鐵路電務(wù)設(shè)備維護(hù)和上線作業(yè)卡控系統(tǒng)的研究

吳 宇 李 堅(jiān)

隨著我國(guó)高速鐵路飛速發(fā)展、普速鐵路的全面提速，路網(wǎng)電務(wù)設(shè)備日常維修以及施工作業(yè)等安全防護(hù)工作的難度愈來(lái)愈大，行車安全、運(yùn)營(yíng)安全、施工安全等得到了空前關(guān)注和重視，給電務(wù)設(shè)備的維護(hù)模式提出了更高的要求。

1 維護(hù)現(xiàn)狀

1．營(yíng)業(yè)線電務(wù)設(shè)備維護(hù)困難。目前，電務(wù)系統(tǒng)的日常維護(hù)中，存在管轄設(shè)備種類復(fù)雜、數(shù)量多、維修人員少、“天窗”點(diǎn)緊張、線路設(shè)備地點(diǎn)分散，以及作業(yè)區(qū)域大等問(wèn)題。

2．作業(yè)安全卡控技術(shù)手段缺乏。既有的電務(wù)維修作業(yè)調(diào)度方式，基本采用的是人工卡控的傳統(tǒng)方式；鐵路現(xiàn)場(chǎng)巡檢仍是目前最為直接的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的方式，盡管主要區(qū)域引入視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控和錄像，但無(wú)法代替設(shè)備日常維護(hù)；施工作業(yè)安全管理壓力大，缺乏先進(jìn)有效的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)快速、正確的信息上報(bào)和對(duì)作業(yè)人員的定位，在移動(dòng)巡查、突發(fā)事件實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警應(yīng)急、人員的高效調(diào)度管理等方面仍然存在瓶頸。

3．設(shè)備維護(hù)技術(shù)手段落后。設(shè)備的各類電氣性能、外觀強(qiáng)度、防雷特性、故障檢測(cè)等多項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)以手工記錄為主，數(shù)據(jù)處理量大，不便于綜合分析。在日常維護(hù)、故障管理、備品備件記錄等方面信息化手段不足，未形成專業(yè)的故障數(shù)據(jù)庫(kù)和備品備件數(shù)據(jù)庫(kù)，圖片、影像資料不夠豐富。

為此，從既有鐵路電務(wù)系統(tǒng)技術(shù)條件和裝備能力出發(fā)，提出電務(wù)設(shè)備維護(hù)和上線作業(yè)卡控系統(tǒng)，可對(duì)外巡、外檢、現(xiàn)場(chǎng)施工、應(yīng)急搶修的電務(wù)人員進(jìn)行安全卡控，對(duì)設(shè)備巡檢提供智能化管理，保障人身和設(shè)備安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)組成和工作原理

鐵路電務(wù)設(shè)備維護(hù)和上線作業(yè)卡控系統(tǒng)，由設(shè)備維護(hù)和作業(yè)管理監(jiān)控中心、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、列車位置采集系統(tǒng)和新型智能手持終端四部分組成，如圖1所示。

2．1．1 列車位置采集系統(tǒng)

列車信息采集系統(tǒng)由CIR數(shù)據(jù)采集終端和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端二部分組成。CIR數(shù)據(jù)采集終端與CIR記錄單元串口互聯(lián)，當(dāng)CIR從TAX／DMS讀取列車位置數(shù)據(jù)后被采集設(shè)備解析分析篩選處理，按照應(yīng)用層約定協(xié)議由無(wú)線終端將列車所處位置報(bào)告給設(shè)備維護(hù)和作業(yè)管理監(jiān)控中心。

圖1 鐵路電務(wù)設(shè)備維護(hù)和上線作業(yè)卡控系統(tǒng)

2．1．2 設(shè)備維護(hù)和作業(yè)管理監(jiān)控中心

設(shè)備維護(hù)和作業(yè)管理監(jiān)控中心采用B／S軟件構(gòu)架，包括維護(hù)管理終端、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器放置于路局調(diào)度中心，完成檢修任務(wù)下達(dá)、登記、撤銷和評(píng)定，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障處理專家會(huì)診與協(xié)助，和作業(yè)遠(yuǎn)程指揮和實(shí)時(shí)進(jìn)度記錄，并在GIS地圖上顯示人員、列車位置，自動(dòng)列車與作業(yè)人員距離測(cè)算與接近提醒等功能。維護(hù)管理終端分四級(jí)在路局調(diào)度中心、段、車間和工區(qū)設(shè)置，按照使用權(quán)限開(kāi)通相應(yīng)功能。維護(hù)管理終端可查詢、修改、刪除設(shè)備歷史檢修記錄、歷史故障信息，能夠展開(kāi)GIS地圖進(jìn)行車輛跟蹤及人員定位，能夠跟蹤作業(yè)實(shí)時(shí)進(jìn)展等。

