王啟龍 上海鐵路局合肥電務(wù)段

根據(jù)我國(guó)快速客運(yùn)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，2020年前，以北京、上海、武漢、廣州為中心，部分省會(huì)城市為節(jié)點(diǎn)，將形成1.2萬km快速客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)結(jié)合動(dòng)車組配置和運(yùn)用優(yōu)化方案，在北京、上海、武漢、廣州建設(shè)4個(gè)現(xiàn)代化動(dòng)車基地，配套建設(shè)25個(gè)動(dòng)車運(yùn)用所，以滿足“快速維修、安全可靠、高效運(yùn)營(yíng)”的要求。

動(dòng)車組是高速鐵路系統(tǒng)中技術(shù)最集中、系統(tǒng)最龐大的部分，它是高新技術(shù)集合體，技術(shù)含量高。其運(yùn)用、維修方式與即有機(jī)車、車輛有較大差異，特點(diǎn)是高度的專業(yè)化、集約化、社會(huì)化和程序化，因此必須依托覆蓋面廣、功能強(qiáng)大、集成度高的信息管理系統(tǒng)，快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地完成各種業(yè)務(wù)信息的采集、處理和傳遞，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程高效運(yùn)轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮設(shè)施能力，保障動(dòng)車組高效檢修、安全運(yùn)營(yíng)。承擔(dān)動(dòng)車組日常檢修和運(yùn)用工作的動(dòng)車運(yùn)用所的建成，體現(xiàn)了我國(guó)鐵路動(dòng)車組的檢修與運(yùn)用水平達(dá)到了世界發(fā)達(dá)國(guó)家水平。

動(dòng)車所站場(chǎng)規(guī)模較大，進(jìn)出車輛較多，有既有車，也有動(dòng)車組。在檢修和運(yùn)用作業(yè)過程中，要在不同場(chǎng)區(qū)間頻繁調(diào)車轉(zhuǎn)線，就必須讓調(diào)度指揮人員實(shí)時(shí)掌握動(dòng)車組位置和股道占用信息，而動(dòng)車所檢修庫內(nèi)沒有軌道電路，無法掌握動(dòng)車組停放的具體位置信息（即使有軌道電路，也會(huì)因軌道電路區(qū)段太長(zhǎng)，而無法判斷動(dòng)車組停放的具體位置）。因此亟需建立一套底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組停放及運(yùn)動(dòng)位置跟蹤，實(shí)時(shí)掌握動(dòng)車所內(nèi)股道占用狀態(tài)以及庫內(nèi)作業(yè)股道通斷電狀態(tài)，為動(dòng)車所調(diào)度人員提供先進(jìn)的動(dòng)車組運(yùn)用、檢修管理手段，使調(diào)度人員在值班室內(nèi)可以一目了然地看到動(dòng)車所股道進(jìn)路開放、動(dòng)車組進(jìn)出車及其停放位置、列車編組等實(shí)時(shí)信息，提高調(diào)度指揮效率，為全路“動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)”提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 設(shè)計(jì)原則及思路

1.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)動(dòng)車所調(diào)度安全的要求和相關(guān)技術(shù)規(guī)程，動(dòng)車所動(dòng)車位置跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：技術(shù)先進(jìn)、管理到位、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、確保安全。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)用和檢修工作的信息化，首先要了解動(dòng)車所運(yùn)用的現(xiàn)狀。目前，已建成的動(dòng)車所的信息管理系統(tǒng)由于缺少股道信息安全管理系統(tǒng)的支撐，在使用中主要存在以下問題：

⑴微機(jī)監(jiān)測(cè)復(fù)示終端只能看到進(jìn)路開放情況，看不到車輛停留位置和車體編組信息。

⑵由于車次號(hào)與動(dòng)車組車號(hào)不是同一概念，通過目前電務(wù)系統(tǒng)，無法讀取進(jìn)出動(dòng)車所的動(dòng)車組車號(hào)，以致動(dòng)車組管理系統(tǒng)只能靠人工輸入動(dòng)車組進(jìn)出所時(shí)間和動(dòng)車車次、車號(hào)，容易錯(cuò)輸，效率低下。

針對(duì)上述問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，包括了兩個(gè)子系統(tǒng)：車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)、動(dòng)車組位置追蹤子系統(tǒng)。1.2.1車號(hào)識(shí)別子系統(tǒng)

⑴當(dāng)動(dòng)車組出入存車場(chǎng)、檢查庫時(shí)自動(dòng)讀取動(dòng)車組車號(hào)。

⑵自動(dòng)記錄動(dòng)車組出入存車場(chǎng)、檢查庫時(shí)間。1.2.2動(dòng)車組位置追蹤子系統(tǒng)

