全自動(dòng)城軌列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙婧文

摘 要：為減輕列車調(diào)度人員工作壓力，使其通過對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與信息的實(shí)時(shí)獲取在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)度管理，結(jié)合全自動(dòng)無人駕駛列車系統(tǒng)特點(diǎn)及其對(duì)列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理的特殊要求設(shè)計(jì)城軌列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)列車機(jī)載終端與監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心展開研究，車載終端在采集列車信號(hào)數(shù)據(jù)后將其經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心，監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心將接收的信息呈獻(xiàn)給調(diào)度人員，讓其對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)實(shí)時(shí)與清楚的了解，并據(jù)此開展調(diào)度管理工作。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng);城軌列車;狀態(tài)監(jiān)控;調(diào)度管理

中圖分類號(hào)：U260.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0193-04

Design of Fully Automatic Urban Rail Train Condition Monitoring and Dispatching Management System

Zhao Jingwen

（School of Rail Transportation， Shaanxi College of Communication Technology， Xi an? 710018， China）

Abstract：In order to reduce train scheduling personnel work stress， and help them make an usefull dispatching management within a short time by getting real-time monitor data and information， the paper designs a full-automatic urban rail train condition monitoring and dispatching management system， which is combined with systems characteristic and its special requirements to train condition monitoring and dispatching management. It makes a detailed study on train vehicle terminal and monitoring dispatching centre. After collecting train signal data， the vehicle-mounted terminal sends it to the monitoring and dispatching service center via the GPRS network， and the monitoring and dispatching service center presents the received information to the dispatchers， so that they can have a real-time and clear understanding of the train operation status， and carry out the dispatching management work efficiently.

Key words：full-automatic; urban rail train; condition monitoring; dispatching management

近年來，信息、通信與自動(dòng)控制等技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展之勢(shì)，各項(xiàng)技術(shù)亦在城軌列車中得到了廣泛的應(yīng)用，極大地推動(dòng)著城軌列車智能化、自動(dòng)化以及信息化程度與水平的提升，搭載全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)的城軌列車應(yīng)運(yùn)而生，它是城市軌道交通的重要發(fā)展方向之一。在全自動(dòng)城軌列車監(jiān)控與調(diào)度的過程中，列車運(yùn)營(yíng)組織作業(yè)完成于全自動(dòng)列車運(yùn)管系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理下，含列車喚醒、出庫(kù)、正線運(yùn)營(yíng)、終點(diǎn)自動(dòng)清客、下線回庫(kù)、自動(dòng)洗車及休眠待命等。監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心調(diào)度員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，一旦有異常狀況發(fā)生及時(shí)采取干預(yù)處理措施，做到對(duì)列車運(yùn)行的透明指揮、實(shí)時(shí)調(diào)整與集中控制。運(yùn)行全自動(dòng)系統(tǒng)后，先前司機(jī)或車站值班員負(fù)責(zé)的工作會(huì)逐漸向監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心調(diào)度員轉(zhuǎn)移[1]，若調(diào)度員不能獲取實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與信息，則無法在短時(shí)間內(nèi)針對(duì)列車運(yùn)行情況與相關(guān)設(shè)備的異常情況進(jìn)行處理，這可能會(huì)對(duì)整個(gè)全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。所以，全自動(dòng)城軌列車運(yùn)行系統(tǒng)中的狀態(tài)監(jiān)控及調(diào)度管理十分重要，文章以此為視角就系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)研究。

1 全自動(dòng)化無人駕駛對(duì)列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管 理系統(tǒng)的特殊要求

1.1 全自動(dòng)無人駕駛列車系統(tǒng)的特點(diǎn)

全自動(dòng)無人駕駛最突出的特點(diǎn)在于監(jiān)控與管理系統(tǒng)的操縱完全以信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送的指令信息為依據(jù)。相較于有人駕駛而言，全自動(dòng)無人駕駛將駕駛員從繁重的駕駛作業(yè)中解放出現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)集智能化、安全性以及可靠性等功能于一體的目標(biāo)[2]，同時(shí)，有效地減輕由于人工操作不當(dāng)而造成的負(fù)面影響，不僅可以在較大程度上地提高列車的行駛準(zhǔn)確率與效率，還有利于人為誤操作率的降低，此外，列車的加速與減速也能夠得到更加及時(shí)與精準(zhǔn)的控制，使列車保持在一個(gè)穩(wěn)定性與安全性更高的速度上運(yùn)行，發(fā)揮更好的應(yīng)急作用[3]。

1.2 對(duì)列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理的特殊要求

（1）全自動(dòng)城軌列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)配置可靠性高、容量大，具備實(shí)時(shí)傳輸功能的信號(hào)與通信系統(tǒng)，確保監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心同運(yùn)行列車間可雙向傳輸數(shù)據(jù)、圖像等信息。