2．1．3 新型智能手持終端

新型智能手持終端采用開(kāi)放操作系統(tǒng)，支持自主開(kāi)發(fā)的配套功能軟件，集成射頻RFID、北斗衛(wèi)星定位單元、450MHz模塊、800MHz模塊、LTE－R模塊和 GSM－R 模塊，接收 LBJ設(shè)備800MHz列車防護(hù)預(yù)警，接收設(shè)備維護(hù)和作業(yè)管理監(jiān)控中心發(fā)送來(lái)的列車接近預(yù)警提示，向LBJ發(fā)送施工防護(hù)報(bào)警，支持電子標(biāo)簽、巡檢拍照、文字編輯、視頻傳送、衛(wèi)星定位、450MHz 或 GSM－R通話、任務(wù)管理、記錄管理、預(yù)警提示等功能。

2．1．4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合鐵路和公網(wǎng)技術(shù)裝備以及未來(lái)無(wú)線發(fā)展方向，無(wú)線信息傳輸可以采用 專 網(wǎng) GSM－R 系 統(tǒng)、LTE－R系統(tǒng)和公網(wǎng)3G和4G系統(tǒng)。

2．2 系統(tǒng)功能

1．作業(yè)人員和列車安全距離防護(hù)。實(shí)時(shí)采集和分析列車和作業(yè)人員位置，按照人車位置測(cè)距算法計(jì)算距離兩者位置公里標(biāo)，不足安全距離時(shí)中心服務(wù)器主動(dòng)下發(fā)列車接近防護(hù)報(bào)警提醒電務(wù)人員。新型智能手持終端可向LBJ發(fā)送施工防護(hù)報(bào)警，接收LBJ設(shè)備800MHz列車防護(hù)預(yù)警

2．設(shè)備巡檢管理。RFID射頻設(shè)備掃碼實(shí)現(xiàn)設(shè)備巡檢的智能化管理，在手持終端查詢?cè)O(shè)備歷史檢修記錄和故障處理信息，錄入檢測(cè)結(jié)果，并允許通過(guò)網(wǎng)絡(luò)保存到服務(wù)器。

3．作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上線作業(yè)時(shí)新型智能手持終端可將現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖片、文本記錄回傳調(diào)度中心，接收來(lái)自指揮中心或其他終端的呼叫和文本內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)全過(guò)程跟蹤、遠(yuǎn)程作業(yè)指揮和故障處理專家會(huì)診。

4．維修任務(wù)管理。管理平臺(tái)自動(dòng)編排維修計(jì)劃編制、維修指令下達(dá)、維修任務(wù)領(lǐng)取、維修任務(wù)提醒、現(xiàn)場(chǎng)簽到功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3．1 人車位置測(cè)距

為確保作業(yè)人員有效掌握列車位置和安全距離，系統(tǒng)需對(duì)列車和作業(yè)人員位置進(jìn)行追蹤，并向作業(yè)人員提示當(dāng)前線路列車與作業(yè)人員之間距離。人車位置測(cè)距使用公里標(biāo)刻度衡量，即測(cè)算列車當(dāng)前公里標(biāo)數(shù)值與作業(yè)人員公里標(biāo)數(shù)值差值，近似計(jì)算人車之間距離。列車公里標(biāo)數(shù)據(jù)是由列車位置采集系統(tǒng)讀取，列車CIR設(shè)備每間隔1s從DMS／TAX設(shè)備獲取公里標(biāo)信息，通過(guò)有線接口發(fā)給列車位置采集系統(tǒng)。