⑴顯示動(dòng)車所內(nèi)存車場(chǎng)、檢查庫內(nèi)股道上停放的動(dòng)車組位置及編組信息。

⑵可輸入動(dòng)車組車號(hào)查找動(dòng)車組所在位置。

⑶可點(diǎn)擊存車場(chǎng)、檢查庫股道，查找股道上停放的動(dòng)車組信息。

⑷實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示軌道電路的車輛進(jìn)出情況。

2 實(shí)現(xiàn)原理

2.1 車號(hào)識(shí)別實(shí)現(xiàn)原理

車號(hào)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備（AEI）由深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司提供，包括AEI主機(jī)（AEI主控板、通信接口板、射頻收發(fā)信機(jī)、磁鋼信號(hào)處理板、標(biāo)簽數(shù)據(jù)解碼板、電源板等）、車輪傳感器（射頻收發(fā)信機(jī)開關(guān)機(jī)磁鋼、計(jì)軸判輛磁鋼）、AEI天線。它除了為后臺(tái)管理系統(tǒng)提供車輛標(biāo)簽數(shù)據(jù)外，還提供車速、計(jì)軸判輛、標(biāo)簽自動(dòng)對(duì)位等功能。

車輛進(jìn)出庫時(shí)，通過安裝在咽喉處的車號(hào)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備（AEI）讀取安裝在動(dòng)車組兩端（既有車安裝在機(jī)車頭部）的電子標(biāo)簽內(nèi)容。獲取車號(hào)、車次、端位、進(jìn)出方向、輛數(shù)、進(jìn)站速度等信息，界面實(shí)時(shí)綁定顯示該車號(hào)信息，實(shí)現(xiàn)車號(hào)的識(shí)別(如圖 1 所示)。

圖1 AEI數(shù)據(jù)采集及傳輸原理圖

2.2 動(dòng)車組位置追蹤實(shí)現(xiàn)原理

從咽喉處通過AEI設(shè)備讀取車輛內(nèi)包含的標(biāo)簽信息，在界面上即會(huì)顯示一個(gè)車次窗口，綁定該車號(hào)信息，沿軌道行進(jìn)方向（紅光帶）進(jìn)行追蹤，類似于DMIS系統(tǒng)的車次跟蹤。車輛進(jìn)入庫內(nèi)存車線之后，根據(jù)車組信息和位置傳感器，實(shí)時(shí)顯示在該股道的具體存放位置。在安裝了位置傳感器的股道，可以精確定位動(dòng)車組停放的具體位置。對(duì)于重聯(lián)車，需要根據(jù)頭車的車次號(hào)反查尾車的車次號(hào)（因?yàn)槲曹嚇?biāo)簽部分不供電，無法直接讀?。?，得到另一臺(tái)動(dòng)車組的車號(hào)信息，顯示在股道上。

3 技術(shù)關(guān)鍵

3.1 動(dòng)車組在存車線上的定位

動(dòng)車所內(nèi)的存車線約450～480(m)，動(dòng)車長(zhǎng)度約201m。一般情況下一條存車線存放動(dòng)車1～2列（8節(jié)編組和16節(jié)編組或重聯(lián)車），在此使用條件約束下，我們要求對(duì)動(dòng)車的定位誤差小于5m，要滿足這樣的定位精度，顯然使用即有的軌道信號(hào)技術(shù)是難于滿足要求的。此外，對(duì)所用的傳感器要求非常高，要耐高溫、耐寒冷、耐潮濕、耐油污、耐振動(dòng)、耐雨雪、耐行人干擾等。為此，設(shè)計(jì)了如下定位方案：

3.1.1 地圈式定位法

地圈式定位法是根據(jù)頻率鎖定原理，地圈為振蕩器的電感部件，當(dāng)機(jī)車經(jīng)過設(shè)在軌枕間的地圈時(shí)，改變振蕩器頻率，鎖相環(huán)電路隨即進(jìn)行鎖定，以此檢測(cè)機(jī)車位置。這種傳感器經(jīng)試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到技術(shù)要求，但由于檢查庫下有排污地溝，安裝有難度，且數(shù)量較多時(shí)，會(huì)給工務(wù)系統(tǒng)維護(hù)帶來不便。經(jīng)試驗(yàn)后該方案被放棄。

