陸小紅，張曉鳳，鄭木火，孫瑩瑩

(浙江眾合科技股份有限公司，杭州　310052)

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重載列車智能化操控系統(tǒng)車地實時通信方案研究與實現(xiàn)

陸小紅，張曉鳳，鄭木火，孫瑩瑩

(浙江眾合科技股份有限公司，杭州310052)

為提高重載列車調(diào)度和運行的自動化水平，提高線路運輸能力，基于朔黃線神華機車進行重載列車智能化操控系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的車地實時通信方案研究，包括車地通信的接口安全性、車地通信機制和內(nèi)容以及重載列車智能化操控系統(tǒng)對地面調(diào)度信息的處理，通過LTE-R 4G網(wǎng)絡實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)的實時安全交互，實現(xiàn)朔黃線車地設(shè)備報文實時自動交互功能，進一步提高朔黃線重載列車運行的準時性和節(jié)能性。

車地通信; 智能化操控系統(tǒng); 調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng); 重載列車

重載列車智能化操控系統(tǒng)車地通信的實現(xiàn)是國家科技支撐計劃項目“軸重 30 t以上煤炭運輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制”中重載列車智能化操控系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)兩課題數(shù)據(jù)交互的保證。本文主要研究其車地通信的安全性和交互機制，實現(xiàn)車地的實時數(shù)據(jù)交互，更好地服務于朔黃線重載列車運行和調(diào)度[1]。

重載列車具有車輛載重力大，列車編掛輛數(shù)多，操控復雜，運行距離遠等特點，如何實現(xiàn)重載列車在路內(nèi)位置的實時確定并交互調(diào)度信息，提高調(diào)度運行自動化水平，提高運輸效率有重要的意義[2-3]。目前朔黃線車載和地面設(shè)備之間還沒有實時數(shù)據(jù)交互的通信，并且臨時限速的下發(fā)由調(diào)度中心以紙質(zhì)司機報單和CF卡方式針對每列列車人工下發(fā)和核對臨時限速信息，操作繁瑣且存在一定的風險；全線以固定閉塞制式運行，列車運行授權(quán)由信號機燈色給出，司機無法確定前方允許運行距離；重載列車從神池南運行到黃驊港的計劃運行時間為8 h50 mim，而實際列車全線運行一般都在9 h30 min以上，由于調(diào)度系統(tǒng)不進行在線優(yōu)化調(diào)整運行計劃，全線590 km的路程，司機運行過程中難免出現(xiàn)某些站點運行與計劃的較大偏差，導致列車在運行過程中受前車影響以及場內(nèi)后長時間等待作業(yè)[4]。針對以上問題，本文研究重載列車智能化操控系統(tǒng)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的車地通信方案，以實現(xiàn)臨時限速的自動下發(fā)和響應；實現(xiàn)列車運行的目標點在線下發(fā)，增加列車可見的可運行距離；實現(xiàn)站停信息和運行時刻信息的自動下發(fā)和及時響應，車地配合實現(xiàn)列車運行時間的實時優(yōu)化。極大地提高重載列車調(diào)度運行的自動化水平。

1　車地通信接口安全性

1.1車地安全通信結(jié)構(gòu)

重載智能化操控系統(tǒng)采用朔黃線既有的LTE-R 4G網(wǎng)絡接口實現(xiàn)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的通信[5-6]，傳輸層協(xié)議采用面向連接方式的TCP協(xié)議。地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的通信前置服務器為Server端，重載列車智能化操控系統(tǒng)作為Client端。為保證車地間通信的安全性，需要建立如圖1所示的車地安全通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[7]。

圖1　車地安全通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2車地通信安全措施

重載列車智能化操控系統(tǒng)車地通信結(jié)構(gòu)的構(gòu)建遵循EN50159標準，保證信息的真實性、完整性、實時性和順序性[8]，本文車地通信接口安全性措施具體如下。

