基于多模通信的貨物列車尾部安全防護(hù)系統(tǒng)研制

關(guān) 達(dá)，文 波，張宏娜

貨物列車尾部安全防護(hù)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“列尾系統(tǒng)”）取代守車已在我國(guó)鐵路運(yùn)用多年，對(duì)于保障行車安全具有重要作用，顯著提高了作業(yè)效率，節(jié)省了大量的人工費(fèi)用［1-2］。針對(duì)地方鐵路列尾系統(tǒng)采用400 MHz數(shù)字對(duì)講通信技術(shù)，在山區(qū)、隧道等弱場(chǎng)區(qū)段通信成功率較低等問(wèn)題，同時(shí)考慮鐵路沿線已具備了4G/5G網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)了基于多模通信的貨物列車尾部安全防護(hù)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“多模列尾系統(tǒng)”），由多種通信方式同時(shí)承載列尾系統(tǒng)通信，各通信模式相互補(bǔ)充，可有效提高列尾系統(tǒng)的通信成功率和可靠性［3-4］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多模列尾系統(tǒng)將400 MHz數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)與4G/5G公網(wǎng)相結(jié)合，多種通信模式同時(shí)工作。4G/5G通信模式下，由4G/5G公共網(wǎng)絡(luò)承載，通過(guò)公網(wǎng)架設(shè)監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)；400 MHz數(shù)字模式下，采用DMR（Digital Mobile Radio，數(shù)字移動(dòng)無(wú)線電）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通信方式［5］。多種通信模式共同實(shí)現(xiàn)列尾風(fēng)壓查詢、輔助排風(fēng)制動(dòng)、風(fēng)壓報(bào)警、電壓報(bào)警等信息的傳輸，任一模式通信成功即認(rèn)為列尾通信成功。

多模列尾系統(tǒng)由列尾機(jī)車臺(tái)、列尾主機(jī)、機(jī)車車號(hào)確認(rèn)儀、列尾主機(jī)檢測(cè)臺(tái)和監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器等構(gòu)成。監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器同時(shí)配套列尾信息管理系統(tǒng)，在中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí)記錄列尾主機(jī)和列尾機(jī)車臺(tái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、地理位置，幫助用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析。多模列尾系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 多模列尾系統(tǒng)構(gòu)成

硬件部分：列尾主機(jī)安裝于列車尾部，與列車主風(fēng)管連接，實(shí)時(shí)采集列車主風(fēng)管風(fēng)壓值，并反饋列車風(fēng)壓；當(dāng)列車運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)主風(fēng)管風(fēng)壓過(guò)低或設(shè)備電量不足時(shí)，立即向列尾機(jī)車臺(tái)進(jìn)行報(bào)警。列尾機(jī)車臺(tái)安裝于車頭位置，列尾機(jī)車臺(tái)配套有控制盒操作終端，通過(guò)操作控制盒按鍵，實(shí)現(xiàn)與尾部設(shè)備的一對(duì)一通信，實(shí)時(shí)獲取列車尾部風(fēng)壓值。當(dāng)列車折角塞門出現(xiàn)意外關(guān)閉時(shí)，通過(guò)排風(fēng)操作，控制列尾主機(jī)電磁閥動(dòng)作進(jìn)行輔助排風(fēng)緊急制動(dòng)。

軟件部分：監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器由頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序、列尾信息管理系統(tǒng)兩部分組成。頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序從4G/5G公網(wǎng)接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在列尾信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。列尾信息管理系統(tǒng)具有GIS地圖列尾實(shí)時(shí)追蹤、列尾實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢、列尾信息類型指令查詢分析等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 4G/5G公網(wǎng)通信策略

地方鐵路沿線覆蓋4G/5G網(wǎng)絡(luò)，具備4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信條件［6］。

4G/5G公網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，由于移動(dòng)終端設(shè)備激活網(wǎng)絡(luò)后為內(nèi)網(wǎng)IP且為動(dòng)態(tài)IP，為實(shí)現(xiàn)頭尾設(shè)備的通信，采取公網(wǎng)IP監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器中繼的方案。列尾主機(jī)與列尾機(jī)車臺(tái)向監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器發(fā)送指令數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的命令、設(shè)備ID號(hào)等進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)列尾機(jī)車臺(tái)與列尾主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