（2）系統(tǒng)應(yīng)具備快速、準(zhǔn)確、安全的信號(hào)數(shù)據(jù)分析能力與完善的監(jiān)控功能，整合密切相關(guān)于列車的所有信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)正線、車輛段、停車場(chǎng)全線路全部專業(yè)系統(tǒng)的全自動(dòng)監(jiān)控[4]，為列車運(yùn)行狀態(tài)的分析判斷及遠(yuǎn)程調(diào)度管理提供便利。

（3）系統(tǒng)應(yīng)在使用上便于調(diào)度人員安全、高效地完成任務(wù)，優(yōu)化監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心各調(diào)度工作的設(shè)置，保證調(diào)度人員同系統(tǒng)之間的人機(jī)交互質(zhì)量以及調(diào)度人員同各類工作人員之間以系統(tǒng)設(shè)備為基礎(chǔ)的協(xié)同配合質(zhì)量[5]。

2 列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)歸屬于列車信號(hào)系統(tǒng)的范疇，主要包括3大模塊，分別為車載終端、通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心。在這3個(gè)主要模塊中，車載終端的功能體現(xiàn)為對(duì)列車信號(hào)設(shè)備、軌道電路信號(hào)以及列車安全等各種信息的檢測(cè)數(shù)據(jù)及GPS信號(hào)等進(jìn)行采集，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)信息發(fā)送至監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心。在接收到車載終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息后，監(jiān)控調(diào)度信息對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)提供列車信號(hào)狀態(tài)，并根據(jù)信息做出相應(yīng)調(diào)度，包括行調(diào)、電調(diào)、車輛調(diào)度等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)工作原理

車載終端的主要功能為采集與發(fā)送數(shù)據(jù)，所有的移動(dòng)列車均進(jìn)行車載終端的配置。GPS信號(hào)接收機(jī)接收定位衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，車載終端主機(jī)對(duì)接收到的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用自定義通信協(xié)議格式將處理之后的數(shù)據(jù)信息表示出來，同時(shí)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊的支持下將全部的數(shù)據(jù)向監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心發(fā)送。

監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心對(duì)服務(wù)器/客戶端框架模式予以采用，在服務(wù)器與車載終端之間，兩者基于GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支持建立起相應(yīng)的連接，服務(wù)器的功能在于分析與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等，并將其向客戶端發(fā)送。客戶端同調(diào)度人員進(jìn)行人機(jī)交互，為調(diào)度人員調(diào)度工作的開展提供便利。監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心將所接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，處理GPS數(shù)據(jù)，同客戶端電子地圖相匹配，使調(diào)度人員通過對(duì)地圖上列車運(yùn)行狀態(tài)的查看實(shí)時(shí)、清楚地了解列車位置信息。此外，監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心調(diào)度人員還可通過客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)信息的訪問與查看，含列車信息、調(diào)度員信息、調(diào)度信息以及歷史數(shù)據(jù)等。

3 車載監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前文，車載終端主要完成的是數(shù)據(jù)采集任務(wù)，含列車信號(hào)數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送。

3.1 處理器軟件流程

GPRS模塊初始化主要是設(shè)置波特率等通信參數(shù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)、SIM等的準(zhǔn)備完備度進(jìn)行檢查。對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的初始化處理之后，通過AT命令建立起與GPRS網(wǎng)絡(luò)通信物理層之間的聯(lián)系，之后，完成GPRS網(wǎng)絡(luò)的附著、分組數(shù)據(jù)協(xié)議PDP的激活以及數(shù)據(jù)鏈路的建立等各項(xiàng)相關(guān)任務(wù)，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步與監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心建立起相互之間的連接，為后期需要執(zhí)行的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。待上述各項(xiàng)操作全部完成之后，處理器會(huì)將GPS模塊開啟，經(jīng)GPS模塊初始化開啟數(shù)據(jù)采集任務(wù)。處理器軟件流程如圖2所示。

在R485接口的支持下，處理器能夠獲取采集到的列車信號(hào)數(shù)據(jù)信息，之后，將它們保存到緩存區(qū)，并進(jìn)一步獲取GPS定位信息。出于對(duì)GPS數(shù)據(jù)格式遵循的是NMEA0813協(xié)議這一實(shí)際情況的考慮，處理器會(huì)先將GPS信息放入緩沖區(qū)，然后參照NMEA0813規(guī)范執(zhí)行對(duì)這些數(shù)據(jù)信息的解析處理任務(wù)，掌握列車行駛中的精度、緯度及速度等信息，并最終將它們放入全局緩沖區(qū)。自此，可根據(jù)通訊協(xié)議將列車信號(hào)數(shù)據(jù)及GPS信息生成報(bào)文，放入GPRS發(fā)送緩存中，這時(shí)GPRS便可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2 GPS數(shù)據(jù)采集流程

