基于區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制研究

國能包神鐵路集團有限責(zé)任公司設(shè)備監(jiān)測站 姜大佐

一、引言

重載鐵路具有運輸能力大、效率高、能耗低、運輸成本低等優(yōu)點，受到世界各國的關(guān)注，已被世界公認(rèn)為鐵路散貨運輸?shù)闹饕l(fā)展方向[1]。由于列車編組時間長，線路條件復(fù)雜，重載鐵路系統(tǒng)在列車運行時，運行模式經(jīng)常發(fā)生變化。駕駛員的牽引或制動操作不當(dāng)會增加對列車的縱向沖擊力，導(dǎo)致列車脫鉤，嚴(yán)重影響列車的安全運行。在世界范圍內(nèi)，貨運列車重量規(guī)范是在市場條件下滿足不斷增長的貨物運輸量和提高鐵路效率的首要任務(wù)之一[2]。重載運輸成為現(xiàn)階段鐵路發(fā)展中鐵路運輸技術(shù)進步的主要指標(biāo)之一。在運載能力、運營費用和車輛成本方面，較長和較重的列車的運營提供了顯著的好處。與此同時，貨運列車重量和長度的增加不可避免地增加了列車縱向動力額外負(fù)荷。根據(jù)車輪或軌道振動的性質(zhì)，也根據(jù)基座的動力響應(yīng)，存在具有非常高強度和短持續(xù)時間的動態(tài)沖擊載荷。高速度運行的重載輪軸列車產(chǎn)生的大循環(huán)載荷往往會導(dǎo)致軌道部件過度變形和退化。由于道路的幾何形狀，路基穩(wěn)定性的喪失不可避免地會導(dǎo)致鐵路軌道維修成本的顯著增加，在不同的國家估計每年要增加數(shù)億美元[3]。鐵路軌道的形成是一個復(fù)雜的地面工程，在自然、氣候環(huán)境和動力列車載荷的困難條件下發(fā)揮作用。這種荷載可以改變地面環(huán)境狀態(tài)，影響路基的可靠性水平，特別是在重載交通條件下，加載周期的幅值和頻率都很高。軌道在列車荷載作用下的位移程度很大程度上取決于路基土的特性，路基土特性具有多樣性，且隨時間變化有迅速變化的趨勢。鐵路路基在長期運行過程中，會受到不利的環(huán)境影響（溫度、濕度、水等）[4]。

基于區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制框架，使得不同的操作員可以在不共享數(shù)據(jù)的情況下訓(xùn)練智能駕駛模型?；趨^(qū)塊鏈的智能控制學(xué)習(xí)可以保護操作人員的數(shù)據(jù)隱私，比單一操作人員培訓(xùn)更準(zhǔn)確地培訓(xùn)智能駕駛模型。目前，在提出的分布式智能控制學(xué)習(xí)方法中，引入了一種基于支持向量機的學(xué)習(xí)智能控制模型。通過對主要類別和少數(shù)類別分配不同的懲罰因子來處理不平衡的牽引力和制動數(shù)據(jù)。引入核函數(shù)將數(shù)據(jù)集映射到高維，使其線性可分。比較多項式核函數(shù)和徑向基函數(shù)在不同場景下的性能差異。結(jié)合列車運行速度生成動態(tài)更新因子，然后對算法進行優(yōu)化，提高了對重載鐵路智能控制的數(shù)據(jù)識別能力。

本文的其余部分總結(jié)如下。在第二部分中，我們描述了基于重載線路軌道基礎(chǔ)的發(fā)展方向。第三節(jié)給出區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制影響因素分析，在第四部分，我們建立基于區(qū)塊鏈的重載鐵路智能框架。第五節(jié)給出結(jié)論。

