機車平穩操縱管理系統的研究與設計

馮彥斌

摘 要：針對機車平穩操縱在鐵路安全運輸中的重要性，分析了目前機車平穩操縱的應用現狀、管理手段及實施效果，研究了以智能機器、工業互聯、管理平臺為技術特征的機車平穩操縱管理系統。目的在于建立一套智能化的操縱管理體系，能夠指導司機平穩操縱，對異常情況進行預警，對司機操縱過程進行分析和記錄，對司機的操縱結果進行考核和打分，對全區域內的列車在遇到突發事件時進行統一應急管理，使機車平穩操縱的管理提高到了智能化、數字化、網絡化的水平。

關鍵詞：鐵路系統 平穩操縱 智能機器 工業互聯 管理平臺

中圖分類號：TP333 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-00-07

平穩操縱的含義。機車平穩操縱是為了保障列車的平穩安全運行和規范操作而采取的操作技能、技術手段、操作規范和管理辦法。

平穩操縱的重要性。在列車司機日常駕駛中，司機的操作是否規范，異常情況能否及時預警，都將影響列車的安全運行，諸如發生抱閘牽引、帶電過分相、超速、手柄操作不當、非正常停車、非正常制動、充排風操作不規范、未正常巡檢、未正常試閘等不當操作，都可能造成安全事故；若發生網壓、總風、電池電壓、牽引電流、工況、速度、信號機等故障或異常時，如不能及時預警，也會帶來安全隱患。

平穩操縱的現狀。目前在我國鐵路系統中，機車平穩操縱所采取的手段主要是根據線路情況、機車類型、牽引組合制定出一套操縱規范和管理辦法，平穩操縱完成的好壞，一方面，要靠司機對操縱規范掌握的熟練程度和操縱技能的高低；另一方面，對于出現異常情況時，司機若不能及時發現隱患或故障，會造成事故的發生。

平穩操縱管理系統研究的內容。機車平穩操縱管理系統是利用智能化的技術手段實現對操縱的過程進行實時提醒、記錄、分析、評分，并能夠對突發情況進行相關路段的實時通知和管制。機車平穩操縱管理系統采用車載智能分析管理裝置、4G網絡通信、GPS定位、地面服務器技術，將標準化的平穩操縱規范預先被車載智能機器學習，車載平穩操縱智能管理裝置通過4G網絡、GPS定位和地面服務器進行實時在線管理。

平穩操縱管理系統的研究意義。第一，車載智能分析管理裝置能夠根據列車運行的情況，實時的對司機進行操操縱指導；第二，異常情況及時預警意義，并能夠對列車運行狀態進行數據采集和分析，若有故障或隱患存在，能夠及時地進行預警；第三，對司機操縱進行評分考核的意義，地面服務器能夠對司機的操縱過程進行評分和考核；第四，異常情況能夠自動對事故進行一鍵音視頻廣播和推送，避免意外情況的發生。

平穩操縱管理系統的研究依據。根據各機務段的《列車操縱指導書》《列車操縱細則》《機務段LKJ管理分析標準及要求》的操縱管理要求及《軌道交通-機車車輛電子裝置》規范作為平穩操縱管理系統的管理依據和標準。

1 機車平穩操縱的應用現狀

目前機車平穩操縱的應用主要有兩種方式：一是通過對機車平穩操縱的各種場景進行試驗和研究，然后得出一套有針對性的操控方法和指導意見，并形成《列車操縱指導書》《列車操縱細則》，并要求司機按照指導和細則執行。二是通過地面數據分析裝置，對列車全程記錄進行分析，總結出平穩操縱應注意的實現，進行操縱反饋。

兩種方式都對機車平穩操縱的操控方法、操控規范起到了理論依據和行為規范的作用，但具體實施過程都會受到列車司機的操控技能、操縱經驗、客觀場景、臨場發揮的因素影響，而且在司機操縱實施過程中沒有操縱記錄、操縱分析、操縱考核手段，使機車平穩操縱的管理無法得到有效保障和落實，而且對于突發狀況也沒有一個實時的操控管理手段。

為了有效解決目前機車平穩操縱在實施過程中的不足，智能化、數字化、網絡化的機車平穩操縱管理系統亟待研究和實現。

2 系統設計目標

所研究的機車平穩操縱管理系統的設計目標如下。

（1）平穩操縱實時在線指導功能：建立一套智能化的實時在線管理系統，在列車行駛過程中，能夠實時地對機車平穩操縱進行指導，使司機能夠在標準規范的平穩操縱的指導下進行操作。