GPS報(bào)文包括列車行駛過程中所處的經(jīng)度、緯度、高度、速度、時(shí)間、日期以及航向，消息類型一共6種[6-7]，此處列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)終端所需信息主要包括時(shí)間、位置與速度數(shù)據(jù)信息，僅需對(duì)最小定位語句信息進(jìn)行提取便可實(shí)現(xiàn)對(duì)車載終端需求的有效滿足。對(duì)此，進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的設(shè)置，執(zhí)行對(duì)接收到的全部GPS數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)任務(wù)，若緩沖區(qū)已滿，則先就GPS數(shù)據(jù)的完整性做出判斷，如果不完整，則將緩沖區(qū)清空重新接收，如果完整，則進(jìn)行最小定位語句信息的查找，未找到，則將緩沖區(qū)清空重新接收，找到，則提取此語句，并向全局緩沖區(qū)發(fā)送。GPS數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

3.3 GPRS通信流程

GPRS模塊將采集到的信號(hào)經(jīng)GPRS發(fā)送至監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心。為保證大數(shù)據(jù)量傳輸以及網(wǎng)絡(luò)連接的長(zhǎng)時(shí)間保持，盡可能降低掉線率，選用Sony Ericsson公司的GR47模塊，GPRS數(shù)據(jù)傳輸是其核心功能。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂浦饕瑪?shù)據(jù)賬戶建立、PDP環(huán)境激活、連接TCP或UDP等[8-9]。在GR47模塊內(nèi)部建立數(shù)據(jù)賬戶并將所接入的服務(wù)商名稱確定后，TCP/IP連接才可建立起來，此過程中，數(shù)據(jù)賬戶建立通過“AT+CGDCONT”指令實(shí)現(xiàn)，之后，通過“AT*E2IPA”指令又可獲取IP地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)PDP環(huán)境的激活，繼而，GR47模塊便能同服務(wù)器建立起通信連接。

進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，數(shù)據(jù)傳輸速率僅相關(guān)于串口的速率及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在這一狀態(tài)下，模塊與服務(wù)器基于UART1建立連接，不會(huì)再就其他數(shù)據(jù)與端口做出響應(yīng)。GPRS通信流程如圖4所示。

4 監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心是列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)將機(jī)載終端的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端的調(diào)度人員，同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度人員的操作信息給對(duì)應(yīng)的服務(wù)模塊，并完成服務(wù)模塊之間的信息調(diào)度。

4.1 監(jiān)控調(diào)度設(shè)計(jì)

監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心根據(jù)監(jiān)控調(diào)度配置規(guī)則，結(jié)合監(jiān)控信息來源與類型將信息轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度人員，由調(diào)度人員進(jìn)行相應(yīng)的信息處理。該中心進(jìn)行CUser、CDllIntf、CDispatchManager3個(gè)類的設(shè)計(jì)，其中，CUser類與CDllIntf類之間存在聚合關(guān)系，前者負(fù)責(zé)整體監(jiān)控與調(diào)度管理，后者負(fù)責(zé)同具體的服務(wù)動(dòng)態(tài)庫(kù)接口;CDispatchManager是監(jiān)控調(diào)度管理的核心類，負(fù)責(zé)根據(jù)監(jiān)控調(diào)度規(guī)則執(zhí)行調(diào)度工作。

在接收到機(jī)載終端發(fā)送的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息后，監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心CDispatchManager類首先從消息隊(duì)列處獲取轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)配置規(guī)則的存在與否進(jìn)行判斷，如果結(jié)果為無，則按照默認(rèn)的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)，如果結(jié)果為有，則根據(jù)類型與來源獲取轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度員的鏈表，由調(diào)度員發(fā)送調(diào)度信息。

4.2 監(jiān)控調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)了列車各類狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及調(diào)度員的調(diào)度管理，將不同線程之間信息的轉(zhuǎn)發(fā)、傳遞以及管理作為主要內(nèi)容。該模塊對(duì)Windows系統(tǒng)所具有的事件驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行充分有效的應(yīng)用，線程與線程之間的通信借助消息完成對(duì)信息的傳遞。對(duì)消息進(jìn)行定義的格式表示如下：

#define WM_DISPATCH_PROC WM USER+201

另外，消息映射函數(shù)為：

ON_THREAD_MESSAGE（WM_DISPATCH_PROC，OnDipatchProc）

5 結(jié)語

在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)等迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，城市軌道交通列車有望實(shí)現(xiàn)對(duì)以往人力駕駛方式的完全取代，通過無人駕駛的方式，將先前司機(jī)或車站值班員負(fù)責(zé)的工作轉(zhuǎn)移給監(jiān)控調(diào)度服務(wù)中心調(diào)度人員，達(dá)到行車監(jiān)控與指揮的全自動(dòng)化目的。與列車運(yùn)行速度的加快、密度的增加、追蹤間隔的縮小等相伴隨，確保列車安全與正點(diǎn)始終是運(yùn)輸組織與列車調(diào)度人員的重點(diǎn)研究課題，文章設(shè)計(jì)的全自動(dòng)城軌列車狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)可減輕調(diào)度人員工作壓力，保證行車指揮業(yè)務(wù)便捷性與連續(xù)性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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