二、重載線路軌道基礎(chǔ)的發(fā)展方向

鐵路運輸在高速、重型交通的發(fā)展方向，促使鐵路的建設(shè)和其基礎(chǔ)建設(shè)日益超載。傳統(tǒng)的鐵路軌道不能在提高軸載和列車速度的影響下提供可靠性，這就導(dǎo)致了兩個主要問題的出現(xiàn)：鐵路的上層和擾動的破壞[5]。換句話說，車軸荷載的快速增長導(dǎo)致了整個鐵路軌道結(jié)構(gòu)的永久路徑和軌道形成的更密集的磨損和撕裂。因此，在交通安全方面出現(xiàn)了額外的風(fēng)險，以及鐵路軌道維持的成本。因此，在重型軸荷載作用下，在鐵路軌道施工中出現(xiàn)的動態(tài)過程的研究是極其緊迫的。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施主要與交通和氣候影響有關(guān)。對鐵路軌道施工的動態(tài)相互作用問題進行了廣泛的研究。然而，由于重型運輸和高速運輸正在增強，對鐵路軌道運行過程中出現(xiàn)的問題需要進一步的研究。特別是長期重型列車的縱向動力學(xué)，以及軌道幾何變形的問題。單獨的工作是用于重要的鐵路表面磨損和疲勞現(xiàn)象的重要問題，這可能導(dǎo)致惡化和火車脫軌。與此同時，鐵路最重要的組成部分是軌道基礎(chǔ)。

從重型列車上大而頻繁的循環(huán)荷載導(dǎo)致了鐵路軌道的退化過程和過度變形的發(fā)生。在軌道地基層（主要是壓載層）和它們的粗糙沉降，以及從較低的土壤結(jié)構(gòu)層的粒子擴散，需要一個頻繁而昂貴的軌道維護，以確保其穩(wěn)定性。鐵路軌道的加速降解和退化是重型運輸?shù)闹饕獑栴}，需要持續(xù)的維護成本。壓載層的穩(wěn)定性是運輸過程安全的必要條件。因此，在區(qū)塊鏈的重載鐵路軌道基礎(chǔ)上發(fā)生的過程，可以有效地維護鐵路軌道的正常運行。

三、區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制影響因素

重載鐵路運輸會受到溫度、濕度、外力沖擊、過度使用等多方面的影響，需要持續(xù)維護鐵路狀態(tài)。因此，鐵路部門需要不斷提高養(yǎng)護質(zhì)量，這樣才能提高鐵路運輸?shù)男屎唾|(zhì)量。通過區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制技術(shù)，鐵路部門可以保證運行速度，這將全面提高傳統(tǒng)的檢測技術(shù)。目前，我國的線路維修是一個三級運營管理模式，包括鐵道部、鐵路局和基層站場。因此，線路的養(yǎng)護組織形式主要是由機械化工隊或道路養(yǎng)護工區(qū)負(fù)責(zé)線路的綜合養(yǎng)護工作。通過鐵路線路養(yǎng)護，可以保證軌道幾何形狀的穩(wěn)定性、舒適的運營服務(wù)和安全的運輸環(huán)境。因此，部門需要及時對鐵路線路設(shè)備進行勘察和維護，有效避免設(shè)備故障的發(fā)生。

數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確掌握軌道質(zhì)量狀況的依據(jù)，是制定維修計劃的重要依據(jù)。通過區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制，利用檢測數(shù)據(jù)建立軌道狀態(tài)分析模型，分析軌道幾何形狀的變化趨勢。通過區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制可以確定線路的關(guān)鍵路段和劣化周期。因此，重載鐵路智能控制部門需要積累各種測試數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等。通過對各種數(shù)據(jù)的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。基于區(qū)塊鏈的重載鐵路智能控制技術(shù)能夠?qū)S修數(shù)據(jù)進行深入分析。首先，日常維護數(shù)據(jù)應(yīng)由重載鐵路智能控制記錄。在日常檢驗工作中，截面驗收組對重載鐵路智能控制進行檢驗，并記錄檢驗數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)處理部門應(yīng)該對這些數(shù)據(jù)進行深入分析。通過分析問題的原因，可以根據(jù)數(shù)據(jù)制定出相應(yīng)的解決方案。同時，重載鐵路智能控制應(yīng)組織人員對出現(xiàn)問題的地點進行維修，以保證鐵路處于良好的運行狀態(tài)。第二，重載鐵路智能控制應(yīng)嚴(yán)格檢查鐵路線路。技術(shù)部門的工作人員應(yīng)定期對鐵路線路進行檢查，這也需要對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