(1)時間戳

系統(tǒng)發(fā)送和接收的所有應用報文均包含時間戳，用以判斷接報文是否為新報文。

在每次接收到報文時，比較該報文的發(fā)送時間戳和上周期報文的時間戳，若大于上周期的時間戳，更新報文內(nèi)容，并更新時間戳，用于下次通信接收報文時判斷，否則，不更新報文內(nèi)容和時間戳；在一個周期內(nèi)，多次收到同一消息ID的報文時，用發(fā)送時間戳從報文緩沖池中篩選最新的報文。

(2)超時

車地信息傳輸過程中，對所有周期報進行報文超時檢查。

當本周期沒有收到有效(指報文ID正確、發(fā)送端接收端ID正確、CRC校驗正確)的新(通過報文有效性檢查，比之前收到的報文新)報文時，開始超時計數(shù)。若計數(shù)超過判斷閾值，則判斷超時。

若接收到有效的新報文時，判斷報文不超時，且將超時計數(shù)清零。

若某一周期沒有收到周期報文且未超時，則延用上一周期數(shù)據(jù)。若報文超時，則將該報文的內(nèi)容置為無效態(tài)，報告通信失敗。

(3)源、目的設(shè)備識別

系統(tǒng)所有報文應用層均含有源和目的地址，以確定報文來源和目的地的正確性。

接收到報文時，檢查報文中發(fā)送端設(shè)備ID和接收端設(shè)備ID，若發(fā)送設(shè)備ID錯誤或接收設(shè)備ID錯誤，則判斷該報文有誤，以此避免從錯誤的設(shè)備接收報文或者接收發(fā)送給其他設(shè)備的報文。

(4)安全碼

系統(tǒng)提供CRC32安全碼措施防止傳輸數(shù)據(jù)出錯。

(5)報文頭

通過報文頭識別報文的起始，再通過報文長度讀取相應字節(jié)進行處理。若應用數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)與報文頭相同，則重復打上該字節(jié)，確保報文頭的正確識別。

(6)其他措施

系統(tǒng)接收報文時，會檢查報文數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度，若數(shù)據(jù)類型或數(shù)據(jù)長度錯誤，則丟棄該報文。

在車地通信超時后，智能操控系統(tǒng)主動發(fā)起向地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的鏈接，增加系統(tǒng)的可用性。

車地通信過程中，要求本系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)均執(zhí)行規(guī)定的通信協(xié)議，發(fā)送時在應用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上打上上述安全協(xié)議字段，見表1，并且對收到報文的相應字段進行解析及處理，保證發(fā)送端誤操作時，故障不會進一步擴大[9]。

表1　通信數(shù)據(jù)幀格式

2　車地通信數(shù)據(jù)交互

重載智能化操控系統(tǒng)車地通信實現(xiàn)列車運行相關(guān)調(diào)度信息的實時交互，包括列車注冊信息、時間校驗、列車運行信息、列車站停信息、運行目標點、臨時限速設(shè)置和取消、調(diào)度命令信息、時刻信息和規(guī)劃曲線的交互。實現(xiàn)了朔黃線第一次車地設(shè)備報文實時自動交互。

2.1注冊/注銷流程

為實現(xiàn)列車智能操控系統(tǒng)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的信息交互，列車在正線正常運行時主動向地面進行注冊請求，僅在注冊完成后調(diào)度系統(tǒng)才對該列車進行調(diào)度管理。

智能操控系統(tǒng)啟動后主動鏈接調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)并進行注冊，以接收調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)度信息。接收到注冊成功的反饋后，發(fā)送列車運行信息給調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)對本車信息的實時掌握，若接收到注冊失敗的反饋，則重復注冊。當智能操控系統(tǒng)與調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的鏈接斷開后，主動檢查通信鏈路狀態(tài)并發(fā)起鏈接請求，重新建立鏈接后再次進行注冊操作。

當智能化操控系統(tǒng)處于由列車模式變?yōu)檎{(diào)車模式、人工軟關(guān)機、退出正線等非正線正常列車運行狀態(tài)，向地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)送列車注銷信息。當調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)收到列車注銷信息后，在既有在線列車列表里找到該列車，標記為列車注銷狀態(tài)，并向智能化操控系統(tǒng)發(fā)送注銷成功消息。

