鐵路專用線車地聯控系統的研究與設計

張正光，李國寧，田俊鵬，陳 璐

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070;2.北京康吉森交通技術有限公司，北京 101318)

隨著我國鐵路的高速發展和計算機技術的不斷更新，以計算機為主的鐵路信號系統越來越高效，可靠，安全的運用在各鐵路沿線上。目前我國煤礦、鋼鐵等礦區鐵路專用線設備相對來說較陳舊、簡單，加之運輸作業量較大，線路繁忙，所以對生產安全和高效率有著很大的挑戰［1-2］。為了提高礦區鐵路運輸的安全水平和運輸效率，通過對計算機聯鎖、平面調車作業、機車定位、貨運信息及調度指揮等系統的研究，設計了一種能達到整個運輸系統數據共享，實現運輸作業和調度指揮自動化、網絡化、無紙化的車地聯控系統，從而提高運輸效率和安全系數。

車地聯控解決的問題［3］:

(1)將調度計劃(調車作業通知單等)直接發送到地面機和機車上，減少了人為錯誤，并可根據生產需要及時修改調度計劃;

(2)作業情況在機車、地面機、調度3個層面做到實時“勾勾清”，有利于各環節工作人員清楚了解運輸現狀;

(3)地面機與機車通過實時信息同步，達到對機車速度，距前方信號機位置，車列長度的實時測量;通過對車列長度的測量，計算出機車牽掛車皮數，實時校對運輸計劃與實際作業的一致性，確保運輸信息系統的正確性;

(4)通過對機車速度、距前方信號機距離的測量以及信號機狀態顯示，對誤闖信號和超速行駛的違章作業給予及時的報警，有效提高運輸的安全性;

(5)實時監控機車司機的在崗情況，實現機車內部情況及時的視頻傳輸。

1 車地聯控系統介紹

車地聯控系統從計算機聯鎖系統［4］中獲取站場實時信息、調度計劃管理系統［5］中獲取調度計劃信息、車載設備中獲取機車運行狀況信息(包括運行方向、速度等)，將這些信息綜合起來進行一系列邏輯運算后，實現“車”與“地”的聯控來保證機車運行安全。車地聯控系統主要實現的功能有:機車精確定位、闖信號機、超速報警、機車運行信息顯示、作業單無線傳輸、機車工況采集、存儲與回放、電子添乘系統、區段有車占用提示、任意區段限速、緊急停車功能、作業信息存儲與回放、電子地圖大屏顯示、站內車皮信息顯示、區間道口信息顯示等。車地聯控的系統結構如圖1所示。

圖1 車地聯控系統結構

2 系統硬件結構

車地聯控系統由車載設備與地面設備組成。車載設備由車載主控、車載終端、安裝的傳感器、GPS接收機、數傳電臺等部分組成;地面設備由三取二主控機、數傳電臺(雙冗余)、電源模塊(雙冗余)、電子地圖等組成。

2.1 工作原理

車載系統負責采集機車工況數據(方向、速度、壓力、里程數累計等參數)，同時負責機車與地面機的通信。地面機設備主要完成跟車邏輯運算、機車定位、作業計劃發送、站場數據傳輸等功能。服務器與地面機通過網絡連接，從地面機獲取站場信息，機車信息，顯示各站的站場狀態，顯示機車詳細信息。服務器還與信息化系統連接，傳輸機車信息到信息化系統，從信息化終端獲取作業計劃信息。GPS基站與服務器連接，基站定時傳輸差分數據到服務器，服務器將差分數據發送到各站的地面機，地面機再發送到站內的機車。車地聯控工作原理如圖2所示。

圖2 車地聯控工作原理

2.2 機車精確定位

車地聯控系統通過軌道電路和測速定位法定位當前機車的準確位置，機車速度傳感器采集速度并計算里程數，地面機每隔50 ms獲取一次機車信息，獲取機車的當前里程數，與上次的里程數進行比較，獲取里程差，然后在顯示終端上移動機車位置。GPS定位作為輔助手段對機車進行定位，當地面邏輯判斷機車位置不正確的時候，需要通過GPS的定位信息對機車進行修正。通過多區段的左右絕緣節進行GPS經緯度的測量，可以獲得區段的長度，結合機車傳回的經緯度坐標，可以判斷機車是否在區段上。通過軌道電路、測速定位法和 GPS定位法相結合，確保了機車的精確定位。

2.3 系統組成

車地聯控系統可以分為以下幾個子系統。

車地聯控車載系統主要由車載主控機、車載顯示終端、車載接線盒、GPS接收機、485轉換模塊組成。GPS接收機通過天線，獲取GPS衛星信號，計算出當前機車所在的經緯度坐標，將該信息通過接線盒定時發送到車載主控機上，車載主控機再發送到地面站進行定位計算，通過計算獲得機車所在的區段，最終通過車載顯示終端實現人機交互。

