黃驊港站智能試風(fēng)作業(yè)技術(shù)研究

王雨晴，王宏嘉

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081）

黃驊港站是朔黃鐵路的終點(diǎn)，作為鐵水聯(lián)運(yùn)的銜接處，現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模較大，一共包含2 個(gè)作業(yè)區(qū)，總計(jì)6 個(gè)站場(chǎng)和13 個(gè)翻車機(jī)房，這造就了黃驊港站現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)流程繁瑣的情況。黃驊港站在擁有眾多作業(yè)崗位的同時(shí)，要求在崗人員具備高標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作能力，保證機(jī)車摘掛、取送、試風(fēng)、對(duì)位、翻卸和編組等各項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的有效進(jìn)行。

黃驊港站作業(yè)組織復(fù)雜多樣，但現(xiàn)場(chǎng)智能化落后，對(duì)于依靠人工操作的試風(fēng)技術(shù)作業(yè)，由于場(chǎng)內(nèi)作業(yè)人員有限，導(dǎo)致試風(fēng)環(huán)節(jié)緊張，影響其他列車后續(xù)任務(wù)，不僅降低了站內(nèi)作業(yè)效率，還存在部分安全隱患。針對(duì)黃驊港站試風(fēng)作業(yè)情況，采用智能試風(fēng)裝置進(jìn)行列車尾部風(fēng)壓的自動(dòng)采集，并通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)將風(fēng)壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿緳C(jī)手持終端上，在解決車站現(xiàn)有作業(yè)難題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)試風(fēng)作業(yè)的智能化、自動(dòng)化和高效化。

1 黃驊港站試風(fēng)作業(yè)現(xiàn)狀

由于列車載重量大、運(yùn)行速度較快，列車能否及時(shí)地停穩(wěn)或減速十分重要，所以列車在啟動(dòng)前，必須進(jìn)行試風(fēng)操作。試風(fēng)作業(yè)就是檢查列車空氣制動(dòng)性能的試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)該性能是否良好，判斷列車是否具備運(yùn)行的條件，是保證行車安全的重要檢查內(nèi)容之一。根據(jù)黃驊港站的車站細(xì)則和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)形式，凡是在站內(nèi)股道停留20 min 以上的列車，在啟動(dòng)前必須進(jìn)行試風(fēng)作業(yè)，并采用列尾試風(fēng)人員向司機(jī)播報(bào)的形式說(shuō)明試風(fēng)是否良好。黃驊港站按照現(xiàn)有試風(fēng)模式雖然可以檢查當(dāng)前列車剎車系統(tǒng)狀況，但是仍存在部分問(wèn)題需要解決。

1.1 列車等待作業(yè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

黃驊港站的試風(fēng)作業(yè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)眾多，一般在港前作業(yè)區(qū)、I 場(chǎng)和III 場(chǎng)股道、翻前翻后及清煤線處進(jìn)行。在列車無(wú)故障的前提下，試風(fēng)作業(yè)一般持續(xù)10~30 min，且每次作業(yè)必須有現(xiàn)場(chǎng)人員參與，由于每場(chǎng)每班只配備1~2 名試風(fēng)人員，導(dǎo)致同一時(shí)間段只能進(jìn)行一股道的試風(fēng)作業(yè)；若列車存在故障，試風(fēng)作業(yè)沒(méi)有達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求，則需要試風(fēng)人員核對(duì)每一處車廂連接點(diǎn)的狀況，直至試風(fēng)良好。由于現(xiàn)場(chǎng)人員的限制和作業(yè)情況的不確定性，經(jīng)常出現(xiàn)列車待命時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、站內(nèi)股道堵塞的現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)列車作業(yè)計(jì)劃無(wú)法按時(shí)進(jìn)行，作業(yè)執(zhí)行效率較低，嚴(yán)重影響了車站運(yùn)輸生產(chǎn)指標(biāo)的完成。