國家鐵路的質(zhì)量需要提高，這就要求鐵路部門貫徹全面改善公共工程的理念。重載鐵路智能控制部門需要積累維護工作經(jīng)驗，可以總結(jié)日常維護工作。同時，重載鐵路智能控制的維修工作需要進行深入的改革，這就要求重載鐵路智能控制車間重新完善管理制度。因此，需要對鐵路養(yǎng)護人員進行培訓(xùn)，使其能夠整合人員。同時，可以組建鐵路道岔、焊接修理和檢驗工人隊伍，保證鐵路建設(shè)和維護的質(zhì)量。通過完善養(yǎng)護制度，可以提高我國鐵路養(yǎng)護質(zhì)量和效率。同時，員工可以提高工作積極性，保證維修工作的效果。目前，鐵路連接處是鐵路的薄弱環(huán)節(jié)之一，在接頭處鋼軌表面的不連續(xù)增加了行駛阻力可達25%[6]。因此，鐵路連接處養(yǎng)護會避免各種連接處災(zāi)害，這就需要增加線路養(yǎng)護費用的投資。在長期運行的影響下，鎮(zhèn)流器的摩擦?xí)a(chǎn)生粉末，會造成日常環(huán)境中的雜質(zhì)。因此，軌縫中經(jīng)常出現(xiàn)各種病害，如軌床硬化、凍裂失彈性、節(jié)理低、節(jié)理空掛板、動作邊誤差、軌頂高差等。同時，如果接頭不及時進行季節(jié)性的修補，接頭鋼軌間隙就不會在設(shè)計鋼軌間隙的范圍內(nèi)。曲線是維修工作中的一個薄弱環(huán)節(jié)。日常操作中對曲線的維護較少，這就會造成曲線兩側(cè)的直線部分的方向不直、不光滑、曲線頭尾彎曲等。在列車運行中，曲線的影響會使整個曲線長度變長或變短。因此，需要加強對曲線的檢測和分析，這樣才能分析軌道檢測車的幅值圖。因此，需要現(xiàn)場測量可以組織人員對曲線進行校正。需要在線路凍結(jié)和下降期間加強改造，避免過大的軌道變形，威脅線路安全。合理的曲線設(shè)置可以消除曲線部分的不平整度，可以減少車輛對軌道的不平整度磨損。因此，鐵路養(yǎng)護需要加強曲線缺陷和幾何尺寸的翻新，可以用油來降低磨損率。鐵路日常養(yǎng)護需要做好零件翻新，這樣可以調(diào)整軌距兩側(cè)軌道的坡度比和小半徑曲線的穩(wěn)定性。在日常維護中，垂直曲線容易被忽略。

四、基于區(qū)塊鏈的重載鐵路智能框架

區(qū)塊鏈?zhǔn)乾F(xiàn)代數(shù)字加密貨幣系統(tǒng)的基石。在過去的幾年中，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對區(qū)塊鏈進行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)這種先進的技術(shù)可以應(yīng)用于各個領(lǐng)域（如金融、醫(yī)療保健和資產(chǎn)注冊）的應(yīng)用。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€按時間順序排列的塊列表，其中每個塊（由其惟一的加密散列標(biāo)識）引用在它之前的塊，從而產(chǎn)生一個塊鏈。一旦創(chuàng)建了一個塊并將其添加到區(qū)塊鏈中，該塊中的事務(wù)信息就不能被更改或還原，這確保了系統(tǒng)的完整性。使用區(qū)塊鏈來存儲、傳輸和共享機器學(xué)習(xí)模型。