作業(yè)人員公里標(biāo)有2種計(jì)算方式：GIS采點(diǎn)逼近法和區(qū)間設(shè)備測(cè)算法。GIS采點(diǎn)逼近法，鐵路地理信息系統(tǒng) （GIS）已對(duì)開(kāi)通線路經(jīng)緯度信息和公里標(biāo)信息建立數(shù)據(jù)表，新型智能手持終端內(nèi)置北斗衛(wèi)星定位模塊測(cè)量當(dāng)前人員經(jīng)緯度，通過(guò)對(duì)照查詢GIS數(shù)據(jù)表中最為接近的經(jīng)緯度讀取對(duì)應(yīng)公里標(biāo)，作為作業(yè)人員的位置實(shí)際公里標(biāo)值。這種方法利用成熟GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，算法較為簡(jiǎn)單，精準(zhǔn)度取決于GIS采集樣本精度。區(qū)間設(shè)備測(cè)算法，利用既有基站／車站電臺(tái)／中繼站的經(jīng)緯度和公里標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系，假設(shè)二基站或車站電臺(tái)之間的鐵路為直線，近似計(jì)算出作業(yè)人員當(dāng)前經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的公里標(biāo)信息。這種方法以區(qū)間設(shè)備作為參照系，算法相對(duì)復(fù)雜，且山區(qū)等線路區(qū)段難以近似為直線，影響了計(jì)算精度，推薦采用前種方案。

3．2 新型智能手持終端

3．2．1 既有手持終端現(xiàn)狀

鐵路現(xiàn)有手持臺(tái)有GPH、OPH、無(wú)線列調(diào)手持臺(tái)和普通對(duì)講機(jī)。其中，GPH和OPH用于GSM－R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不支持800MHz列車防護(hù)報(bào)警。而無(wú)線列調(diào)手持臺(tái)和普通對(duì)講機(jī)，適用于普速鐵路450MHz無(wú)線列調(diào)調(diào)度指揮和施工作業(yè)，不支持智能操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。為此，研發(fā)一種新型智能手持終端，可實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線制式無(wú)縫融合，采用RFID技術(shù)取代傳統(tǒng)手工計(jì)表工作，并且區(qū)間設(shè)備智能定位。

3．2．2 新型智能手持終端要求

終端軟件采用開(kāi)放性操作系統(tǒng)，集成450MHz、800MHz、GSM－R、LTE－R 和 RFID模塊，實(shí)現(xiàn)多制式、多業(yè)務(wù)、多應(yīng)用兼容，能夠根據(jù)線路特點(diǎn)和上線作業(yè)環(huán)境要求，靈活搭配不同無(wú)線單元實(shí)現(xiàn)維護(hù)要求。采用RFID技術(shù)，可掃描線路設(shè)備電子標(biāo)簽，可顯示產(chǎn)品說(shuō)明書、歷史巡檢記錄和故障診斷案例庫(kù)，自動(dòng)將檢測(cè)結(jié)果按照規(guī)范格式發(fā)送到地面服務(wù)器。新型智能手持終端可調(diào)用后臺(tái)歷史檢修記錄和故障診斷幫助，便于分析設(shè)備故障。終端可加載線路設(shè)備地圖顯示各設(shè)備公里標(biāo)，直觀定位作業(yè)人員和設(shè)備地理信息和方位，快速鎖定工作目標(biāo)。該智能手持終端便于攜帶，制作工藝、散熱、體積都有嚴(yán)格要求，且電磁兼容特性要求較高，各頻段電氣性能不能互相干擾。

3．2．3 新型智能手持終端架構(gòu)設(shè)計(jì)

新型智能手持終端采用多CPU結(jié)構(gòu)，可分為通信子系統(tǒng)和應(yīng)用子系統(tǒng)。通信子系統(tǒng)適應(yīng)各種無(wú)線接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，選擇適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，建立和維持網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備、外部接口等系統(tǒng)資源，運(yùn)行應(yīng)用程序，提供用戶界面；此外還包括終端的電源管理，為上層應(yīng)用軟件平臺(tái)提供服務(wù)，在操作系統(tǒng)之上執(zhí)行各種各樣的應(yīng)用程序等。

新型智能手持終端的硬件平臺(tái)主要由多模3G／4GLTE的處理器、800M／450MHz鐵路專用通信模塊、RFID掃描單元、北斗定位單元、攝像照相單元、WiFi／藍(lán)牙通信單元、RAM／FLASH單元、天線、耳機(jī)、話筒、觸摸屏顯示、LCD和按鍵等手機(jī)外設(shè)組成。多模3G／4GLTE主處理器采用四核設(shè)計(jì)，基于ARM Cortex－A7架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)支持HSDPA 21．Mbps、GSM／EDGE、TD－SCDMA、雙卡 （Dual SIM）、雙 卡 雙 待 （Dual Active－DSDA）；支持LTE Cat．4 （FDD／TDD）網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率最高 150Mb／s；另外，還支持 WiFi 802．11ac，藍(lán)牙、FM 等功能。800M／450MHz鐵路專用通信模塊用于與現(xiàn)有鐵路的800MHz列車預(yù)警系統(tǒng)和450MHz列車調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通信。接收的列車預(yù)警信息，可傳送至主處理器顯示和處理。北斗定位單元通過(guò)北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)位置定位和短報(bào)文通信，用于作業(yè)人員實(shí)時(shí)定位，應(yīng)急情況下還可擴(kuò)展短報(bào)文通信傳送信息。