1.2 現(xiàn)有試風(fēng)作業(yè)模式存在安全隱患

由于列車每節(jié)車廂的風(fēng)管都是相互貫通的，因此在試風(fēng)過(guò)程中，待司機(jī)操作制動(dòng)閥向各車廂充氣后，試風(fēng)人員只需要現(xiàn)場(chǎng)排查最后一節(jié)車廂的氣壓泵活塞的動(dòng)作情況，依據(jù)氣壓泵活塞是否持續(xù)處于伸出和縮回的狀態(tài)，判斷試風(fēng)作業(yè)是否達(dá)到要求，并用站內(nèi)手持臺(tái)實(shí)時(shí)向司機(jī)匯報(bào)相關(guān)作業(yè)情況。由于氣壓泵活塞的動(dòng)作變化只能說(shuō)明氣壓從列車頭部貫穿到達(dá)列車尾部，并不能直觀地說(shuō)明作業(yè)已經(jīng)達(dá)到預(yù)期要求，且試風(fēng)環(huán)節(jié)主觀意識(shí)性太強(qiáng)，缺少數(shù)據(jù)依據(jù)，無(wú)法客觀實(shí)際地評(píng)判列車在升壓、保壓、降壓過(guò)程中的風(fēng)壓變化和列車整體狀態(tài)，致使站內(nèi)試風(fēng)作業(yè)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，可靠性不高。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)人員配合程度較差

部分試風(fēng)人員業(yè)務(wù)能力不強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)配合程度不高，一旦現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)強(qiáng)度加大就會(huì)出現(xiàn)抵觸情緒，且遇到較差的天氣情況，試風(fēng)人員不愿意出勤，此時(shí)只能由司機(jī)通過(guò)判斷制動(dòng)顯示屏上的電空制動(dòng)流量計(jì)或者列車管壓力的大小自主完成試風(fēng)。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的配合程度與作業(yè)執(zhí)行效率和安全風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生緊密聯(lián)系，呈正相關(guān)性。

2 黃驊港站智能試風(fēng)技術(shù)研究

2.1 智能試風(fēng)技術(shù)總體框架

智能試風(fēng)技術(shù)采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算、自動(dòng)匯聚傳輸?shù)燃夹g(shù)手段，及時(shí)解決了黃驊港站試風(fēng)作業(yè)中存在的低質(zhì)、低效問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化了作業(yè)組織形式，減少車站調(diào)度指揮工作者的工作量，提高了車站的運(yùn)輸生產(chǎn)能力，達(dá)到了減員增效的實(shí)質(zhì)性目標(biāo)。這項(xiàng)研究不僅涉及軟硬件的結(jié)合，還與車站機(jī)務(wù)、車務(wù)及列尾作業(yè)室的業(yè)務(wù)板塊相互滲透，并以車站內(nèi)部局域網(wǎng)為傳輸通道，形成了一套基于5G 網(wǎng)絡(luò)的智能化試風(fēng)作業(yè)流程。智能試風(fēng)技術(shù)擬在黃驊港站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用，以此驗(yàn)證研究的可靠性、高效性和實(shí)用性，打造黃驊港車站的智能化試風(fēng)作業(yè)體系。該體系所包含的內(nèi)容彼此關(guān)聯(lián)、互相牽連，其總體框架如圖1 所示。

圖1 總體框架

2.2 作業(yè)自動(dòng)采集技術(shù)

2.2.1 內(nèi)部數(shù)據(jù)采集處理

列車尾部固定智能試風(fēng)裝置，裝置的接風(fēng)管口與列車尾部風(fēng)管進(jìn)行硬件連接，當(dāng)試風(fēng)裝置開(kāi)機(jī)后，風(fēng)壓處理模塊的壓力傳感器會(huì)時(shí)刻感知列尾風(fēng)壓變化，電池包則實(shí)時(shí)判斷裝置電量，這2 種數(shù)據(jù)形成兩類數(shù)據(jù)鏈路，然后顯示在裝置顯示屏上，同時(shí)利用5G 天線對(duì)外發(fā)送信息。智能試風(fēng)裝置內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理模塊分為風(fēng)壓處理模塊、電量處理模塊和5G 模塊，其內(nèi)部原理圖如圖2 所示。