2.2時間校驗

調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)送時間校驗信息，智能優(yōu)化系統(tǒng)校驗本系統(tǒng)時間并反饋時間偏差，保證后續(xù)運行時間等信息的正確性。

2.3調(diào)度在線優(yōu)化

為實現(xiàn)重載列車的調(diào)度在線優(yōu)化，智能操控系統(tǒng)需把列車運行信息實時發(fā)送給地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，并交互運行時間信息，交互機制見圖2。

圖2　調(diào)度在線優(yōu)化信息交互機制

智能操控系統(tǒng)組織司機號、車次號和機車號等車輛基礎(chǔ)信息以及列車運行方向、速度和位置等運行信息，發(fā)送給調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，確保調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)對本車運行狀況的實時掌握，調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)接收到列車運行信息后，在人機界面上顯示列車位置和速度、車次等信息，實時跟蹤列車運行。

同時列車根據(jù)接收到的調(diào)度站停信息進行站停控制，根據(jù)站間運行時間信息計算列車輔助規(guī)劃曲線并根據(jù)該曲線采用專家知識庫算法給出操控提示，指示列車在計劃站間運行時間內(nèi)運行，確保準時性。并將列車在本站的已運行時間和剩余站間運行時間組成的規(guī)劃曲線信息發(fā)送給調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)。

調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)接收到規(guī)劃曲線信息后，比對原有調(diào)度計劃的站間運行時間，對該車的運行時間進行在線優(yōu)化并下發(fā)站間運行時間給智能操控系統(tǒng)。

2.4目標運行點

調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)檢測線路上障礙點，包括前方列車、失表的道岔、區(qū)段故障等引起的前方信號機紅燈，將該紅燈信號機位置作為目標點發(fā)送給列車，智能操控系統(tǒng)接收該目標點后重新計算列車運行最嚴格限速曲線，將目標點前移安全距離后設(shè)置為輔助規(guī)劃曲線的目標停車點，保證列車在該點前安全停車。

其中，安全距離的確定跟當前列車的運行速度和車輛特性、線路坡道、車地通信延時、司機反應時間等有關(guān)。安全距離的預留保證了列車在目標運行點前停車，減少了列車紅燈冒進的可能性。

2.5臨時限速信息

由于現(xiàn)場施工、天氣情況等原因線路上需要設(shè)置臨時限速，目前朔黃線臨時限速通知的下發(fā)由每列列車司機交班時手持CF卡上車載入并人工核對，本文車地通信實現(xiàn)后調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)可以直接在調(diào)度中心統(tǒng)一設(shè)置線路臨時限速，自動識別該區(qū)段的列車并下發(fā)指定有效時間內(nèi)的臨時限速到每一列列車。

智能操控系統(tǒng)接收到臨時限速報文，檢查臨時限速起終點公里標、限速值等信息確保臨時限速有效性，并回復臨時限速設(shè)置反饋報文；若接收到臨時限速取消報文，則比對臨時限速會話號，將相應的臨時限速刪除，并發(fā)送臨時限速反饋報文。若調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)未接收到有效的反饋報文(臨時限速設(shè)置/取消成功)則繼續(xù)下發(fā)臨時限速設(shè)置/取消報文。利用數(shù)據(jù)有效性檢查以及反饋確保臨時限速的有效執(zhí)行。

智能操控系統(tǒng)為保證列車全列完整接受臨時限速的限制，防止車尾超速，故在接收到的有效的臨時限速基礎(chǔ)上增加1個車長距離的限速。列車運行最嚴格限速根據(jù)臨時限速重新計算限速曲線，保證列車在限速下運行，專家知識庫算法根據(jù)當前列車距限速點的距離以及速度差、車輛制動特性、線路條件計算重載列車允許最大再生力作用下列車是否能夠減速到限速下運行，若不能，則提前施加空氣制動保證列車不超速。