3．2．4 新型終端主要優(yōu)勢(shì)

1．結(jié)合RFID技術(shù)與鐵路專用通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能物聯(lián)網(wǎng)終端與鐵路專用通信終端的有機(jī)融合。

2．基于北斗的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合終端的電子地圖，實(shí)現(xiàn)了人員實(shí)時(shí)卡控定位和設(shè)備定位。

3．融合了列車預(yù)警功能，為作業(yè)人員提供了更安全的預(yù)警防護(hù)。

3．3 車－地?zé)o線通信

車－地信息傳輸實(shí)現(xiàn)列車位置采集單元、手持終端與地面監(jiān)控中心之間通信。常用車－地?zé)o線傳輸?shù)姆桨赣幸韵聨追N：

1．GSM－R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)CSD電路域數(shù)據(jù)傳輸。速率為2．4，4．8，9．6kb／s三種，傳輸速率低，滿足視頻、圖像寬帶要求，該方式優(yōu)先CTCS列控系統(tǒng)使用，沒(méi)有覆蓋GSM－R網(wǎng)絡(luò)的線路無(wú)法使用。

2．鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)分組域數(shù)據(jù)傳輸。GPRS目前承載調(diào)度命令、無(wú)線車次號(hào)、編組站列檢商檢和旅客列車乘客信息傳送，單信道最高速率21．4kb／s，能夠滿足圖像和文本業(yè)務(wù)，無(wú)GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋線路無(wú)法使用。

3．公共移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)點(diǎn)是信息傳輸速率高，能滿足寬帶應(yīng)用需求，設(shè)備組網(wǎng)簡(jiǎn)單，高速和普速鐵路均適用。缺點(diǎn)是車載設(shè)備信息屬于專網(wǎng)安全保密信息，不適宜使用公網(wǎng)承載，且設(shè)備組網(wǎng)復(fù)雜，鐵路核心網(wǎng)機(jī)房需增設(shè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與公網(wǎng)互聯(lián)互通，不利于專網(wǎng)設(shè)備專項(xiàng)管理。

4．鐵路LTE－R系統(tǒng)。LTE是未來(lái)鐵路無(wú)線通信的發(fā)展方向，具備傳輸速率高，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，特別適用于寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，目前LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)正在制定，已計(jì)劃開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)段。

綜上所述，建議當(dāng)LTE－R條件成熟時(shí)車－地?zé)o線通信采用方案4。當(dāng)不具備LTE－R條件時(shí)，采用方案2和方案3聯(lián)合組網(wǎng)方式。各方案對(duì)比參考表1。

表1 各類車－地?zé)o線通信模式對(duì)比

4 應(yīng)用前景

鐵路電務(wù)設(shè)備維護(hù)和上線作業(yè)卡控系統(tǒng)為工程運(yùn)用提供了一套可行的技術(shù)方案。保障了電務(wù)設(shè)備作業(yè)人身安全，減輕了管理人員和維護(hù)人員日常檢修工作量，提升了設(shè)備管理效率和智能化水平。隨著鐵路高速建設(shè)，無(wú)線通信區(qū)間設(shè)備數(shù)量迅速增加，維護(hù)任務(wù)量逐年加大，列車運(yùn)行速度提升帶來(lái)安全壓力與日俱增，電務(wù)安全形式逐年嚴(yán)峻，特別是人身安全已經(jīng)成為全路電務(wù)工作的重中之重，如何切實(shí)規(guī)范電務(wù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是未來(lái)電務(wù)管理重點(diǎn)課題，設(shè)備和人身安全必須將 “人防、物防、技防”統(tǒng)一結(jié)合起來(lái)。

［1］ 王彤．高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)［J］．中國(guó)鐵路，2009，8．

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．科技運(yùn)〔2007〕116號(hào)．GSM－R數(shù)字移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)條件 第一分冊(cè)：調(diào)度通信系統(tǒng)（V3．0）［S］．2007．

［3］ 中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局．機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備（CIR）操作指南 ．第二版［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2014：75．

［4］ 中國(guó)鐵路總公司．TJ／DW 122B－2014．機(jī)車無(wú)線綜合通信設(shè)備功能優(yōu)化補(bǔ)充技術(shù)規(guī)范［S］．2014．