圖2 智能試風(fēng)裝置內(nèi)部原理圖

1）風(fēng)壓處理模塊。包含風(fēng)壓采樣板、A/D 轉(zhuǎn)換器2部分。風(fēng)壓采樣板將采集到的風(fēng)壓通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化，將得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后供風(fēng)壓顯示屏顯示，同時(shí)采用RS485 標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)壓信息傳遞到5G 模塊。風(fēng)壓顯示的數(shù)據(jù)以“KPa”為單位，且根據(jù)車站要求精確到1 KPa。

2）電量處理模塊。包含電量采樣板、A/D 轉(zhuǎn)換器2部分。由于電池電量不斷跳動(dòng)，呈非線性變化，所以在利用采樣板和轉(zhuǎn)化器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，需要對(duì)電量數(shù)值進(jìn)行線性優(yōu)化，確保電量顯示屏的數(shù)據(jù)呈規(guī)律性增長(zhǎng)或減小，優(yōu)化后也采用RS485 標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)傳送至5G模塊。此外，該模塊還具備低電報(bào)警功能，當(dāng)電量小于或等于20%時(shí)，裝置處理器蜂鳴報(bào)警，同時(shí)閃爍顯示屏進(jìn)行提示。

3）5G 模塊。包含協(xié)議轉(zhuǎn)換器、信號(hào)發(fā)射器2 部分。該模塊接收風(fēng)壓和電量2 路RS485 數(shù)據(jù)信息，通過(guò)內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)換器將RS485 轉(zhuǎn)換成TCP/IP 協(xié)議，經(jīng)信號(hào)發(fā)射器對(duì)5G 天線發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能試風(fēng)裝置內(nèi)部從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)倪^(guò)程。

2.2.2 采集數(shù)據(jù)的驗(yàn)證分析

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)試風(fēng)作業(yè)要求，需要對(duì)智能試風(fēng)裝置進(jìn)行風(fēng)壓數(shù)據(jù)的誤差校核，利用車站列尾作業(yè)室的列尾主機(jī)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，要求風(fēng)壓顯示屏的誤差在“5 KPa”以內(nèi)，由于列車在站內(nèi)行駛或試風(fēng)環(huán)節(jié)中的風(fēng)壓值最高可以達(dá)到600 KPa，故選取400、500、600 KPa 3 個(gè)數(shù)值點(diǎn)分別對(duì)試風(fēng)裝置進(jìn)行維持2 min 的保壓測(cè)試試驗(yàn)。智能試風(fēng)裝置依靠列尾主機(jī)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行充風(fēng)，達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)后，計(jì)時(shí)觀察2 min 內(nèi)的風(fēng)壓數(shù)值變化，列尾主機(jī)測(cè)試臺(tái)和智能試風(fēng)裝置的風(fēng)壓對(duì)比如圖3所示。從圖3 中可以看出，兩者誤差范圍為“2 KPa”，符合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以為作業(yè)人員提供安全、合理、高效的數(shù)據(jù)支撐。

圖3 風(fēng)壓數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.3 作業(yè)數(shù)據(jù)自動(dòng)匯聚

2.3.1 基于5G 信號(hào)的數(shù)據(jù)交互

每臺(tái)智能試風(fēng)裝置配備專用的SIM 卡，由裝置天線對(duì)外發(fā)送信號(hào)后，基于TCP/IP 通信協(xié)議和5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。為了保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃矫苄院桶踩?，信?hào)通過(guò)車站專用局域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，經(jīng)網(wǎng)轉(zhuǎn)串模塊將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串口信息后，由有線串口傳送至接口服務(wù)器內(nèi)，在確保數(shù)據(jù)可靠性的同時(shí)，供后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和計(jì)算，其網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程