當(dāng)列尾機(jī)車臺(tái)與列尾主機(jī)之間無(wú)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互時(shí)，列尾機(jī)車臺(tái)與列尾主機(jī)分別與服務(wù)器進(jìn)行定時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)交互。當(dāng)設(shè)備與服務(wù)器狀態(tài)交互異常時(shí)，及時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)更新并與服務(wù)器重新連接，保障設(shè)備與服務(wù)器之間的實(shí)時(shí)可靠連接。4G/5G通信制式系統(tǒng)示意見(jiàn)圖2。

圖2 4G/5G通信制式系統(tǒng)示意

2.2 服務(wù)器設(shè)計(jì)

2.2.1 頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集

頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序接收列尾主機(jī)和列尾機(jī)車臺(tái)發(fā)送的位置信息上報(bào)、發(fā)送指令中轉(zhuǎn)、運(yùn)行信息上報(bào)、設(shè)備心跳上報(bào)等數(shù)據(jù)，根據(jù)上報(bào)數(shù)據(jù)的協(xié)議類型分別處理；對(duì)于位置和運(yùn)行信息上報(bào)數(shù)據(jù)，采集程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后存入列尾信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)；發(fā)送指令中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)則先進(jìn)行解析，確定中轉(zhuǎn)目標(biāo)后將數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)，再進(jìn)行詳細(xì)解析并存入列尾信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序采用C#開(kāi)發(fā)，使用Socket通信技術(shù)［7］，服務(wù)程序?qū)Χ喽嗽O(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)管理。所有設(shè)備在接入服務(wù)程序后均保持一個(gè)TCP的長(zhǎng)鏈接，形成長(zhǎng)鏈接池，實(shí)時(shí)發(fā)送心跳狀態(tài)。當(dāng)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，開(kāi)始解析目標(biāo)設(shè)備特征碼，對(duì)長(zhǎng)鏈接池進(jìn)行檢索，找到目標(biāo)設(shè)備后通過(guò)TCP長(zhǎng)鏈接將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備。在中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)操作，即對(duì)所有中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

考慮到未來(lái)列尾設(shè)備數(shù)量較多且位置分散，為保證數(shù)據(jù)一致性和性能要求，數(shù)據(jù)庫(kù)使用分布式架構(gòu)，存儲(chǔ)過(guò)程實(shí)現(xiàn)垂直分片，即將一條記錄存在多個(gè)表中，使用服務(wù)程序和存儲(chǔ)過(guò)程相結(jié)合的方法，將數(shù)據(jù)全局操作轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)單元的垂直分片表的局部操作，保證分布式事務(wù)的ACID特性。ACID特性為原子性（Atomi city）、一致性（Consistency）、隔 離 性（Isolation）、持久性（Durability）。由于垂直分片表的操作放在一個(gè)分布式事務(wù)內(nèi)，保證了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性。分布式存儲(chǔ)處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 分布式存儲(chǔ)處理流程

2.2.2 列尾信息管理

列尾信息管理系統(tǒng)具有GIS地圖實(shí)時(shí)追蹤、列尾信息指令的履歷查詢及列尾主機(jī)的運(yùn)行信息展示等功能。

GIS地圖實(shí)時(shí)追蹤功能，不僅可對(duì)列尾的位置實(shí)時(shí)追蹤，還可在圖形化界面中展示列尾告警（風(fēng)壓、電壓）并發(fā)出報(bào)警音，以幫助監(jiān)測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

以往對(duì)列尾主機(jī)和機(jī)車臺(tái)的數(shù)據(jù)分析，需要等機(jī)車到站取下設(shè)備才可進(jìn)行，而本系統(tǒng)是在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中就將數(shù)據(jù)提交到列尾信息管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和隱患，而且減除了工作人員的工作量。監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件處理流程見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件處理流程

2.3 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

列尾設(shè)備具備北斗［8］定位功能，列尾機(jī)車臺(tái)與列尾主機(jī)定時(shí)獲取北斗定位數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，通過(guò)4G/5G公網(wǎng)將位置、業(yè)務(wù)和狀態(tài)等信息上傳至監(jiān)測(cè)管理服務(wù)器。通過(guò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)做出判斷，對(duì)異常狀態(tài)發(fā)出預(yù)警，及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)判，避免重大事故的發(fā)生。