3.1.2 車輪傳感器定位法

車輪傳感器有很多種，而適用于庫內(nèi)使用的，應(yīng)選擇低速性能較好的有源傳感器（庫內(nèi)限速10km/h），它的原理是通過對(duì)機(jī)車車輪的計(jì)軸、測(cè)速、測(cè)距來判定機(jī)車位置。試驗(yàn)小組在進(jìn)行上線試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)這種方式對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)車效果較好，但對(duì)于低速或靜止的整備線機(jī)車來說就難以計(jì)軸、測(cè)速、測(cè)距來判定機(jī)車位置。因此該方案被放棄。

3.1.3 紅外線定位法

我們利用紅外線傳感器對(duì)障礙物有反射作用的原理來對(duì)機(jī)車定位進(jìn)行試驗(yàn)。該方案在做室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)可以，但上線試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)紅外線的靈敏度太高，遇下雨、下雪天氣容易受到干擾，因此不具備實(shí)用價(jià)值。該方案被放棄。

3.1.4 超聲波定位法

同樣超聲波傳感器也有遇到障礙物有反射作用的特性。經(jīng)上道試驗(yàn)證明，超聲波傳感器對(duì)下雨、下雪、灰塵、油污沒有誤動(dòng)現(xiàn)象，抗干擾能力較強(qiáng)，能達(dá)到理想效果，具有實(shí)用價(jià)值，因此采用了這一方案。根據(jù)上海南動(dòng)車所的實(shí)際情況，超聲波傳感器安裝如圖2所示。

圖2 股道超聲波傳感器安裝位置示意圖

超聲波傳感器安裝應(yīng)以能實(shí)現(xiàn)精確定位的情況下，盡量少安裝為原則，要求每?jī)蓚€(gè)超聲波傳感器間的距離小于200m,并保證8節(jié)編組的動(dòng)車組能且只能觸動(dòng)相鄰兩個(gè)超聲波傳感器，16節(jié)編組的動(dòng)車組至少能觸動(dòng)相鄰三個(gè)超聲波傳感器。由于進(jìn)出都在右側(cè)，所以如圖2所示，每股道上安裝三個(gè)超聲波傳感器，就能比較容易判斷動(dòng)車組的位置。

當(dāng)動(dòng)車進(jìn)入存車線時(shí)，pos1超聲波傳感器接收到信號(hào)，說明動(dòng)車已經(jīng)開始進(jìn)入，pos2接收到信號(hào)時(shí)，對(duì)于8節(jié)編組的動(dòng)車來說，就已經(jīng)完全進(jìn)入存車線，而對(duì)于16節(jié)動(dòng)車的長(zhǎng)編組和重聯(lián)車來說，則不能這樣判斷。系統(tǒng)在處理時(shí)，先默認(rèn)按照8節(jié)編組的動(dòng)車來處理，并等pos3的信息，如果pos1、pos2、pos3處超聲波傳感器都收到信號(hào)，則把原來顯示的短編組變?yōu)殚L(zhǎng)編組或重聯(lián)車顯示，如果pos2和pos3有信號(hào)，pos1的信號(hào)消失，則說明是8節(jié)編組動(dòng)車，且將停在II列位（盡頭線側(cè)）,動(dòng)車組編組情況如圖3所示。

圖3 動(dòng)車組編組情況示意圖

3.2 動(dòng)車位置追蹤

動(dòng)車位置追蹤主要解決車號(hào)窗口跟隨紅光帶移動(dòng)的問題。存車線外的軌道電路占用信息，是通過輝煌科技股份有限公司的微機(jī)監(jiān)測(cè)接口獲得的站場(chǎng)開關(guān)量數(shù)據(jù)。庫內(nèi)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)分3種情況：進(jìn)車、出車、調(diào)車轉(zhuǎn)場(chǎng)。由于股道占用的開關(guān)量數(shù)據(jù)是從微機(jī)監(jiān)測(cè)接口中得到的，理論上，數(shù)據(jù)是不應(yīng)該跳變振蕩的，但實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，特別是雨雪天，經(jīng)常出現(xiàn)光帶不連續(xù)、亂顯示的情況，紅光帶的時(shí)序邏輯錯(cuò)誤明顯，如果嚴(yán)格按照理論上的判別依據(jù)，難以有效地進(jìn)行車輛跟蹤，在顯示界面上易造成矩形框左右來回亂跑的情況，如何解決這一問題，保證車號(hào)窗口始終跟在紅光帶運(yùn)動(dòng)？