車地聯控電子添乘系統包括錄像主機，車內攝像頭和車外攝像頭。進行視頻和音頻信息的采集和保存，配備的硬盤大約可保存設備開啟期間最近半月的信息。電子添乘系統主要通過無線設備，實現對機車內的實時監控，保證機車安全駕駛，防止因人為原因事故的發生，也便于鑒別司機的操作技術和事后責任的界定。

車地聯控地面機CPU實時計算著站場的信息，并且模擬生成虛擬的機車對象，并進行機車跟蹤定位、作業計劃傳輸等邏輯運算，地面機維護著本站內的所有機車。車地聯控地面機從計算機聯鎖系統中獲取站場數據并進行邏輯運算處理，通過以太網和無線電臺將機車位置、車列長度等運算結果分別傳輸給機車和信息化系統。同時，調車作業單通過以太網傳輸到車地聯控地面機，再通過無線設備傳輸到機車上，實現了實時下達和變更調車計劃，完成了車站和機車間的相互控制［6］。

車地聯控服務器、維修機顯示所有站場信息，機車信息，軌道采集模塊信息，提供人工維護機車界面，站場機車數據存儲與回放，車地聯控系統運行日志記錄，信息化終端連接、作業計劃轉發，GPS基站差分數據轉發，GPS坐標補點功能。車地聯控服務器軟件是運行在WINDOWS操作系統下的人機交互軟件，用于監控所有站的相關信息，包括站場信息、機車信息等。每個車地聯控項目只需要運行一套服務器軟件，服務器軟件通過網絡與各個站的地面機連接通信，從地面機獲取站場與機車的信息;通過網絡與信息化終端連接，接收信息化下發的作業計劃，同時發送機車信息給信息化終端。

車地聯控電子地圖的特點是通過結合GPS信息，精確定位站內每個機車的位置，對機車位置進行自動校正，不需要人工參與維護。在調度中心的大屏上可以通過電子地圖直觀地監視到站場的狀態、機車在站場所在的區段及精確位置、同時結合信息化系統能夠直觀地顯示區段中所有的車皮信息及狀態。另外，電子地圖終端實現了站場之間的區間顯示，能夠監視機車在區間中的準確位置，所在道口的情況。在調度中心的大屏上，可以實現所有站的同時顯示，一個小屏幕顯示一個站場，也支持整個大屏顯示一個站場信息。

3 系統軟件結構

車地聯控系統的應用軟件包括:服務器軟件、維修機軟件、通信軟件、MCCAD軟件、IO數據處理模塊軟件等，如圖3所示。

圖3 車地聯控軟件體系結構

車地聯控系統數據豐富，各子系統之間進行大量的信息傳遞和數據交換，這樣就要求各個子系統、模塊之間要有較強的接口能力。從系統的整體需求出發，分析各軟件所實現的功能和其他軟件系統之間的交互關系，確定組成系統的各個硬件、系統的整體結構、部件同步、部件交互和部件通信協議等，既考慮完全實現各項功能任務，又考慮軟件的擴展和維護。從整體上軟件體系結構的設計思想是模塊化軟件結構［7］。

4 系統運行環境

圖4是車地聯控系統界面，從圖中可以看出該系統界面簡潔，易操作。地面機采用的是目前鐵路系統中較流行的QNX操作系統［8］，QNX是一種多任務、多用戶的實時操作系統，具有優先級占用，方便移植，快速程序切換等優點。本系統所有的軟件均使用C++語言按模塊化的結構編寫而成。

圖4 車地聯控系統界面

通信方式［9］:地面機與車載系統通過無線電臺通信，地面機、服務器、信息化系統通過網絡連接，服務器與GPS基站則通過串口連接。

系統調試:對車地聯控系統功能的測試主要有以下2種方法。(1)將系統安裝在實際的鐵路運行線路中，根據實際需求和現場情況進行調試。(2)在實驗室里搭建虛擬的測試平臺，模擬現場實際的運行情況［10］，進行功能調試。最后根據調試結果，總結出系統的不足和漏洞，進行不斷的改進和完善。

安全性能:結合鐵路信號的技術趨勢，車地聯控系統采用的通信技術、容錯與可靠性技術以及故障-安全技術，滿足鐵路專用線安全、高效的要求。其在維護上集成了許多豐富的功能，主要體現在人工維護機車界面，站場機車數據存儲與回放，系統運行日志記錄，超速報警等功能中，電務維護人員通過歷史查詢就能找到各種軟硬件故障。

5 結論

車地聯控系統硬件上采用動態冗余結構、故障隔離技術和一些安全防護措施，保證了系統硬件的安全可靠;軟件上，各軟件子系統的動態冗余機制保證了對故障的及時屏蔽和系統的不間斷安全運行，確保了系統中軟件部分的安全可靠。目前，該系統已開發完成，進入實際應用階段。車地聯控系統的使用提升了企業的生產管理水平，提高了運輸效率，方便、快捷、安全的傳遞生產管理信息，同時提高了各級生產管理人員信息化管理水平，為企業及時、準確、科學的決策提供依據。

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