3　車地通信實現(xiàn)

重載列車智能化操控系統(tǒng)給出操控提示輔助司機駕駛，向地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)請求鏈接并注冊成功后，將運行信息發(fā)送調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)后進行列車顯示見圖3。

圖3　地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)列車顯示

智能操控系統(tǒng)與調(diào)度優(yōu)化車地實時通信實現(xiàn)在線調(diào)度運行優(yōu)化，相應調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的運行時間信息進行列車輔助駕駛規(guī)劃曲線的重計算，并接收調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的運行目標點進行限速處理，見圖4和圖5。

圖4　智能操控系統(tǒng)運行界面1

圖5　智能操控系統(tǒng)運行界面2

智能操控系統(tǒng)接收地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的臨時限速信息并響應，見圖6。

圖6　智能操控系統(tǒng)響應臨時限速界面

將本文車地通信應用于朔黃線神八機車牽引萬噸列車智能操控系統(tǒng)和地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)后，實現(xiàn)了車地實時通信以及列車運行的在線調(diào)整，較朔黃牽引萬噸列車歷史運行時間符合度和節(jié)能性有了一定的提高[10]，見表2、表3。

表 2　萬噸綜合試驗區(qū)間走行時間指標統(tǒng)計

注：運行時間符合度=(實際運行時間-計劃運行時間)/計劃運行時間*100%

表3　萬噸綜合試驗區(qū)間節(jié)能指標統(tǒng)計

注：節(jié)能百分比=(綜合試驗能耗-朔黃線歷史平均能耗)/朔黃線歷史平均能耗×100%

(能耗負值表示本區(qū)段列車運行的發(fā)電量大于用電量)

4　結(jié)語

通過對目前朔黃線實時車地通信缺失導致的調(diào)度運行影響分析，提出實現(xiàn)重載列車智能操控系統(tǒng)與地面調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的實時車地通信，采取安全措施保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，從而實現(xiàn)站停信息、運行時間信息和臨時限速及運行目標點的車地實時交互。其中列車計劃運行時間的實時調(diào)整，進一步提高了列車運行計劃的符合度，合理調(diào)整了全線列車運行計劃，降低了列車能耗；運行目標點的在線讀取及限速防護，增加了列車允許運行的可知范圍，為重載列車的準移動或者移動閉塞制式的實現(xiàn)打下了一定的基礎(chǔ)，提高了列車運行效率；臨時限速的實時在線讀取并限速處理，增加了異常情況的應急處理能力，提高了自動化水平，進一步保證了列車行車安全。在后續(xù)的工作中，還需對車地通信內(nèi)容加以拓展，并優(yōu)化車地運行時間交互時機以利于更好地在線調(diào)度優(yōu)化，實現(xiàn)列車調(diào)度和運行的進一步自動化，更大地提高線路運輸效率。

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Research on TWC Program of Heavy Haul Train Intelligent Control

LU Xiao-hong， ZHANG Xiao-feng， ZHENG Mu-huo， SUN Ying-ying

(United Science &technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China)

In order to improve the level of automation heavy haul train dispatching and operation and improve transport capacity， this paper researches the scheme of ground vehicle real-time communication between intelligent control system and scheduling optimization system based on Shuozhou-Huanghuagang railway Shenhua heavy haul train， covering the safety of communication interface， the vehicle-ground communication mechanisms and content， and the ground schedule information processing in intelligent control system. The real-time vehicle-ground data automatic interactive features are fulfilled through LTE-R 4G network to further improve the punctuality and energy efficiency of the Shuozhou-Huanghuagang railway heavy haul train．

Vehicle-ground communication; Intelligent control system; Scheduling optimization system; Heavy haul train

2015-12-18；

2016-01-28

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00，2013BAG20B01)

陸小紅(1986—)，女，工程師，2012年畢業(yè)于西南交通大學交通信息工程及控制專業(yè)，工學碩士，E-mail：lxh1109xq@163.com。

1004-2954(2016)08-0130-04

U285.21

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.027