排一條進(jìn)路，根據(jù)光帶和站場(chǎng)軌道物理連接關(guān)系，可以遞歸找到進(jìn)路起點(diǎn)和終點(diǎn)，在系統(tǒng)中記錄下這條進(jìn)路，開始等待起點(diǎn)軌道的被占用（紅光帶）數(shù)據(jù)，若接收到起點(diǎn)的紅光帶數(shù)據(jù)，表示有車進(jìn)入此進(jìn)路，則根據(jù)咽喉處讀取的車號(hào)報(bào)文，在屏幕上顯示為該股道上有一個(gè)矩形車號(hào)窗口，隨著列車的移動(dòng)，車號(hào)窗口也隨著紅光帶的前進(jìn)方向移動(dòng)。

考慮到進(jìn)路的唯一性，我們?cè)谠O(shè)計(jì)算法時(shí)采用了過濾局部數(shù)據(jù)震蕩的算法。因?yàn)橥ㄟ^觀察發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)震蕩總的趨勢(shì)是和車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向一致的，采用類似于瞎子爬山算法求解全局最優(yōu)問題，我們考慮容忍光帶數(shù)據(jù)局部的震蕩，判別思路不是只看當(dāng)前和下一步紅光帶的時(shí)序，而是把趨勢(shì)判斷步長(zhǎng)定位4步，即往前多看4步紅光帶變化的時(shí)序邏輯，判定時(shí)刻定位重繪矩行框的之前，按照少數(shù)服從多數(shù)的原則，若記錄的紅光帶右邊方向的個(gè)數(shù)大于左邊的個(gè)數(shù)，說明車輛向右移動(dòng)，反之向左移動(dòng)，進(jìn)而最終判定車輛運(yùn)動(dòng)方向是進(jìn)所方向還是出所方向，合理地在界面上顯示矩形框的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)然這個(gè)邏輯是低于排進(jìn)路邏輯的，一個(gè)完整的進(jìn)路決定車輛總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，嚴(yán)格上講，依據(jù)進(jìn)路光帶的變紅時(shí)序和程序里面鎖存的各個(gè)進(jìn)路股道順序號(hào)（界面繪制股道時(shí)的索引號(hào)），可以逐一進(jìn)行比對(duì)，假定都以第一次收到的紅光帶數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，可以通過實(shí)際和程序內(nèi)鎖定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同樣采用少數(shù)服從多數(shù)的原則，來確定車輛的局部運(yùn)行方向。大致算法描述如下：

接受紅光帶數(shù)據(jù)，保存光帶的結(jié)構(gòu)數(shù)組賦初值-1；

判斷此紅光帶的右面第四條軌道是否為股道，如果是取此紅光帶以后四條數(shù)據(jù)并記錄在結(jié)構(gòu)數(shù)組里，收到紅光帶數(shù)據(jù)，相應(yīng)序號(hào)的結(jié)構(gòu)數(shù)組賦值1，收到白光帶數(shù)據(jù)賦值0，以第一次讀到的光帶數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，如有新的重復(fù)的光帶數(shù)據(jù)讀到，不覆蓋數(shù)組原有值。若為終點(diǎn)或大于終點(diǎn)，則直接等待終點(diǎn)收到第一條紅光帶為止，將矩形框移至該光帶后，延時(shí)到該光帶出清后消失。

判斷當(dāng)前結(jié)構(gòu)數(shù)組里面新增加的四個(gè)值（從左至右，a1-a2-a3-a4），假定為 a1，a2，a3，a4，如果 a1 和 a4 的值為 1 或a1，a3的值為1，或者a2，a4的值為1，則判斷存在進(jìn)所方向（L->R）。根據(jù)判斷結(jié)果顯示矩形框移動(dòng)至當(dāng)前紅光帶位置。

雖然上述方法過濾掉了一些不正常的數(shù)據(jù)，使顯示界面更加簡(jiǎn)潔、明了，但因?yàn)橛盟惴ㄟ^濾了采集的原始數(shù)據(jù)，不是最真實(shí)的原始數(shù)據(jù)，不易在正線車次跟蹤時(shí)使用。上海南動(dòng)車所由于是庫內(nèi)作業(yè)，動(dòng)車行駛速度非常慢，采集底層數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種問題（其中很多情況是有些軌道區(qū)段“壓不死”），過濾掉干擾數(shù)據(jù)，也是迫不得已而為之。

4 結(jié)束語

上海南動(dòng)車所在庫內(nèi)增加了少量設(shè)備，運(yùn)用成熟的算法，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的車輛追蹤與定位，準(zhǔn)確率達(dá)99.99%，為我局的動(dòng)車檢修信息化積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。