摘要：列尾裝置對貨物列車運輸安全起到了非常重要的作用，列尾裝置故障會帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失風險。探究列尾裝置與監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出一種列尾裝置運行實時監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化，文中闡述了該系統(tǒng)總體設(shè)計、功能模塊設(shè)計和軟硬件設(shè)計，系統(tǒng)主要由采集傳輸裝置和列尾裝置檢測設(shè)備組成，對列尾主機、機車臺的電性能與功能參數(shù)進行采集，STM32F407ZGT6主控板進行數(shù)據(jù)的接收、判斷和故障報警等，同時也可傳輸至外部設(shè)備，以對列尾狀態(tài)趨勢和壽命周期等進行實時監(jiān)測和綜合研判，為列車運輸安全提供保障。關(guān)鍵詞：列尾裝置；故障；列尾主機；實時監(jiān)測系統(tǒng)；LORA

中圖分類號：TP277文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0181-03

Monitoring and system optimization design of column tail safety protection based on artificial intelligence

LEI Zhenjiang

（GuonengBaoshen Railway Co.，Ltd.，F(xiàn)eicheng 271600，Shandong China）

Abstract：The tail-train device plays a very important role in the safety of freight train transportation，and the fail-ure of the tail-train device will bring huge security risks and economic losses.Based on this，this paper briefly de-scribes the application status of tail-end device and monitoring system，proposes a real-time monitoring system for tail-end device operation，and introduces the overall design，function module design，software and hardware design of the system.The system is mainly composed of acquisition and transmission device and detection equipment of tail-end device，and collects electrical performance and functional parameters of the tail-end host and locomotive platform.The STM32F407ZGT6 main control board is used for data reception，judgment and fault alarm，etc.，and can also be transmitted to external equipment for real-time monitoring and comprehensive research and judgment of the status trend and lifecycle of the train tail，providing guarantee for the safety of train transportation.

Key words：column end device；malfunction；column end host；real-time monitoring system；LORA

列尾裝置全稱為列車尾部安全防護裝置，主要由司機控制盒、列尾機車臺、列尾裝置尾部主機以及列尾主機檢測臺等組成，其具備的功能有：列車尾部標識，監(jiān)測并通報列尾的風壓，列車尾部排風制動，列尾主機電池電量不足告警以及黑匣子記錄功能等。列車的安全運行是鐵路運輸不斷追求的目標，列尾裝置一旦發(fā)生故障，不僅影響列車運行秩序，還會對人身安全和經(jīng)濟財產(chǎn)造成嚴重威脅。列尾裝置運行監(jiān)測系統(tǒng)在提前排除故障隱患、保障行車安全、防止列車二次事故等方面作用突出，成為鐵路運輸行業(yè)研究熱點，隨著無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，列尾裝置運行監(jiān)測系統(tǒng)得到改進和完善。

1列尾安全防護監(jiān)測裝置及系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

列尾裝置的使用，顯著提升了列車、貨車的運輸安全性，但在惡劣環(huán)境和通信弱場的情況下，列尾裝置故障時有發(fā)生。設(shè)備使用頻率越高、服役壽命越長，發(fā)生故障的風險就越大。不同的故障類型需要不同的處理方案，如果列尾故障的匯報不準確，會導致工作人員盲目臆測行事，無法及時修復故障。在日常的檢測維護中，往往忽略對列尾主機及電池的全面檢測。另外，部分列尾裝置常規(guī)檢測技術(shù)落后，不利于列車的智能化、信息化升級，可以繼續(xù)使用的列尾裝置被大量淘汰，造成資源浪費[1-3]。

隨著列車運輸需求的快速增加，列尾裝置運行監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和穩(wěn)定運行成為行業(yè)研究重點。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取列車的位置、風壓、電壓等多項重要數(shù)據(jù)，直接提升列尾作業(yè)安全性，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嚓P(guān)服務(wù)器，供鐵路局以及各級運輸指揮部門實時查閱和分析，為列車的運營決策提供幫助，實現(xiàn)有效的故障預(yù)防和處理[4-5]。列尾裝置運行監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可避免因安全事故造成的巨大財產(chǎn)損失，還可減輕工作人員勞動強度，提高鐵路運營的服務(wù)質(zhì)量等，帶來的經(jīng)濟效益明顯。