（2）對操縱過程進行記錄、分析、考核的功能：能夠對司機的操控過程進行記錄和分析，并對結果進行考核和打分，使機車平穩操縱實現數字化的管理。

（3）對機車安全隱患、故障、操作不當等非正常情況進行監控和預警：能夠對機車網壓、總風、電池電壓、牽引電流、工況、速度、信號、過分相、工況、充排風等參數進行采集和報警分析。

（4）聯網統一管理：所有區域的列車都可通過4G網絡和地面服務器進行聯網管理，并能夠通過PC、手機進行業務操作，能夠將各列車的運行狀況、操控記錄、操縱評分報表進行集中管理，并能夠在突發事故情況下進行一鍵上報實現聯網通知、事故通報、臨時管制。

3 系統設計原理

平穩操縱的指導原理：車載操縱主機存儲有線路數據（車站、信號機、過分相等）、操縱數據（建議標準速度曲線、限速曲線、操縱提醒條件和內容、預警條件和內容、操縱算法等）等基礎數據，在機車行駛過程中能夠根據車次、交路號、車站、輛數等信息自動匹配和調用相應的基礎數據。

機車運行故障、操縱不當等安全預警原理：車載操縱主機實時的對機車運行信息、參數信息、操縱信息進行采集和判斷，當發現有異常情況時，能夠結合各參數之間的邏輯關系、機車運行狀態進行準確的提醒和預警。

平穩操縱考核評分的原理：車載操縱主機實時的對操縱過程進行記錄和分析，當有不當操縱或異常操縱發生時，能夠根據平穩操縱的指導原則和規范進行分類識別，并將結果發送到管理平臺，管理平臺能夠根據不同操縱項的評分標準進行自動打分，并最終形成各種條件下的評分考核報表。

4 系統總體架構設計

系統由車載智能分析管理裝置、4G傳輸網絡、地面管理服務器三大部分組成。

車載智能分析管理裝置負責機車運行參數采集、運行狀態分析、平穩操控指導、機車故障預警、4G聯網通信、在線管理功能，是機車平穩操縱管理系統的核心執行部分。內置有ARM分析控制處理器、機車基礎數據庫、平穩操縱算法、4G遠程通信單元。

4G傳輸網絡是連接車載智能分析管理裝置和地面管理服務器的實時傳輸網絡，是完成集中化、在線管理的保證。

地面管理服務器是整個機車平穩操縱管理的集中平臺，是實現平穩操縱自動考核打分、各種操縱記錄報表分析、各種報警記錄報表分析、在線運行管理的數據和網絡平臺。

系統架構和組成示意圖如圖1所示。

5 車載智能分析管理裝置硬件設計

5.1 車載裝置組成

車載智能分析管理裝置由車載操縱主機、顯示器、外圍傳感、儀表組成。顯示器和主機之間采用RS232通信，主機和TAX箱之間采用RS485通信。示意圖如圖2所示。

5.2 車載操縱主機設計

（1）車載操縱主機采用ARM微處理器作為分析控制核心，協同外圍的供電單元、4G通信單元、模擬采集單元、狀態采集單元、TAX箱采集單元、數據存儲單元、LCD通信控制單元共同完成各部分功能，車載操縱主機組成結構示意圖如圖3所示。

（2）ARM處理器選型與電路設計。ARM處理器采用STM32F103RCT6，主頻72MHz，程序空間256M，內存40K，5路串口，多路DMA硬件緩存。電路設計如圖4所示。

（3）模擬量采集單元電路設計。模擬量采集選用外置18位的高精度AD轉換芯片MCP3421，并通過8路模擬切換開關74HC4051實現7路模擬量的分時切換采集。通道0為網壓采集，通道1為電壓型總風壓力傳感器采集，通道2為牽引電流采集，通道3為電池電壓校準采集通道，通道5為電池組1電壓采集，通道6為電池組2電壓采集，通道7為電流型總風壓力傳感器采集。

