關(guān) 達，文 波，張宏娜

貨物列車尾部安全防護系統(tǒng)（以下簡稱“列尾系統(tǒng)”）取代守車已在我國鐵路運用多年，對于保障行車安全具有重要作用，顯著提高了作業(yè)效率，節(jié)省了大量的人工費用［1-2］。針對地方鐵路列尾系統(tǒng)采用400 MHz數(shù)字對講通信技術(shù)，在山區(qū)、隧道等弱場區(qū)段通信成功率較低等問題，同時考慮鐵路沿線已具備了4G/5G網(wǎng)絡，研發(fā)了基于多模通信的貨物列車尾部安全防護系統(tǒng)（以下簡稱“多模列尾系統(tǒng)”），由多種通信方式同時承載列尾系統(tǒng)通信，各通信模式相互補充，可有效提高列尾系統(tǒng)的通信成功率和可靠性［3-4］。

1 系統(tǒng)設計

多模列尾系統(tǒng)將400 MHz數(shù)字對講系統(tǒng)與4G/5G公網(wǎng)相結(jié)合，多種通信模式同時工作。4G/5G通信模式下，由4G/5G公共網(wǎng)絡承載，通過公網(wǎng)架設監(jiān)測管理服務器進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)；400 MHz數(shù)字模式下，采用DMR（Digital Mobile Radio，數(shù)字移動無線電）點對點直接通信方式［5］。多種通信模式共同實現(xiàn)列尾風壓查詢、輔助排風制動、風壓報警、電壓報警等信息的傳輸，任一模式通信成功即認為列尾通信成功。

多模列尾系統(tǒng)由列尾機車臺、列尾主機、機車車號確認儀、列尾主機檢測臺和監(jiān)測管理服務器等構(gòu)成。監(jiān)測管理服務器同時配套列尾信息管理系統(tǒng)，在中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的同時記錄列尾主機和列尾機車臺的運行數(shù)據(jù)、地理位置，幫助用戶進行遠程數(shù)據(jù)分析。多模列尾系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 多模列尾系統(tǒng)構(gòu)成

硬件部分：列尾主機安裝于列車尾部，與列車主風管連接，實時采集列車主風管風壓值，并反饋列車風壓；當列車運行過程中出現(xiàn)主風管風壓過低或設備電量不足時，立即向列尾機車臺進行報警。列尾機車臺安裝于車頭位置，列尾機車臺配套有控制盒操作終端，通過操作控制盒按鍵，實現(xiàn)與尾部設備的一對一通信，實時獲取列車尾部風壓值。當列車折角塞門出現(xiàn)意外關(guān)閉時，通過排風操作，控制列尾主機電磁閥動作進行輔助排風緊急制動。

軟件部分：監(jiān)測管理服務器由頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序、列尾信息管理系統(tǒng)兩部分組成。頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序從4G/5G公網(wǎng)接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)保存在列尾信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。列尾信息管理系統(tǒng)具有GIS地圖列尾實時追蹤、列尾實時運行數(shù)據(jù)查詢、列尾信息類型指令查詢分析等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 4G/5G公網(wǎng)通信策略

地方鐵路沿線覆蓋4G/5G網(wǎng)絡，具備4G/5G網(wǎng)絡通信條件［6］。

4G/5G公網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，由于移動終端設備激活網(wǎng)絡后為內(nèi)網(wǎng)IP且為動態(tài)IP，為實現(xiàn)頭尾設備的通信，采取公網(wǎng)IP監(jiān)測管理服務器中繼的方案。列尾主機與列尾機車臺向監(jiān)測管理服務器發(fā)送指令數(shù)據(jù)，監(jiān)測管理服務器根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的命令、設備ID號等進行數(shù)據(jù)判斷并進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)列尾機車臺與列尾主機的數(shù)據(jù)通信。

當列尾機車臺與列尾主機之間無業(yè)務數(shù)據(jù)交互時，列尾機車臺與列尾主機分別與服務器進行定時狀態(tài)數(shù)據(jù)交互。當設備與服務器狀態(tài)交互異常時，及時進行網(wǎng)絡更新并與服務器重新連接，保障設備與服務器之間的實時可靠連接。4G/5G通信制式系統(tǒng)示意見圖2。

圖2 4G/5G通信制式系統(tǒng)示意

2.2 服務器設計

2.2.1 頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集

頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序接收列尾主機和列尾機車臺發(fā)送的位置信息上報、發(fā)送指令中轉(zhuǎn)、運行信息上報、設備心跳上報等數(shù)據(jù)，根據(jù)上報數(shù)據(jù)的協(xié)議類型分別處理；對于位置和運行信息上報數(shù)據(jù)，采集程序?qū)?shù)據(jù)進行解析，然后存入列尾信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫；發(fā)送指令中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)則先進行解析，確定中轉(zhuǎn)目標后將數(shù)據(jù)發(fā)送至目標，再進行詳細解析并存入列尾信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

頭尾互聯(lián)數(shù)據(jù)采集程序采用C#開發(fā)，使用Socket通信技術(shù)［7］，服務程序?qū)Χ喽嗽O備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行中轉(zhuǎn)管理。所有設備在接入服務程序后均保持一個TCP的長鏈接，形成長鏈接池，實時發(fā)送心跳狀態(tài)。當服務器接收到數(shù)據(jù)后，開始解析目標設備特征碼，對長鏈接池進行檢索，找到目標設備后通過TCP長鏈接將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標設備。在中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的同時，對接收到的數(shù)據(jù)進行入庫操作，即對所有中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進行保存。