監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)平臺(tái)，可實(shí)時(shí)顯示機(jī)車運(yùn)行位置，對(duì)收到的數(shù)據(jù)依據(jù)內(nèi)置規(guī)則分為告警數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示在GIS地圖中，點(diǎn)擊GIS圖中的設(shè)備圖標(biāo)或告警圖標(biāo)可展示當(dāng)前列尾機(jī)車臺(tái)或列尾主機(jī)詳細(xì)信息。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 通信實(shí)時(shí)性

多模列尾系統(tǒng)分別通過(guò)400 MHz數(shù)字模式和4G/5G公網(wǎng)進(jìn)行通信，測(cè)試列尾機(jī)車臺(tái)發(fā)送命令到列尾主機(jī)返回應(yīng)答的時(shí)間延時(shí)，即通信實(shí)時(shí)性。測(cè)試機(jī)車臺(tái)共查詢列尾主機(jī)風(fēng)壓100次，列尾主機(jī)通過(guò)4G/5G公網(wǎng)平均返回應(yīng)答數(shù)據(jù)時(shí)間約為1 s，而通過(guò)400 MHz數(shù)字模式平均返回時(shí)間約3～4 s。說(shuō)明多模列尾系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性明顯優(yōu)于原有的400 MHz數(shù)字模式通信。

3.2 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性

多模列尾系統(tǒng)的機(jī)車臺(tái)與列尾主機(jī)連續(xù)工作48 h，未出現(xiàn)掉網(wǎng)現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信正常，且數(shù)據(jù)通信成功率為100%。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

目前包神鐵路列尾系統(tǒng)為400 MHz數(shù)字通信模式，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試在包神鐵路相關(guān)線路區(qū)段進(jìn)行，共分為二階段。

第一階段，列尾主機(jī)風(fēng)管不與機(jī)車主風(fēng)管相連，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備在實(shí)際線路的通信效果進(jìn)行驗(yàn)證，比較多模列尾系統(tǒng)與400 MHz數(shù)字模式列尾系統(tǒng)的通信成功率。2021年6月25～28日，在包神鐵路南線按照實(shí)際運(yùn)行線路情況進(jìn)行驗(yàn)證，通信數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 第一階段400 MHz數(shù)字模式及多模列尾系統(tǒng)通信成功率對(duì)照

試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)龍灣、新梁家山等山區(qū)隧道區(qū)域，共查詢列尾主機(jī)風(fēng)壓337次，其中，400 MHz數(shù)字模式查詢成功率92.6%，而多模列尾系統(tǒng)查詢成功率100%。

第二階段，列尾主機(jī)風(fēng)管與機(jī)車主風(fēng)管連接，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)包神鐵路機(jī)車乘務(wù)員的實(shí)際操控應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)備試風(fēng)操作正常，符合包神鐵路既定運(yùn)用要求，線路運(yùn)行過(guò)程正常。運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 第二階段400 MHz數(shù)字模式及多模列尾系統(tǒng)通信成功率對(duì)照

試驗(yàn)過(guò)程中共查詢列尾主機(jī)風(fēng)壓300次，其中，400 MHz數(shù)字模式查詢成功率94.3%，而多模列尾系統(tǒng)查詢成功率100%。

4 結(jié)論

1）多模列尾系統(tǒng)在包神鐵路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試效果良好，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用需求，有效提高了山區(qū)、隧道等復(fù)雜區(qū)段的通信成功率。

2）系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列尾設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高了運(yùn)輸管理效能。

3）考慮地方鐵路利用LTE-R專網(wǎng)通信的需求，本系統(tǒng)在400 MHz數(shù)字通信模式、4G/5G公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信模式的基礎(chǔ)上，增加了LTE-R專網(wǎng)通信模式。

4）多模列尾系統(tǒng)符合國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新方針政策，實(shí)現(xiàn)了新興技術(shù)同傳統(tǒng)行業(yè)的高度融合，提高了運(yùn)輸效率，更好地保障了運(yùn)輸安全，可為全國(guó)地方鐵路的推廣應(yīng)用提供參考。