模擬量切換采集電路如圖5所示。

切換后的AD采集電路如圖6所示。

電池組電壓采集采用光耦繼電器AQW210S進行通道隔離切換采集，并用隔離型線性光耦實現信號隔離采樣，電路如圖7所示。

電壓型和電流型總風壓力傳感器采集分別選用0～5V和4～20mA的采樣信號范圍，供電電壓為直流15V，設計電路如圖8所示。

網壓采集通過采集網壓表的交流輸出0～100V信號實現，選用2～2ma的電壓互感器進行信號隔離采樣，并進行信號采樣、整流、濾波處理，電路設計如圖9所示。

（4）存儲單元電路設計。存儲單元選用16M的flesh存儲器芯片W25Q16DV，spi接口，設計電路如圖10所示。

（5）主斷狀態采集電路。主動狀態輸出信號為直流110V電壓信號，采樣光耦PC817進行信號隔離采集，電路設計圖如圖11所示。

（6）TAX箱通信電路設計。TAX箱通信接口為RS485，選用ADM2483隔離RS485芯片進行設計如圖12所示。

（7）LCD控制通信電路設計。設計2路串口LCD顯示屏接口，供電定壓DC15V，輸出功率5W。

LCD電源控制電路如圖13所示。

LCD串口通信電路設計如圖14所示，其中2路串口發送通道通過74HC4051進行切換實現，2路串口接收通道通過74HC1G08與門進行分時服用。

（8）4G通信電路直接選用4G通信模塊，通信接口為TTL串口，接口電路如圖15所示。

（9）供電電路選用隔離DC-DC直流110V轉15V模塊，并通過DCDC穩壓芯片MP1482獲得3.3V電源，電路如圖16所示。

5.3 車載操縱顯示器設計

車載操縱顯示器選用7吋的1024×600的觸摸顯示屏，通信接口為串口，內置系統，內置語音電路，可以顯示曲線、文本、圖標等多種內容，可以遠程、本地播放語音。

6 車載智能分析管理裝置程序設計

6.1 主程序設計

主程序設計任務和流程圖如圖17所示。

6.2 TAX箱通信示例

void do_uart2_rx（）

{

if（ uartrx_socktx_flag[SOCK_UART2]==1 ）

{//1

no_data_flag=1；//1=接收到數據

no_data_ms=0；

if（ sock_tx_len[SOCK_UART2]>=72 ）//72

{//2

uint8 flag；

uint16 i，a；// a--其他判斷不能用

flag=0；

//------------------------------------------------------------------------

for（i=0； i<72； i++）

{//3

if（dma2_rxbuf[i]==0x38）//協議3 first part

{//4

if（sock_tx_len[SOCK_UART2]>=（i+72））

{//5

if（dma2_rxbuf[i+32]==0x39）

{//6

a=i+32；

if（check_tax_crc39（a）==1）

{

flag=1；//協議3 flag

break；

}

}//6

}//5

else break；

}//4

……

}//3

}//2

DMA_UsartrxConfig（1）；

}//1

}

6.3 4G通信處理程序示例

void do_uart1_rx（）

{

if（uartrx_socktx_flag[SOCK_UART1]==1）

{//1

if（sock_tx_len[SOCK_UART1]>4）

{//2

……

}//2

DMA_UsartrxConfig（SOCK_UART1）；//usart1-test：0-3

}//1

}

7 地面管理服務器設計

地面管理服務器采用B/S的系統設計架構，由通信服務程序、Web服務程序、mysql數據庫組成，如圖18所示。通信服務程序負責4G通信管理和數據解析，Web服務程序負責數據分析、業務處理、用戶管理等功能。

車載操縱主機和地面管理服務器之間采用基于TCP/IP的socket通信方式，地面管理服務器作為服務端server，車載操縱主機作為客戶端client，客戶端client主動請求server來建立通信鏈接。

Web服務器作為服務端，用戶可以遠程訪問WEB服務器網址進行賬戶登錄，通過輸入賬號、密碼進軟件登錄。

地面管理服務器可根據車載裝置的上報數據進行平穩操縱的打分考核管理，可生成平穩操縱打分考核報表，并可分別通過日期、司機、機車牽引組合類型、操縱類別等條件進行相應的統計報表分析。

地面管理服務器可遠程對車載裝置進行語音、文本信息的通知和廣播。

地面管理服務器當接收到車載裝置發來的廣播請求命令時，可將該廣播內容對所管轄區域內的所有列車進行語音、文本形式的廣播。

8 試驗及應用分析

目前平穩操縱管理系統已通過了列車裝車試驗和實際應用，在使用過程中，受到了眾多司機的好評和歡迎。使司機有效避免了充風不足開車、累計減壓超過最大減壓量、連續減壓次數超過規定次數、帶電過分相、工況轉換間隔太短、抱閘牽引、單閥制動、上下行轉換操作時機不當、超速、總風異常、開車前未試閘、起車空轉等非正常操縱現象，并在特定情況下能夠及時的提醒防洪地段、走廊巡視、慢行提醒等事項。

9 結語

通過對機車平穩操縱管理系統的多車次、多人員的試驗和應用，達到了系統的設計目標，對列車平穩操縱起到了指導作用，對列車的安全運行起到了重要保障，有效的減少了不當操縱和異常情況的發生，并對列車的安全、平 穩操縱提供了科學的管理平臺。

參考文獻

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