重載列車智能化操控系統車地實時通信方案研究與實現

陸小紅，張曉鳳，鄭木火，孫瑩瑩

(浙江眾合科技股份有限公司，杭州　310052)

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重載列車智能化操控系統車地實時通信方案研究與實現

陸小紅，張曉鳳，鄭木火，孫瑩瑩

(浙江眾合科技股份有限公司，杭州310052)

為提高重載列車調度和運行的自動化水平，提高線路運輸能力，基于朔黃線神華機車進行重載列車智能化操控系統和地面調度優化系統的車地實時通信方案研究，包括車地通信的接口安全性、車地通信機制和內容以及重載列車智能化操控系統對地面調度信息的處理，通過LTE-R 4G網絡實現車地數據的實時安全交互，實現朔黃線車地設備報文實時自動交互功能，進一步提高朔黃線重載列車運行的準時性和節能性。

車地通信; 智能化操控系統; 調度優化系統; 重載列車

重載列車智能化操控系統車地通信的實現是國家科技支撐計劃項目“軸重 30 t以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制”中重載列車智能化操控系統和地面調度優化系統兩課題數據交互的保證。本文主要研究其車地通信的安全性和交互機制，實現車地的實時數據交互，更好地服務于朔黃線重載列車運行和調度[1]。

重載列車具有車輛載重力大，列車編掛輛數多，操控復雜，運行距離遠等特點，如何實現重載列車在路內位置的實時確定并交互調度信息，提高調度運行自動化水平，提高運輸效率有重要的意義[2-3]。目前朔黃線車載和地面設備之間還沒有實時數據交互的通信，并且臨時限速的下發由調度中心以紙質司機報單和CF卡方式針對每列列車人工下發和核對臨時限速信息，操作繁瑣且存在一定的風險；全線以固定閉塞制式運行，列車運行授權由信號機燈色給出，司機無法確定前方允許運行距離；重載列車從神池南運行到黃驊港的計劃運行時間為8 h50 mim，而實際列車全線運行一般都在9 h30 min以上，由于調度系統不進行在線優化調整運行計劃，全線590 km的路程，司機運行過程中難免出現某些站點運行與計劃的較大偏差，導致列車在運行過程中受前車影響以及場內后長時間等待作業[4]。針對以上問題，本文研究重載列車智能化操控系統與地面調度優化系統的車地通信方案，以實現臨時限速的自動下發和響應；實現列車運行的目標點在線下發，增加列車可見的可運行距離；實現站停信息和運行時刻信息的自動下發和及時響應，車地配合實現列車運行時間的實時優化。極大地提高重載列車調度運行的自動化水平。

1　車地通信接口安全性

1.1車地安全通信結構

重載智能化操控系統采用朔黃線既有的LTE-R 4G網絡接口實現與地面調度優化系統的通信[5-6]，傳輸層協議采用面向連接方式的TCP協議。地面調度優化系統的通信前置服務器為Server端，重載列車智能化操控系統作為Client端。為保證車地間通信的安全性，需要建立如圖1所示的車地安全通信系統總體結構[7]。

圖1　車地安全通信系統總體結構

1.2車地通信安全措施

重載列車智能化操控系統車地通信結構的構建遵循EN50159標準，保證信息的真實性、完整性、實時性和順序性[8]，本文車地通信接口安全性措施具體如下。

(1)時間戳

系統發送和接收的所有應用報文均包含時間戳，用以判斷接報文是否為新報文。

在每次接收到報文時，比較該報文的發送時間戳和上周期報文的時間戳，若大于上周期的時間戳，更新報文內容，并更新時間戳，用于下次通信接收報文時判斷，否則，不更新報文內容和時間戳；在一個周期內，多次收到同一消息ID的報文時，用發送時間戳從報文緩沖池中篩選最新的報文。

(2)超時

車地信息傳輸過程中，對所有周期報進行報文超時檢查。

當本周期沒有收到有效(指報文ID正確、發送端接收端ID正確、CRC校驗正確)的新(通過報文有效性檢查，比之前收到的報文新)報文時，開始超時計數。若計數超過判斷閾值，則判斷超時。

若接收到有效的新報文時，判斷報文不超時，且將超時計數清零。

若某一周期沒有收到周期報文且未超時，則延用上一周期數據。若報文超時，則將該報文的內容置為無效態，報告通信失敗。

(3)源、目的設備識別

系統所有報文應用層均含有源和目的地址，以確定報文來源和目的地的正確性。

接收到報文時，檢查報文中發送端設備ID和接收端設備ID，若發送設備ID錯誤或接收設備ID錯誤，則判斷該報文有誤，以此避免從錯誤的設備接收報文或者接收發送給其他設備的報文。

