王雨晴，王宏嘉

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

黃驊港站是朔黃鐵路的終點，作為鐵水聯(lián)運的銜接處，現(xiàn)場規(guī)模較大，一共包含2 個作業(yè)區(qū)，總計6 個站場和13 個翻車機房，這造就了黃驊港站現(xiàn)場業(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，要求在崗人員具備高標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作能力，保證機車摘掛、取送、試風(fēng)、對位、翻卸和編組等各項技術(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)場智能化落后，對于依靠人工操作的試風(fēng)技術(shù)作業(yè)，由于場內(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)壓的自動采集，并通過5G 網(wǎng)絡(luò)將風(fēng)壓數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)剿緳C手持終端上，在解決車站現(xiàn)有作業(yè)難題的同時，實現(xiàn)站內(nèi)試風(fēng)作業(yè)的智能化、自動化和高效化。

1 黃驊港站試風(fēng)作業(yè)現(xiàn)狀

由于列車載重量大、運行速度較快，列車能否及時地停穩(wěn)或減速十分重要，所以列車在啟動前，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性能的試驗，通過檢測該性能是否良好，判斷列車是否具備運行的條件，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)人員向司機播報的形式說明試風(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，但是仍存在部分問題需要解決。

1.1 列車等待作業(yè)時間過長

黃驊港站的試風(fēng)作業(yè)時間節(jié)點眾多，一般在港前作業(yè)區(qū)、I 場和III 場股道、翻前翻后及清煤線處進(jìn)行。在列車無故障的前提下，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)場人員參與，由于每場每班只配備1~2 名試風(fēng)人員，導(dǎo)致同一時間段只能進(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)沒有達(dá)到現(xiàn)場要求，則需要試風(fēng)人員核對每一處車廂連接點的狀況，直至試風(fēng)良好。由于現(xiàn)場人員的限制和作業(yè)情況的不確定性，經(jīng)常出現(xiàn)列車待命時間過長、站內(nèi)股道堵塞的現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)列車作業(yè)計劃無法按時進(jìn)行，作業(yè)執(zhí)行效率較低，嚴(yán)重影響了車站運輸生產(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)過程中，待司機操作制動閥向各車廂充氣后，試風(fēng)人員只需要現(xiàn)場排查最后一節(jié)車廂的氣壓泵活塞的動作情況，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)手持臺實時向司機匯報相關(guān)作業(yè)情況。由于氣壓泵活塞的動作變化只能說明氣壓從列車頭部貫穿到達(dá)列車尾部，并不能直觀地說明作業(yè)已經(jīng)達(dá)到預(yù)期要求，且試風(fēng)環(huán)節(jié)主觀意識性太強，缺少數(shù)據(jù)依據(jù)，無法客觀實際地評判列車在升壓、保壓、降壓過程中的風(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，可靠性不高。

1.3 現(xiàn)場人員配合程度較差

部分試風(fēng)人員業(yè)務(wù)能力不強，現(xiàn)場配合程度不高，一旦現(xiàn)場作業(yè)強度加大就會出現(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，此時只能由司機通過判斷制動顯示屏上的電空制動流量計或者列車管壓力的大小自主完成試風(fēng)。現(xiàn)場作業(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)自動采集、實時計算、自動匯聚傳輸?shù)燃夹g(shù)手段，及時解決了黃驊港站試風(fēng)作業(yè)中存在的低質(zhì)、低效問題，同時優(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，提高了車站的運輸生產(chǎn)能力，達(dá)到了減員增效的實質(zhì)性目標(biāo)。這項研究不僅涉及軟硬件的結(jié)合，還與車站機務(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)場實施應(yīng)用，以此驗證研究的可靠性、高效性和實用性，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)裝置開機后，風(fēng)壓處理模塊的壓力傳感器會時刻感知列尾風(fēng)壓變化，電池包則實時判斷裝置電量，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，同時利用5G 天線對外發(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A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化，將得到的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后供風(fēng)壓顯示屏顯示，同時采用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，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警功能，當(dāng)電量小于或等于20%時，裝置處理器蜂鳴報警，同時閃爍顯示屏進(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)信號發(fā)射器對5G 天線發(fā)送信號，實現(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^程。

2.2.2 采集數(shù)據(jù)的驗證分析

為了滿足現(xiàn)場試風(fēng)作業(yè)要求，需要對智能試風(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)室的列尾主機測試臺進(jìn)行測試，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 個數(shù)值點分別對試風(fēng)裝置進(jìn)行維持2 min 的保壓測試試驗。智能試風(fēng)裝置依靠列尾主機測試臺進(jìn)行充風(fēng)，達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值點后，計時觀察2 min 內(nèi)的風(fēng)壓數(shù)值變化，列尾主機測試臺和智能試風(fēng)裝置的風(fēng)壓對比如圖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)對比圖