2列尾安全防護監(jiān)測裝置及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)的設(shè)計需要實時采集列尾的狀態(tài)參數(shù)，采用無線傳輸和有線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)匯聚到系統(tǒng)主控中心，解析處理后進行列尾裝置運行現(xiàn)場監(jiān)測和遠程監(jiān)測。性能方面，要求節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)采集節(jié)點低功耗，還要保障采集信號的實時性等。本文提出了一種列尾裝置運行實時監(jiān)測系統(tǒng)，圖1即為該系統(tǒng)的示意圖。

由圖1可知，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集接口、主控板、檢測臺、數(shù)據(jù)采集適配器、綜合測試儀等部分組成。數(shù)據(jù)采集適配器、檢測臺均通過數(shù)據(jù)采集接口與主控板建立連接，完成數(shù)據(jù)傳輸。除數(shù)據(jù)采集接口外，與主控板相連接的3個模塊均屬于數(shù)據(jù)采集傳輸裝置。該系統(tǒng)基于以太網(wǎng)技術(shù)、Lora技術(shù)分別建立有線傳輸方式和無線傳輸方式。示意圖中列尾裝置代表列尾主機，檢測臺代表列尾主機檢測臺。列尾裝置也同樣代表列尾機車臺，檢測臺也同樣代表列尾機車臺出入庫檢測臺。列尾主機安裝在列車尾部，列尾機車臺安裝在列車車頭，通過配套的列尾控制盒操作終端，實現(xiàn)與尾部設(shè)備的實時通信[6]。

該系統(tǒng)的工作過程為：綜合測試儀收集列尾主機運行的主要參數(shù)，如功率、靈敏度、風壓、輔助排風等，并將結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)采集適配器、數(shù)據(jù)采集接口，最終傳輸至主控板，主控板對收集的數(shù)據(jù)進行簡單判斷和故障通報。同時還可將這些數(shù)據(jù)以有線或無線傳輸方式傳輸至外部設(shè)備，進一步進行數(shù)據(jù)收集、共享和分析處理，全面評估與預(yù)測列尾主機的性能狀態(tài)、可使用年限等，避免列尾裝置資源的浪費，更重要的是實現(xiàn)列尾裝置的智能化檢測。

2.2功能模塊設(shè)計

列尾主機的主要構(gòu)成包括主控單元、記錄單元、風壓傳感器及排風單元等。列尾主機檢測臺專用于檢測列尾主機的功能和電氣性能指標，為列尾主機提供電源和風源，二者建立連接后，可查詢列尾主機的風壓、排風和異常報警信息，保障列尾主機的安全穩(wěn)定運行[7]。

列尾機車臺的主要構(gòu)成包括主控單元、電源單元、記錄單元和列尾控制盒等。列尾控制盒由液晶顯示屏、按鍵、電源開關(guān)等組成，通過RS-422接口與主控單元建立連接，實現(xiàn)人機交互、播報請求、確認等功能。主控界面顯示機車號、尾部風壓、列尾指令、通信狀態(tài)、工作模式等詳細內(nèi)容。列尾機車臺出入庫檢測臺的主要構(gòu)成包括系統(tǒng)主機、工控計算機和連接電纜等，是專用于檢測列尾機車臺出入庫的裝置，檢測內(nèi)容如機車臺主機和列尾控制盒的運行狀態(tài)、二者的通信狀態(tài)以及列尾控制盒按鍵情況等，與列尾機車臺建立連接并采集相關(guān)信息后，將結(jié)果自動上傳到計算機中，以檢測日志形式存儲[8-10]。

設(shè)備遠程監(jiān)測模塊設(shè)計中，列尾設(shè)備具備北斗定位功能，列尾裝置可實時獲取北斗定位數(shù)據(jù)，通過4G/5G公網(wǎng)將位置、狀態(tài)等信息上傳至主控板，進行數(shù)據(jù)分析后，可在顯示屏實時展出，監(jiān)測系統(tǒng)與工作人員獲取設(shè)備運行狀態(tài)，劃分正常數(shù)據(jù)與告警數(shù)據(jù)；若有異常即可發(fā)出預(yù)警，進行故障的判斷、預(yù)測，保障列尾裝置的穩(wěn)定運行[11-12]。