(4)安全碼

系統提供CRC32安全碼措施防止傳輸數據出錯。

(5)報文頭

通過報文頭識別報文的起始，再通過報文長度讀取相應字節進行處理。若應用數據中數據與報文頭相同，則重復打上該字節，確保報文頭的正確識別。

(6)其他措施

系統接收報文時，會檢查報文數據類型和數據長度，若數據類型或數據長度錯誤，則丟棄該報文。

在車地通信超時后，智能操控系統主動發起向地面調度優化系統的鏈接，增加系統的可用性。

車地通信過程中，要求本系統和地面調度優化系統均執行規定的通信協議，發送時在應用數據基礎上打上上述安全協議字段，見表1，并且對收到報文的相應字段進行解析及處理，保證發送端誤操作時，故障不會進一步擴大[9]。

表1　通信數據幀格式

2　車地通信數據交互

重載智能化操控系統車地通信實現列車運行相關調度信息的實時交互，包括列車注冊信息、時間校驗、列車運行信息、列車站停信息、運行目標點、臨時限速設置和取消、調度命令信息、時刻信息和規劃曲線的交互。實現了朔黃線第一次車地設備報文實時自動交互。

2.1注冊/注銷流程

為實現列車智能操控系統與地面調度優化系統的信息交互，列車在正線正常運行時主動向地面進行注冊請求，僅在注冊完成后調度系統才對該列車進行調度管理。

智能操控系統啟動后主動鏈接調度優化系統并進行注冊，以接收調度優化系統的調度信息。接收到注冊成功的反饋后，發送列車運行信息給調度優化系統，實現調度優化系統對本車信息的實時掌握，若接收到注冊失敗的反饋，則重復注冊。當智能操控系統與調度優化系統的鏈接斷開后，主動檢查通信鏈路狀態并發起鏈接請求，重新建立鏈接后再次進行注冊操作。

當智能化操控系統處于由列車模式變為調車模式、人工軟關機、退出正線等非正線正常列車運行狀態，向地面調度優化系統發送列車注銷信息。當調度優化系統收到列車注銷信息后，在既有在線列車列表里找到該列車，標記為列車注銷狀態，并向智能化操控系統發送注銷成功消息。

2.2時間校驗

調度優化系統發送時間校驗信息，智能優化系統校驗本系統時間并反饋時間偏差，保證后續運行時間等信息的正確性。

2.3調度在線優化

為實現重載列車的調度在線優化，智能操控系統需把列車運行信息實時發送給地面調度優化系統，并交互運行時間信息，交互機制見圖2。

圖2　調度在線優化信息交互機制

智能操控系統組織司機號、車次號和機車號等車輛基礎信息以及列車運行方向、速度和位置等運行信息，發送給調度優化系統，確保調度優化系統對本車運行狀況的實時掌握，調度優化系統接收到列車運行信息后，在人機界面上顯示列車位置和速度、車次等信息，實時跟蹤列車運行。

同時列車根據接收到的調度站停信息進行站停控制，根據站間運行時間信息計算列車輔助規劃曲線并根據該曲線采用專家知識庫算法給出操控提示，指示列車在計劃站間運行時間內運行，確保準時性。并將列車在本站的已運行時間和剩余站間運行時間組成的規劃曲線信息發送給調度優化系統。

調度優化系統接收到規劃曲線信息后，比對原有調度計劃的站間運行時間，對該車的運行時間進行在線優化并下發站間運行時間給智能操控系統。

2.4目標運行點

調度優化系統檢測線路上障礙點，包括前方列車、失表的道岔、區段故障等引起的前方信號機紅燈，將該紅燈信號機位置作為目標點發送給列車，智能操控系統接收該目標點后重新計算列車運行最嚴格限速曲線，將目標點前移安全距離后設置為輔助規劃曲線的目標停車點，保證列車在該點前安全停車。

其中，安全距離的確定跟當前列車的運行速度和車輛特性、線路坡道、車地通信延時、司機反應時間等有關。安全距離的預留保證了列車在目標運行點前停車，減少了列車紅燈冒進的可能性。

2.5臨時限速信息

由于現場施工、天氣情況等原因線路上需要設置臨時限速，目前朔黃線臨時限速通知的下發由每列列車司機交班時手持CF卡上車載入并人工核對，本文車地通信實現后調度優化系統可以直接在調度中心統一設置線路臨時限速，自動識別該區段的列車并下發指定有效時間內的臨時限速到每一列列車。

智能操控系統接收到臨時限速報文，檢查臨時限速起終點公里標、限速值等信息確保臨時限速有效性，并回復臨時限速設置反饋報文；若接收到臨時限速取消報文，則比對臨時限速會話號，將相應的臨時限速刪除，并發送臨時限速反饋報文。若調度優化系統未接收到有效的反饋報文(臨時限速設置/取消成功)則繼續下發臨時限速設置/取消報文。利用數據有效性檢查以及反饋確保臨時限速的有效執行。

智能操控系統為保證列車全列完整接受臨時限速的限制，防止車尾超速，故在接收到的有效的臨時限速基礎上增加1個車長距離的限速。列車運行最嚴格限速根據臨時限速重新計算限速曲線，保證列車在限速下運行，專家知識庫算法根據當前列車距限速點的距離以及速度差、車輛制動特性、線路條件計算重載列車允許最大再生力作用下列車是否能夠減速到限速下運行，若不能，則提前施加空氣制動保證列車不超速。