2.3 作業(yè)數(shù)據(jù)自動匯聚

2.3.1 基于5G 信號的數(shù)據(jù)交互

每臺智能試風(fēng)裝置配備專用的SIM 卡，由裝置天線對外發(fā)送信號后，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?，信號通過車站專用局域網(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，供后臺服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和計算，其網(wǎng)絡(luò)傳輸過程如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程

數(shù)據(jù)交互采用一對多的方式進(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)裝置開機后，自動向服務(wù)端發(fā)送開機指令信息，服務(wù)端接收指令后作出響應(yīng)，同時兩者自動建立數(shù)據(jù)連接；根據(jù)接口服務(wù)器的指示，服務(wù)端可以依次向多個客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令進(jìn)行查詢工作，與其對應(yīng)的客戶端做出動作，反饋所需要的數(shù)據(jù)信息，以此實現(xiàn)一對多的數(shù)據(jù)交互過程。

2.3.2 數(shù)據(jù)的計算與寫實

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)解析計算，并存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實時為司機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)壓查詢幀格式見表1，風(fēng)壓返回幀格式見表2。數(shù)據(jù)的通信方式為一條查詢幀對應(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。例如查詢1 號設(shè)備的地址為0x01，2 號設(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 個寄存器。④寄存器值風(fēng)壓數(shù)據(jù)：雙字節(jié)位，存儲列車尾部的風(fēng)壓采樣數(shù)值，是返回幀中實際所需要的信息。⑤CRC 校驗位：16 位CRC碼校驗生成，檢驗幀格式的正確性，確保傳輸無誤。

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)地址碼實現(xiàn)查詢和返回的自動匹配，表中說明地址碼為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”為單位的實際風(fēng)壓值“500”，在插入數(shù)據(jù)庫的同時，實時記錄采集時間，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)壓自動采集、匯聚，同時司機手持終端配備試風(fēng)作業(yè)界面，司機根據(jù)現(xiàn)場的實際作業(yè)情況，登錄查看對應(yīng)計劃下的試風(fēng)任務(wù)，實時掌握列尾風(fēng)壓狀況，全面監(jiān)控整個試風(fēng)作業(yè)過程。同時手持終端設(shè)置語音播報功能，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“20~30 KPa”范圍，則手持機進(jìn)行風(fēng)壓報警，提醒司機該列車存在漏風(fēng)部位，試風(fēng)作業(yè)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合黃驊港站的實際作業(yè)情況，智能試風(fēng)技術(shù)作用在C80 或C80B 的組合萬噸列車，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)裝置隨車列過翻車機房，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，此過程無需試風(fēng)作業(yè)人員出勤，依靠司機通過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 場股道

C80 或C80B 的組合萬噸列車行駛至IV 場即大翻翻前股道，進(jìn)行對位作業(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 場股道

智能試風(fēng)裝置隨車列一起經(jīng)過翻車機房到達(dá)翻后股道，進(jìn)行車列的掛機作業(yè)；順利掛機后，值班員向司機下達(dá)試風(fēng)聯(lián)控信息，即“某場某股道某車次某號試風(fēng)裝置開始試風(fēng)”；司機登錄手持終端，在對應(yīng)作業(yè)計劃下的任務(wù)欄中選擇試風(fēng)裝置設(shè)備號，進(jìn)行智能試風(fēng)裝置與車次的自動匹配，隨后開始試風(fēng)作業(yè)，司機通過手持終端的數(shù)據(jù)顯示實時觀察列尾風(fēng)壓大小，判斷試風(fēng)作業(yè)是否良好；試風(fēng)結(jié)束后，啟動列車行駛至VI場股道。

2.4.3 VI 場股道

列車在清煤線進(jìn)行清煤作業(yè)后，由值班員向司機下達(dá)試風(fēng)作業(yè)通知，此時司機直接登錄手持終端，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

對比黃驊港站試風(fēng)作業(yè)現(xiàn)狀，智能試風(fēng)技術(shù)利用智能試風(fēng)裝置實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，通過數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的存儲和采集時間的記錄，同時基于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)界面和語音播報向司機提示當(dāng)前作業(yè)狀況。該項技術(shù)在黃驊港站得到應(yīng)用驗證，不僅改變了車站的原有作業(yè)模式，同時省略了試風(fēng)人員的作業(yè)參與，并建立以司機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)差等問題，完善車站試風(fēng)作業(yè)模式，達(dá)到減員增效的目的。