但是 LoRa例外，由于采用了先進的線性擴頻技術及超低靈敏度接收技術，其通訊距離遠，功耗低。LoRa 非常適合于需要一定規(guī)模的組網(wǎng)、對低功耗和遠距離有強烈的要求、高安全性、可靠性的應用領域，所以本項目擬選用LoRa無線通信技術，建立重載貨運列車的微功率無線通信網(wǎng)絡，級聯(lián)控制模塊，實現(xiàn)重聯(lián)控制系統(tǒng)。

3 無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步車載通信系統(tǒng)實現(xiàn)

與semtech等芯片方案提供商和時代電氣等國內(nèi)機車控制部件供應商充分合作，集成LoRa通信技術及Locotrol分布式動力控制系統(tǒng)，應用在貨運列車重聯(lián)中，完成機車無線重聯(lián)控制功能。

微功率無線重聯(lián)控制系統(tǒng)在機車和編組車輛上的基本構成如圖2所示。通過控制接口Jc和數(shù)據(jù)接口Jd將制動控制單元與車載通信單元相連。Jc的作用一方面將制動控制單元的注冊、注銷等控制命令發(fā)送至車載通信單元；另一方面將車載通信單元的網(wǎng)絡狀態(tài)等信息返回制動控制單元。Jd的作用將控制單元的數(shù)據(jù)幀傳送給OCU，隨后車載通信單元透明轉(zhuǎn)發(fā)Jd接口的數(shù)據(jù)幀。

圖2 微功率無線重聯(lián)控制系統(tǒng)構成Fig.2 Composition of micro-power multiple radio control system

微功率無線控制系統(tǒng)實現(xiàn)如下內(nèi)容。

1）數(shù)據(jù)廣播與多播

要實現(xiàn)主控機車與從控機車的重聯(lián)同步控制功能，需要數(shù)據(jù)廣播和多播的業(yè)務支持。LoRa網(wǎng)絡可提供點對多點的數(shù)據(jù)廣播業(yè)務，并可通過地面LoRa網(wǎng)關接入地面指揮調(diào)度系統(tǒng)（如果有需求），實現(xiàn)了基于分組交換業(yè)務的點對多點數(shù)據(jù)會議功能。

2） 主控機車通信單元的數(shù)據(jù)采集功能

主控機車通信單元同時采集機車和車輛狀態(tài)信息，其主要功能有：完成主控機車及車輛間的通信；采集從控機車和車輛的狀態(tài)信息，同時并轉(zhuǎn)發(fā)給機車管理維護單元。

3）可靠性措施

貨運線線路多位于山脈或峽谷，地形復雜且多樣，對重聯(lián)制動系統(tǒng)的同步可靠性提出了嚴格要求。例如兩個長大下坡區(qū)段，組合列車需要進行循環(huán)制動。目前的可靠性措施是：車載通信單元和車載中繼均采用熱備機制，當診斷出任何故障時，要求系統(tǒng)迅速自動切換到備用單元進行工作。這種方法增加了系統(tǒng)冗余和成本，并不能根本解決問題。

4）實時狀態(tài)監(jiān)測與告警

在主控機車上設置故障診斷管理單元，實現(xiàn)對全線車載通信單元在線和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r監(jiān)測，對車輛的運行狀態(tài)實診斷，當發(fā)生異常情況時進行告警。

4 小結

結合列車重聯(lián)技術和無線通信技術的發(fā)展情況，通過將微功率無線傳輸LoRa應用于貨運列車，形成具有重聯(lián)同步功能的車載局域網(wǎng)和具有狀態(tài)監(jiān)測和告警功能的車-地廣域網(wǎng)；結合重載鐵路的設備配置和運行情況，通過合理的工程化實施安排，可以在不影響既有線路運輸?shù)那闆r下實現(xiàn)現(xiàn)有貨運列車的提質(zhì)改造。