3　車地通信實現

重載列車智能化操控系統給出操控提示輔助司機駕駛，向地面調度優化系統請求鏈接并注冊成功后，將運行信息發送調度優化系統后進行列車顯示見圖3。

圖3　地面調度優化系統列車顯示

智能操控系統與調度優化車地實時通信實現在線調度運行優化，相應調度優化系統的運行時間信息進行列車輔助駕駛規劃曲線的重計算，并接收調度優化系統的運行目標點進行限速處理，見圖4和圖5。

圖4　智能操控系統運行界面1

圖5　智能操控系統運行界面2

智能操控系統接收地面調度優化系統的臨時限速信息并響應，見圖6。

圖6　智能操控系統響應臨時限速界面

將本文車地通信應用于朔黃線神八機車牽引萬噸列車智能操控系統和地面調度優化系統后，實現了車地實時通信以及列車運行的在線調整，較朔黃牽引萬噸列車歷史運行時間符合度和節能性有了一定的提高[10]，見表2、表3。

表 2　萬噸綜合試驗區間走行時間指標統計

注：運行時間符合度=(實際運行時間-計劃運行時間)/計劃運行時間*100%

表3　萬噸綜合試驗區間節能指標統計

注：節能百分比=(綜合試驗能耗-朔黃線歷史平均能耗)/朔黃線歷史平均能耗×100%

(能耗負值表示本區段列車運行的發電量大于用電量)

4　結語

通過對目前朔黃線實時車地通信缺失導致的調度運行影響分析，提出實現重載列車智能操控系統與地面調度優化系統的實時車地通信，采取安全措施保證數據傳輸的正確性和完整性，從而實現站停信息、運行時間信息和臨時限速及運行目標點的車地實時交互。其中列車計劃運行時間的實時調整，進一步提高了列車運行計劃的符合度，合理調整了全線列車運行計劃，降低了列車能耗；運行目標點的在線讀取及限速防護，增加了列車允許運行的可知范圍，為重載列車的準移動或者移動閉塞制式的實現打下了一定的基礎，提高了列車運行效率；臨時限速的實時在線讀取并限速處理，增加了異常情況的應急處理能力，提高了自動化水平，進一步保證了列車行車安全。在后續的工作中，還需對車地通信內容加以拓展，并優化車地運行時間交互時機以利于更好地在線調度優化，實現列車調度和運行的進一步自動化，更大地提高線路運輸效率。

[1]孫永生，劉德勇，孫瑩瑩，等.朔黃鐵路調度優化系統研究[J].鐵道標準設計，2015，59(12):111-114.

[2]WONG K K，HO T K. Dwell-time and Run-time Control for DC Mass Rapid Transit Railways[J]. IET of Electric Power Applications， 2007，1(6):956-966.

[3]潘效玥.基于自律分散的城市軌道交通ATS的設計與實現[D].杭州：浙江大學，2013.

[4]魯放，韓寶明，何世偉，等.鐵路調度區域內貨物列車出發計劃動態全局優化[J].中國鐵道科學，2010，31(1):134-138.

[5]王安義，孫偉強.鐵路TD-LTE專網系統解決方案[J].鐵道標準設計，2014，58(2)：94-97，138.

[6]穆瀟，夏昕.基于LTE的乘客信息系統車地無線通信方案研究[J].科技創新導報，2012(14):4-6.

[7]運基信號(2010)267號.鐵路信號安全通信協議技術規范[S].北京:中華人民共和國鐵道部運輸局，2010.

[8]EN50159， Railway Applications-Communication， Signaling and Processing Systems-Safety Related Communication in Transmission Systems[S]. 2010.

[9]高云波.基于高速鐵路的GSM_R通信無線覆蓋的可靠性分析[J].鐵道標準設計，2015，59(2):113-117.

[10]步兵，丁奕，李辰嶺，等.列車控制與行車調度一體化節能方法的研究[J].鐵道學報，2013，35(12):64-70.

Research on TWC Program of Heavy Haul Train Intelligent Control

LU Xiao-hong， ZHANG Xiao-feng， ZHENG Mu-huo， SUN Ying-ying

(United Science &technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China)

In order to improve the level of automation heavy haul train dispatching and operation and improve transport capacity， this paper researches the scheme of ground vehicle real-time communication between intelligent control system and scheduling optimization system based on Shuozhou-Huanghuagang railway Shenhua heavy haul train， covering the safety of communication interface， the vehicle-ground communication mechanisms and content， and the ground schedule information processing in intelligent control system. The real-time vehicle-ground data automatic interactive features are fulfilled through LTE-R 4G network to further improve the punctuality and energy efficiency of the Shuozhou-Huanghuagang railway heavy haul train．

Vehicle-ground communication; Intelligent control system; Scheduling optimization system; Heavy haul train

2015-12-18；

2016-01-28

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00，2013BAG20B01)

陸小紅(1986—)，女，工程師，2012年畢業于西南交通大學交通信息工程及控制專業，工學碩士，E-mail：lxh1109xq@163.com。

1004-2954(2016)08-0130-04

U285.21

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.027