數(shù)據(jù)交互采用一對(duì)多的方式進(jìn)行，為網(wǎng)轉(zhuǎn)串模塊和智能試風(fēng)裝置分配唯一且固定的IP 地址，設(shè)置網(wǎng)轉(zhuǎn)串模塊為服務(wù)端，試風(fēng)裝置為客戶端。當(dāng)智能試風(fēng)裝置開(kāi)機(jī)后，自動(dòng)向服務(wù)端發(fā)送開(kāi)機(jī)指令信息，服務(wù)端接收指令后作出響應(yīng)，同時(shí)兩者自動(dòng)建立數(shù)據(jù)連接；根據(jù)接口服務(wù)器的指示，服務(wù)端可以依次向多個(gè)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令進(jìn)行查詢工作，與其對(duì)應(yīng)的客戶端做出動(dòng)作，反饋所需要的數(shù)據(jù)信息，以此實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的數(shù)據(jù)交互過(guò)程。

2.3.2 數(shù)據(jù)的計(jì)算與寫實(shí)

接口服務(wù)器與網(wǎng)轉(zhuǎn)串模塊之間采用Modbus 協(xié)議進(jìn)行串口通信，該協(xié)議使通信幀格式簡(jiǎn)單緊湊、通俗易懂。當(dāng)接口服務(wù)器接收到智能試風(fēng)裝置返回的數(shù)據(jù)幀后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析計(jì)算，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，實(shí)時(shí)為司機(jī)手持終端提供后備數(shù)據(jù)支持。

串口數(shù)據(jù)基于十六進(jìn)制形式傳輸，多條命令交替查詢、交替返回，以風(fēng)壓數(shù)據(jù)通信幀為例，其風(fēng)壓查詢幀格式見(jiàn)表1，風(fēng)壓返回幀格式見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)的通信方式為一條查詢幀對(duì)應(yīng)一條返回幀，查詢幀由接口服務(wù)器組包輸出，返回幀中寄存著服務(wù)器所需要的數(shù)據(jù)信息，幀格式的含義如下。①地址碼：設(shè)備地址，即試風(fēng)裝置的設(shè)備號(hào)。例如查詢1 號(hào)設(shè)備的地址為0x01，2 號(hào)設(shè)備的地址就為0x02。②功能碼：讀取指令符。讀保持寄存器指令0x03，用03 指令讀取寄存器地址為1 的寄存器風(fēng)壓值數(shù)據(jù)。③寄存器起始地址和寄存器數(shù)量：寄存器起始地址默認(rèn)為0x0001，總共包含2 個(gè)寄存器。④寄存器值風(fēng)壓數(shù)據(jù)：雙字節(jié)位，存儲(chǔ)列車尾部的風(fēng)壓采樣數(shù)值，是返回幀中實(shí)際所需要的信息。⑤CRC 校驗(yàn)位：16 位CRC碼校驗(yàn)生成，檢驗(yàn)幀格式的正確性，確保傳輸無(wú)誤。

表1 風(fēng)壓查詢幀格式

表2 風(fēng)壓返回幀格式

通信幀根據(jù)地址碼實(shí)現(xiàn)查詢和返回的自動(dòng)匹配，表中說(shuō)明地址碼為0x01 的設(shè)備返回寄存器以0x0001 為起始地址的2 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是列尾風(fēng)壓的采樣數(shù)值“01F4”，通過(guò)接口服務(wù)器直接轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后，形成以“KPa”為單位的實(shí)際風(fēng)壓值“500”，在插入數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)記錄采集時(shí)間，供手持終端使用。