2.3硬件設(shè)計

2.3.1主控板

列尾裝置運行實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，采用芯片型號為STM32F407ZGT6的主控板，該芯片以高達168 MHz的頻率運行，集成了高速嵌入式內(nèi)存，最大1 MB的閃存，I/O接口數(shù)量較多，具有標準和高級功能通訊接口，電源電壓為3.3 V，可較好滿足列尾裝置運行實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建需求[13]。

2.3.2數(shù)據(jù)存儲器

監(jiān)測系統(tǒng)采用的是MICRON品牌的數(shù)據(jù)存儲器，芯片型號為MT29F1G08ABAEAWP：E，該存儲器類型為非易失，存儲器格式為閃存，存儲容量為1 GB，數(shù)據(jù)總線寬度為8 bit，芯片工作電壓為2.7～3.6 V[14]。

2.3.3 LORA無線傳輸模塊

LORA無線傳輸具有微功率、傳輸距離遠、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，采用ATK-LORA-01無線串口模塊實現(xiàn)該監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸功能，模塊設(shè)計采用的是SX1278射頻芯片。LORA模塊共32個通道，支持在線修改串口工作模式、發(fā)射功率等參數(shù)，接收靈敏度達-136 dBm。模塊內(nèi)部存在數(shù)據(jù)緩存器FIFO，讀取緩存器中的數(shù)據(jù)自動分包發(fā)送，接收數(shù)據(jù)時，先將其存到FIFO，再通過串口發(fā)送給STM32主控板[15]。該模塊的工作電壓為3.3～5 V，通常有4種工作模式，分別為一般模式、喚醒模式、省電模式和信號強度模式，在此選擇喚醒模式，數(shù)據(jù)包發(fā)射前自動增加喚醒碼。

2.3.4電源模塊

電源模塊的設(shè)計需要綜合考慮監(jiān)測系統(tǒng)各個模塊的供電需求，上述硬件設(shè)計的工作電壓存在差異，在此選用12 V鋰電池組供電，通過降壓芯片L7805將12 V直流電降為5 V，再通過ME6211穩(wěn)壓芯片將其進一步降到3.3 V，為監(jiān)測系統(tǒng)各設(shè)備和芯片提供穩(wěn)定工作電壓[16]。

2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計

列尾裝置運行實時監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的開發(fā)模式。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案為：采集到的列尾位置信息和列尾實時運行的工況信息均經(jīng)安全加密后傳輸?shù)焦W(wǎng)上，再轉(zhuǎn)發(fā)到鐵路內(nèi)網(wǎng)的專用服務(wù)器中，經(jīng)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)解密、應(yīng)用[17-18]。底層數(shù)據(jù)庫選用的是MySQL，應(yīng)用層服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的操作系統(tǒng)均為WinServer2016，客戶端界面基于Win 7以上系統(tǒng)進行開發(fā)設(shè)計。列尾裝置運行實時監(jiān)測系統(tǒng)的地圖展示及運行軌跡回放設(shè)計中，由于地圖中的信息量非常大，地圖的縮放和拖動需要大量的數(shù)據(jù)計算支撐，為保障系統(tǒng)較好的視覺效果，采用多線程算法和增量重繪法則。為提高數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用效率，在內(nèi)存中單獨設(shè)立一個緩存區(qū)域，當系統(tǒng)啟動時將相關(guān)地圖數(shù)據(jù)全部加載到緩存器，繪制地圖時可隨時訪問該緩存區(qū)，就不會與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間有過多的連接交互；另外一個線程負責更新緩存區(qū)的數(shù)據(jù)。在地圖縮放時，大部分信息不需要重新繪制，從內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中檢索到縮放前后的增量數(shù)據(jù)直接繪制即可[19-20]。

3結(jié)語

隨著鐵路通信技術(shù)的發(fā)展和運輸需求的增加，列尾裝置運行監(jiān)測系統(tǒng)的大范圍推廣應(yīng)用是列車運輸領(lǐng)域發(fā)展大趨勢。本文提出了一種智能型的列尾裝置運行實時監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的總體設(shè)計、工作流程、功能模塊設(shè)計以及軟硬件設(shè)計進行了詳細的探究。該監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)不僅有利于提升列車運輸安全，還可促進列車運輸智能化與信息化發(fā)展，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益，在鐵路發(fā)展中起到重要作用。

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（責任編輯：蘇幔，平海）