鐵路人員上線作業(yè)流程閉環(huán)安全卡控系統(tǒng)設(shè)計

郭永紅

(神華新朔鐵路有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引言

目前，鐵路通信在我國的通信行業(yè)內(nèi)占據(jù)舉足輕重的位置。隨著鐵路線的增加，通行任務(wù)也在不斷提升，為了保證列車每天可以正常穩(wěn)定的運行，鐵路工作人員必須每天對各工區(qū)所管轄的區(qū)域進(jìn)行維護(hù)以及巡查。這是一項長期、定期，還存在重復(fù)性的工作，要將任務(wù)制作成計劃，嚴(yán)格地按照所制定的計劃內(nèi)容進(jìn)行工作，最后把工作結(jié)果進(jìn)行記錄并提交存檔。為了對其進(jìn)行系統(tǒng)化的管理，要每天對前一日的計劃進(jìn)行覆蓋，等到規(guī)定時間后，檢查記錄的所有計劃。這樣不僅可以控制鐵路工人上線作業(yè)能夠按照計劃流程進(jìn)行分階段的工作，還可以保證作業(yè)的安全[1]。

通過調(diào)查統(tǒng)計得知，一天的上線作業(yè)流程可以分成5個階段：作業(yè)前準(zhǔn)備階段、上線工作階段、正在作業(yè)階段、下線作業(yè)階段和完成作業(yè)階段。由于鐵路線上的工作環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是正在作業(yè)的階段，會存在一定程度的危險。而施工安全就是指上線作業(yè)時，為避免造成人員以及經(jīng)濟(jì)損失，消除或有效控制可能發(fā)生的危險因素，進(jìn)而采取防護(hù)措施，令作業(yè)流程可以在符合規(guī)定條件下進(jìn)行，從而保障鐵路人員的健康及安全、設(shè)施以及設(shè)備不受損壞，使施工活動可以順利執(zhí)行[2]。

為此，本文設(shè)計一種鐵路人員上線作業(yè)流程閉環(huán)安全卡控系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用PID閉環(huán)控制算法，并結(jié)合登錄模塊、故障記錄模塊、故障信息、智能搜索、卡控過程展示、信息交互以及退出模塊，使其指揮調(diào)度中心能夠時刻獲取線上工作人員的工作進(jìn)度，不會受到外界干擾的影響，保證信息交互的完整性。

1 基于閉環(huán)安全的PID控制算法研究

1.1 比例控制規(guī)律

設(shè)置P代表存在比例控制的控制器，控制信號輸出過程具體公式為

u(t)=KPe(t)

(1)

KP為比例增益，且控制器的偏差信號e(t)和輸出信號u(t)是成比例狀態(tài)的。

比例控制器在其根本上即為增益放大器，在其內(nèi)部變換信號，僅更改幅值，相位不變。提升比例增益KP效果，不僅能夠提升系統(tǒng)增益，同時，還可以降低誤差，使其控制精度變得更加精準(zhǔn)。但如果KP過大，則會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，致使系統(tǒng)的整體變得不穩(wěn)定，所以需要根據(jù)實際情況輸入合理的KP值[3]。

1.2 積分控制規(guī)律

設(shè)置I代表存在積分控制的控制器，利用I對積分的輸出u(t)以及偏差e(t)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其呈正比的關(guān)系，具體公式為

(2)

K為積分速度；Ti為i時刻時間常數(shù)。在輸出信號等于0時，偏差信號也不會變化，同時，它能夠在任意位置進(jìn)行停留[4]。

1.3 比例-積分控制規(guī)律

將比例控制與積分控制進(jìn)行結(jié)合，利用輸出信號u(t)可以準(zhǔn)確地反映出偏差輸入信號e(t)，具體公式為

(3)

該方法就是在系統(tǒng)內(nèi)添加開環(huán)極點，提升系統(tǒng)型別，改善性能，再通過對負(fù)載零點進(jìn)行提升，從而提升阻尼系數(shù)，降低系統(tǒng)可能出現(xiàn)的負(fù)面影響。