2.4 智能試風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用

基于5G 網(wǎng)絡(luò)的智能試風(fēng)技術(shù)，將列車尾部風(fēng)壓自動(dòng)采集、匯聚，同時(shí)司機(jī)手持終端配備試風(fēng)作業(yè)界面，司機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際作業(yè)情況，登錄查看對(duì)應(yīng)計(jì)劃下的試風(fēng)任務(wù)，實(shí)時(shí)掌握列尾風(fēng)壓狀況，全面監(jiān)控整個(gè)試風(fēng)作業(yè)過(guò)程。同時(shí)手持終端設(shè)置語(yǔ)音播報(bào)功能，若試風(fēng)環(huán)節(jié)中列尾風(fēng)壓持續(xù)下降3 次，且下降值超過(guò)“20~30 KPa”范圍，則手持機(jī)進(jìn)行風(fēng)壓報(bào)警，提醒司機(jī)該列車存在漏風(fēng)部位，試風(fēng)作業(yè)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合黃驊港站的實(shí)際作業(yè)情況，智能試風(fēng)技術(shù)作用在C80 或C80B 的組合萬(wàn)噸列車，應(yīng)用于大翻翻后股道和清煤線處。在列車到達(dá)翻前股道由列尾人員摘除尾部的列尾裝置后，固定智能試風(fēng)裝置；試風(fēng)裝置隨車列過(guò)翻車機(jī)房，先后在翻后股道和清煤線處進(jìn)行試風(fēng)作業(yè)，待列車行駛至港前作業(yè)區(qū)進(jìn)行列檢作業(yè)前，摘除智能試風(fēng)裝置，此過(guò)程無(wú)需試風(fēng)作業(yè)人員出勤，依靠司機(jī)通過(guò)手持終端的提示完成自主試風(fēng)，具體智能試風(fēng)流程如下。

2.4.1 IV 場(chǎng)股道

C80 或C80B 的組合萬(wàn)噸列車行駛至IV 場(chǎng)即大翻翻前股道，進(jìn)行對(duì)位作業(yè)后，由車站值班員下達(dá)列尾人員出勤命令；列尾人員攜帶智能試風(fēng)裝置出勤，在摘除列尾裝置后，固定智能試風(fēng)裝置。

2.4.2 V 場(chǎng)股道

智能試風(fēng)裝置隨車列一起經(jīng)過(guò)翻車機(jī)房到達(dá)翻后股道，進(jìn)行車列的掛機(jī)作業(yè)；順利掛機(jī)后，值班員向司機(jī)下達(dá)試風(fēng)聯(lián)控信息，即“某場(chǎng)某股道某車次某號(hào)試風(fēng)裝置開(kāi)始試風(fēng)”；司機(jī)登錄手持終端，在對(duì)應(yīng)作業(yè)計(jì)劃下的任務(wù)欄中選擇試風(fēng)裝置設(shè)備號(hào)，進(jìn)行智能試風(fēng)裝置與車次的自動(dòng)匹配，隨后開(kāi)始試風(fēng)作業(yè)，司機(jī)通過(guò)手持終端的數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)觀察列尾風(fēng)壓大小，判斷試風(fēng)作業(yè)是否良好；試風(fēng)結(jié)束后，啟動(dòng)列車行駛至VI場(chǎng)股道。

2.4.3 VI 場(chǎng)股道

列車在清煤線進(jìn)行清煤作業(yè)后，由值班員向司機(jī)下達(dá)試風(fēng)作業(yè)通知，此時(shí)司機(jī)直接登錄手持終端，查看試風(fēng)作業(yè)情況即可。

2.4.4 港前作業(yè)區(qū)

列車至港前停穩(wěn)后，需在列檢作業(yè)前由車站值班員通知列尾人員出勤，摘除智能試風(fēng)裝置。智能試風(fēng)流程如圖5 所示。

圖5 智能試風(fēng)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比黃驊港站試風(fēng)作業(yè)現(xiàn)狀，智能試風(fēng)技術(shù)利用智能試風(fēng)裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和采集時(shí)間的記錄，同時(shí)基于5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行專網(wǎng)通信傳輸，并以手持終端上的試風(fēng)界面和語(yǔ)音播報(bào)向司機(jī)提示當(dāng)前作業(yè)狀況。該項(xiàng)技術(shù)在黃驊港站得到應(yīng)用驗(yàn)證，不僅改變了車站的原有作業(yè)模式，同時(shí)省略了試風(fēng)人員的作業(yè)參與，并建立以司機(jī)為主要工作者的智能試風(fēng)作業(yè)流程，有效解決了試風(fēng)作業(yè)存在的效率低、安全系數(shù)差等問(wèn)題，完善車站試風(fēng)作業(yè)模式，達(dá)到減員增效的目的。