區(qū)塊鏈中一個非常關(guān)鍵的技術(shù)是智能合約，智能合約是一組以數(shù)字形式定義的承諾。包括合約參與者可以履行這些承諾的協(xié)議。在重載軌道系統(tǒng)中，用智能控制代替手動控制是十分可取的。為了實現(xiàn)列車的安全高效控制，各國學(xué)者對相關(guān)理論和應(yīng)用進行了不同領(lǐng)域的研究。傳統(tǒng)的列車控制算法主要包括比例積分導(dǎo)數(shù)（PID）經(jīng)典控制理論、模糊控制和機器學(xué)習(xí)[7]。PID控制算法通過計算列車運行的各種工況來控制列車運行，使用開環(huán)控制器來確定前后機車之間的功率分配，并與閉環(huán)控制器跟蹤目標(biāo)曲線。實現(xiàn)曲線跟蹤以最小化由斜率等干擾引起的耦合器力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)隱藏規(guī)則，從而達到預(yù)測的目的?；诹熊噷诱練v史數(shù)據(jù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)貨運列車對接智能控制的方法，將線性模型、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理系統(tǒng)相結(jié)合，對城市軌道交通列車的停車誤差進行估計，并對停車誤差進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整。強化學(xué)習(xí)作為馬爾科夫決策過程的一種變體，也表現(xiàn)出了令人滿意的訓(xùn)練控制特性。根據(jù)基于通信的列車控制通信系統(tǒng)的信道特性和列車實時位置信息，采用深度強化學(xué)習(xí)聯(lián)合優(yōu)化通信性能和列車控制策略。應(yīng)答器定位信息將列車控制建模為多階段決策過程，以停車誤差的倒數(shù)作為獎勵值，并引入強化學(xué)習(xí)求解最大獎勵函數(shù)。運用馬爾科夫決策過程對城市軌道交通司機的駕駛行為進行建模，通過多個指標(biāo)構(gòu)建返回函數(shù)，并運用算法進行求解，實現(xiàn)在線列車控制。

重載列車的牽引和制動系統(tǒng)是典型的非線性時變系統(tǒng)，難以用控制等精確的數(shù)學(xué)模型來描述。機器學(xué)習(xí)算法在農(nóng)業(yè)、生物信息學(xué)、無線通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的機器學(xué)習(xí)算法模型具有較強的自適應(yīng)性和非線性處理能力，但存在收斂速度慢、局部解最優(yōu)、容易過擬合等缺點。進行機器學(xué)習(xí)的一個簡單方法是首先收集并存儲數(shù)據(jù)在一個中央服務(wù)器上，然后一起處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的基于機器學(xué)習(xí)的智能控制方法存在數(shù)據(jù)不足的問題?？紤]到數(shù)據(jù)的隱私和安全性，來自不同鐵路線路或運營商的數(shù)據(jù)不能直接共享。運營商之間的數(shù)據(jù)障礙嚴(yán)重阻礙了智能軌道交通的發(fā)展。數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)安全之間似乎存在著不協(xié)調(diào)的矛盾。如何在不暴露隱私的情況下連接數(shù)據(jù)碎片孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和模型共建，是亟待解決的問題。

五、結(jié)論

在本文中，基于區(qū)塊鏈進行研究重載列車智能控制，分析最優(yōu)智能控制框架對區(qū)間運行數(shù)據(jù)進行預(yù)測。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，我們可以提高對數(shù)據(jù)的深入分析，從而可以更科學(xué)的發(fā)現(xiàn)各種維護之間的關(guān)系。通過不斷改進，保證了線路的安全運行，保證重載鐵路運行的安全。