1.4 全閉環(huán)的控制分析

閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)主要由反饋通道、廣義對象以及數(shù)字位置控制器所構(gòu)成。其中，廣義對象由交流伺服系統(tǒng)、機(jī)械運動部件、脈沖發(fā)生器和零階保持器構(gòu)成。機(jī)械運動部件通過轉(zhuǎn)換電機(jī)轉(zhuǎn)角，以直線位移的狀態(tài)進(jìn)行運動，而把非線性以及傳動誤差當(dāng)成系統(tǒng)的擾動情況進(jìn)行處理，那么就能夠把此環(huán)節(jié)作為比例的環(huán)節(jié)。在交流伺服系統(tǒng)內(nèi)，它是以驅(qū)動裝置的方式存在，其轉(zhuǎn)角θ和指令脈沖F間存在積分聯(lián)系，但是以微觀的角度對其進(jìn)行觀察，要考慮到θ和F之間所存在的慣性因素。而脈沖發(fā)生器采用位置控制器發(fā)射控制信號，生成控制交流伺服的系統(tǒng)指令，所以此環(huán)節(jié)也是比例環(huán)節(jié)。設(shè)s為原點開環(huán)零點[5]，則廣義對象傳遞函數(shù)公式為

(4)

在反饋通道內(nèi)存在可逆計數(shù)、前置處理、信息傳遞和維持裝置等裝置，通過這些裝置能夠處理比較復(fù)雜的應(yīng)用。但要以實際的位置作為輸入，通過位置反饋值作為輸出，得到適當(dāng)設(shè)計的傳遞函數(shù)為Gd(S)=1。

通過對廣義對象進(jìn)行考慮，它是作為包括一積分環(huán)節(jié)的3階系統(tǒng)，為使閉環(huán)系統(tǒng)擁有快速的動態(tài)性能，要跟蹤斜坡的輸入誤差，得到具體公式為

(5)

ui為第i采樣周期輸出；ei為第i采樣周期輸入以及輸出間的跟隨誤差；KI為積分的增益系數(shù)；KD為微分的增益系數(shù)[6]。

2 上線作業(yè)流程安全卡控系統(tǒng)設(shè)計

本文通過引入PID閉環(huán)安全控制算法，將該算法與卡控系統(tǒng)相結(jié)合，能夠精確地跟蹤目標(biāo)的運動軌跡，在指揮調(diào)度中心的指導(dǎo)以及監(jiān)督下，保障鐵路人員在進(jìn)行上線作業(yè)時的高效性及安全性[7]。

2.1 卡控流程系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)資源層、用戶表示層以及卡控功能層構(gòu)成，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程體系結(jié)構(gòu)

圖1中，用戶表示層能夠為用戶提供界面，便于用戶和系統(tǒng)實現(xiàn)交流，它不僅是人機(jī)交互工具，同時也能夠為顯示進(jìn)行邏輯分析；卡控系統(tǒng)功能層是整體系統(tǒng)最重要的部分，主要包含卡控過程、系統(tǒng)登錄、故障記錄和信息交互等功能，并將其實現(xiàn)；數(shù)據(jù)資源層主要是負(fù)責(zé)添加、修改、存儲和刪除等數(shù)據(jù)操作，并提供數(shù)據(jù)的訪問通道，可為服務(wù)器提供數(shù)據(jù)支持[8]。

2.2 卡控系統(tǒng)的功能模塊分析

鐵路人員上線作業(yè)的卡控系統(tǒng)，可以分成指揮調(diào)度中心和線上工作人員。而處于不同端的不同用戶，他們的模塊管理也不同。通過對上述的功能需求進(jìn)行分析，該系統(tǒng)主要包含登錄模塊、信息交互模塊、卡控過程展示模塊、故障信息記錄模塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫工作表。

2.2.1 系統(tǒng)功能劃分

a.指揮調(diào)度中心人員模塊如圖2所示。

圖2 指揮調(diào)度中心模塊

b.鐵路線上人員工作流程模塊如圖3所示。

圖3 上線工作人員的用戶模塊

2.2.2 登錄系統(tǒng)模塊

登錄系統(tǒng)要正確地輸入用戶名及密碼，才可以登錄成功。指揮調(diào)度中心以及現(xiàn)場車間數(shù)據(jù)庫內(nèi)都能夠存儲登錄系統(tǒng)密碼與用戶名，而只有在用戶名以及密碼全部輸入正確之后，才可以登錄系統(tǒng)。具體登錄系統(tǒng)模塊[9]如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的登錄模塊

2.2.3 信息交互模塊

指揮調(diào)度中心與線上作業(yè)人員之間互相傳輸信息以及文件，就是利用信息交互模塊實現(xiàn)的，其兩端各自有一個發(fā)送窗口以及接收端口，它們之間的交互內(nèi)容包含文字、語音、視頻、圖片和文件等。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 信息交互模塊