考慮到未來列尾設備數(shù)量較多且位置分散，為保證數(shù)據(jù)一致性和性能要求，數(shù)據(jù)庫使用分布式架構(gòu)，存儲過程實現(xiàn)垂直分片，即將一條記錄存在多個表中，使用服務程序和存儲過程相結(jié)合的方法，將數(shù)據(jù)全局操作轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€單元的垂直分片表的局部操作，保證分布式事務的ACID特性。ACID特性為原子性（Atomi city）、一致性（Consistency）、隔 離 性（Isolation）、持久性（Durability）。由于垂直分片表的操作放在一個分布式事務內(nèi)，保證了分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性。分布式存儲處理流程見圖3。

圖3 分布式存儲處理流程

2.2.2 列尾信息管理

列尾信息管理系統(tǒng)具有GIS地圖實時追蹤、列尾信息指令的履歷查詢及列尾主機的運行信息展示等功能。

GIS地圖實時追蹤功能，不僅可對列尾的位置實時追蹤，還可在圖形化界面中展示列尾告警（風壓、電壓）并發(fā)出報警音，以幫助監(jiān)測人員及時發(fā)現(xiàn)問題。

以往對列尾主機和機車臺的數(shù)據(jù)分析，需要等機車到站取下設備才可進行，而本系統(tǒng)是在機車運行過程中就將數(shù)據(jù)提交到列尾信息管理系統(tǒng)進行分析，不僅可以及時發(fā)現(xiàn)問題和隱患，而且減除了工作人員的工作量。監(jiān)測服務器軟件處理流程見圖4。

圖4 監(jiān)測服務器軟件處理流程

2.3 設備遠程監(jiān)測

列尾設備具備北斗［8］定位功能，列尾機車臺與列尾主機定時獲取北斗定位數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行組幀，通過4G/5G公網(wǎng)將位置、業(yè)務和狀態(tài)等信息上傳至監(jiān)測管理服務器。通過監(jiān)測管理系統(tǒng)平臺對業(yè)務數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)分析后，對設備工作狀態(tài)做出判斷，對異常狀態(tài)發(fā)出預警，及時進行故障預判，避免重大事故的發(fā)生。

監(jiān)測管理系統(tǒng)平臺，可實時顯示機車運行位置，對收到的數(shù)據(jù)依據(jù)內(nèi)置規(guī)則分為告警數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)，實時展示在GIS地圖中，點擊GIS圖中的設備圖標或告警圖標可展示當前列尾機車臺或列尾主機詳細信息。

3 系統(tǒng)測試

3.1 通信實時性

多模列尾系統(tǒng)分別通過400 MHz數(shù)字模式和4G/5G公網(wǎng)進行通信，測試列尾機車臺發(fā)送命令到列尾主機返回應答的時間延時，即通信實時性。測試機車臺共查詢列尾主機風壓100次，列尾主機通過4G/5G公網(wǎng)平均返回應答數(shù)據(jù)時間約為1 s，而通過400 MHz數(shù)字模式平均返回時間約3～4 s。說明多模列尾系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性明顯優(yōu)于原有的400 MHz數(shù)字模式通信。

3.2 網(wǎng)絡穩(wěn)定性

多模列尾系統(tǒng)的機車臺與列尾主機連續(xù)工作48 h，未出現(xiàn)掉網(wǎng)現(xiàn)象，網(wǎng)絡運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信正常，且數(shù)據(jù)通信成功率為100%。

3.3 現(xiàn)場動態(tài)測試

目前包神鐵路列尾系統(tǒng)為400 MHz數(shù)字通信模式，現(xiàn)場動態(tài)測試在包神鐵路相關(guān)線路區(qū)段進行，共分為二階段。

第一階段，列尾主機風管不與機車主風管相連，對系統(tǒng)設備在實際線路的通信效果進行驗證，比較多模列尾系統(tǒng)與400 MHz數(shù)字模式列尾系統(tǒng)的通信成功率。2021年6月25～28日，在包神鐵路南線按照實際運行線路情況進行驗證，通信數(shù)據(jù)見表1。

表1 第一階段400 MHz數(shù)字模式及多模列尾系統(tǒng)通信成功率對照

試驗過程中經(jīng)過轉(zhuǎn)龍灣、新梁家山等山區(qū)隧道區(qū)域，共查詢列尾主機風壓337次，其中，400 MHz數(shù)字模式查詢成功率92.6%，而多模列尾系統(tǒng)查詢成功率100%。

第二階段，列尾主機風管與機車主風管連接，對試驗設備運用效果進行驗證。通過包神鐵路機車乘務員的實際操控應用，系統(tǒng)設備試風操作正常，符合包神鐵路既定運用要求，線路運行過程正常。運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 第二階段400 MHz數(shù)字模式及多模列尾系統(tǒng)通信成功率對照

試驗過程中共查詢列尾主機風壓300次，其中，400 MHz數(shù)字模式查詢成功率94.3%，而多模列尾系統(tǒng)查詢成功率100%。

4 結(jié)論

1）多模列尾系統(tǒng)在包神鐵路進行了現(xiàn)場動態(tài)測試，測試效果良好，滿足現(xiàn)場運用需求，有效提高了山區(qū)、隧道等復雜區(qū)段的通信成功率。

2）系統(tǒng)可實時監(jiān)測列尾設備運行狀態(tài)，提高了運輸管理效能。

3）考慮地方鐵路利用LTE-R專網(wǎng)通信的需求，本系統(tǒng)在400 MHz數(shù)字通信模式、4G/5G公網(wǎng)網(wǎng)絡通信模式的基礎上，增加了LTE-R專網(wǎng)通信模式。

4）多模列尾系統(tǒng)符合國家技術(shù)創(chuàng)新方針政策，實現(xiàn)了新興技術(shù)同傳統(tǒng)行業(yè)的高度融合，提高了運輸效率，更好地保障了運輸安全，可為全國地方鐵路的推廣應用提供參考。