2.2.4 卡控過程模塊

卡控模塊是該系統(tǒng)的核心，目的是實時掌控參與故障處理的上線作業(yè)的工作進(jìn)度，從而令上級對所有工作人員進(jìn)行指導(dǎo)以及提升，然后在每個需要作業(yè)的關(guān)鍵點實現(xiàn)卡控。具體如圖6所示。

圖6 卡控過程展示模塊

2.2.5 故障信息記錄模塊

系統(tǒng)的故障信息是存儲鐵路線上所發(fā)送的故障信息，包含之前和目前需要處理的信息，從而可以隨時查閱，具體包括文字語音、視頻、圖片和文件等。具體如圖7所示。

圖7 故障信息模塊

該模塊的記錄數(shù)據(jù)包括上線作業(yè)的人員、施工地點以及所在線路等。而施工內(nèi)容以及影響范圍與處理方法要在單獨窗口進(jìn)行詳細(xì)說明[10]，具體如圖8所示。

圖8 故障記錄模塊

2.2.6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫工作表

在對系統(tǒng)設(shè)計的過程中，數(shù)據(jù)庫的名稱被稱為段級機(jī)關(guān)的卡控系統(tǒng)，而客戶端數(shù)據(jù)庫的名稱被稱之為處理鐵路線上設(shè)備故障流程的卡控系統(tǒng)。在客戶端的數(shù)據(jù)庫內(nèi)涉及的表，包括用戶登錄表、清點計劃表、服務(wù)反饋表、清點表和指揮調(diào)度故障的記錄表[11]。用戶登錄表是對允許登錄人員的用戶名以及密碼進(jìn)行記錄的表。只有在輸入正確用戶名以及密碼后，才能夠登錄系統(tǒng)，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳以及卡控。以此才能夠保證卡控系統(tǒng)安全性[12]，具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 用戶登錄表

清點計劃表，是對各種具體任務(wù)進(jìn)行記錄，其中包含作業(yè)負(fù)責(zé)人、調(diào)度臺和請求時間等，具體如表2所示。

表2 線上清點計劃表

故障記錄表包括故障的處理方法、施工區(qū)域上傳至段級機(jī)關(guān)的信息以及指揮調(diào)度中心傳輸至線上的信息，具體如表3所示。

表3 故障記錄表

3 仿真實驗

為了驗證本文設(shè)計的系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中是否能夠達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，選擇某鐵路車務(wù)管轄的區(qū)域進(jìn)行實驗。令鐵路工人進(jìn)行上線工作，信息交互采用文字傳輸?shù)姆绞?，而實驗環(huán)境選擇如表4所示。

表4 實驗環(huán)境

該次實驗由5人組成：1人進(jìn)行指揮調(diào)度，4人上線作業(yè)，在4人中選擇1人作為隊長。實驗的上線作業(yè)是維修進(jìn)站信號燈，在列車進(jìn)站信號燈無法正確地明亮?xí)r，通過指揮調(diào)度下達(dá)任務(wù)，鐵路人員上線工作從而形成卡控態(tài)勢。在鐵路車務(wù)的管轄區(qū)域，存在列車的來往行駛以及一些其他工業(yè)信號的干擾等，所以本文利用人工的方式，制造外界干擾信號，然后觀察本文設(shè)計的卡控系統(tǒng)，處于時域以及頻域上的信號，是否能在受到干擾的情況下正常使用，具體如圖9所示。

通過觀察圖9能夠看出，由于人工制造的外界干擾信號較強，導(dǎo)致信息交互的時域以及頻域信號波動較大，而通過本文系統(tǒng)下輸出的卡控信號，在時域與頻域中只存在輕微波動，仍然能夠以正常的形式傳輸線上的實際作業(yè)進(jìn)度情況。這主要是因為本文引進(jìn)了PID閉環(huán)安全控制算法，將信息從鐵路工作人員設(shè)備中返回至指揮調(diào)度中心，使系統(tǒng)的輸出能夠達(dá)到預(yù)期要求。

圖9 本文設(shè)計的系統(tǒng)信息交互時的信號波動情況

4 結(jié)束語

為了保證鐵路人員在上線工作時的高效性和安全性，本文設(shè)計一種鐵路人員上線作業(yè)流程閉環(huán)安全卡控系統(tǒng)，通過將指揮調(diào)度中心模塊、線上工作流程模塊、卡控過程的展示模塊和故障信息模塊相結(jié)合，可以達(dá)到穩(wěn)定的信息交互，外界干擾對其影響較小。不過該系統(tǒng)的距離會受到一定的限制，而隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，本文方法未來要將最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與卡控系統(tǒng)進(jìn)行融合，從而擺脫因距離問題而導(dǎo)致受限的影響。