基于多模通信的貨物列車尾部安全防護系統研制

關 達，文 波，張宏娜

貨物列車尾部安全防護系統（以下簡稱“列尾系統”）取代守車已在我國鐵路運用多年，對于保障行車安全具有重要作用，顯著提高了作業效率，節省了大量的人工費用［1-2］。針對地方鐵路列尾系統采用400 MHz數字對講通信技術，在山區、隧道等弱場區段通信成功率較低等問題，同時考慮鐵路沿線已具備了4G/5G網絡，研發了基于多模通信的貨物列車尾部安全防護系統（以下簡稱“多模列尾系統”），由多種通信方式同時承載列尾系統通信，各通信模式相互補充，可有效提高列尾系統的通信成功率和可靠性［3-4］。

1 系統設計

多模列尾系統將400 MHz數字對講系統與4G/5G公網相結合，多種通信模式同時工作。4G/5G通信模式下，由4G/5G公共網絡承載，通過公網架設監測管理服務器進行數據中轉；400 MHz數字模式下，采用DMR（Digital Mobile Radio，數字移動無線電）點對點直接通信方式［5］。多種通信模式共同實現列尾風壓查詢、輔助排風制動、風壓報警、電壓報警等信息的傳輸，任一模式通信成功即認為列尾通信成功。

多模列尾系統由列尾機車臺、列尾主機、機車車號確認儀、列尾主機檢測臺和監測管理服務器等構成。監測管理服務器同時配套列尾信息管理系統，在中轉數據的同時記錄列尾主機和列尾機車臺的運行數據、地理位置，幫助用戶進行遠程數據分析。多模列尾系統構成見圖1。

圖1 多模列尾系統構成

硬件部分：列尾主機安裝于列車尾部，與列車主風管連接，實時采集列車主風管風壓值，并反饋列車風壓；當列車運行過程中出現主風管風壓過低或設備電量不足時，立即向列尾機車臺進行報警。列尾機車臺安裝于車頭位置，列尾機車臺配套有控制盒操作終端，通過操作控制盒按鍵，實現與尾部設備的一對一通信，實時獲取列車尾部風壓值。當列車折角塞門出現意外關閉時，通過排風操作，控制列尾主機電磁閥動作進行輔助排風緊急制動。

軟件部分：監測管理服務器由頭尾互聯數據采集程序、列尾信息管理系統兩部分組成。頭尾互聯數據采集程序從4G/5G公網接收、轉發數據，同時將數據保存在列尾信息管理系統的數據庫中。列尾信息管理系統具有GIS地圖列尾實時追蹤、列尾實時運行數據查詢、列尾信息類型指令查詢分析等功能。

2 關鍵技術

2.1 4G/5G公網通信策略

地方鐵路沿線覆蓋4G/5G網絡，具備4G/5G網絡通信條件［6］。

4G/5G公網采用TCP/IP協議，由于移動終端設備激活網絡后為內網IP且為動態IP，為實現頭尾設備的通信，采取公網IP監測管理服務器中繼的方案。列尾主機與列尾機車臺向監測管理服務器發送指令數據，監測管理服務器根據數據幀中的命令、設備ID號等進行數據判斷并進行轉發，實現列尾機車臺與列尾主機的數據通信。

當列尾機車臺與列尾主機之間無業務數據交互時，列尾機車臺與列尾主機分別與服務器進行定時狀態數據交互。當設備與服務器狀態交互異常時，及時進行網絡更新并與服務器重新連接，保障設備與服務器之間的實時可靠連接。4G/5G通信制式系統示意見圖2。

圖2 4G/5G通信制式系統示意

2.2 服務器設計

2.2.1 頭尾互聯數據采集

頭尾互聯數據采集程序接收列尾主機和列尾機車臺發送的位置信息上報、發送指令中轉、運行信息上報、設備心跳上報等數據，根據上報數據的協議類型分別處理；對于位置和運行信息上報數據，采集程序對數據進行解析，然后存入列尾信息管理系統的數據庫；發送指令中轉數據則先進行解析，確定中轉目標后將數據發送至目標，再進行詳細解析并存入列尾信息管理系統數據庫。

頭尾互聯數據采集程序采用C#開發，使用Socket通信技術［7］，服務程序對多端設備產生的數據進行中轉管理。所有設備在接入服務程序后均保持一個TCP的長鏈接，形成長鏈接池，實時發送心跳狀態。當服務器接收到數據后，開始解析目標設備特征碼，對長鏈接池進行檢索，找到目標設備后通過TCP長鏈接將數據發送給目標設備。在中轉數據的同時，對接收到的數據進行入庫操作，即對所有中轉數據進行保存。

考慮到未來列尾設備數量較多且位置分散，為保證數據一致性和性能要求，數據庫使用分布式架構，存儲過程實現垂直分片，即將一條記錄存在多個表中，使用服務程序和存儲過程相結合的方法，將數據全局操作轉變為多個單元的垂直分片表的局部操作，保證分布式事務的ACID特性。ACID特性為原子性（Atomi city）、一致性（Consistency）、隔 離 性（Isolation）、持久性（Durability）。由于垂直分片表的操作放在一個分布式事務內，保證了分布式數據庫系統的數據一致性。分布式存儲處理流程見圖3。

圖3 分布式存儲處理流程

2.2.2 列尾信息管理

列尾信息管理系統具有GIS地圖實時追蹤、列尾信息指令的履歷查詢及列尾主機的運行信息展示等功能。

GIS地圖實時追蹤功能，不僅可對列尾的位置實時追蹤，還可在圖形化界面中展示列尾告警（風壓、電壓）并發出報警音，以幫助監測人員及時發現問題。

以往對列尾主機和機車臺的數據分析，需要等機車到站取下設備才可進行，而本系統是在機車運行過程中就將數據提交到列尾信息管理系統進行分析，不僅可以及時發現問題和隱患，而且減除了工作人員的工作量。監測服務器軟件處理流程見圖4。

圖4 監測服務器軟件處理流程

2.3 設備遠程監測

列尾設備具備北斗［8］定位功能，列尾機車臺與列尾主機定時獲取北斗定位數據，并對數據進行組幀，通過4G/5G公網將位置、業務和狀態等信息上傳至監測管理服務器。通過監測管理系統平臺對業務數據、狀態信息進行數據分析后，對設備工作狀態做出判斷，對異常狀態發出預警，及時進行故障預判，避免重大事故的發生。

監測管理系統平臺，可實時顯示機車運行位置，對收到的數據依據內置規則分為告警數據與正常數據，實時展示在GIS地圖中，點擊GIS圖中的設備圖標或告警圖標可展示當前列尾機車臺或列尾主機詳細信息。

3 系統測試

3.1 通信實時性

多模列尾系統分別通過400 MHz數字模式和4G/5G公網進行通信，測試列尾機車臺發送命令到列尾主機返回應答的時間延時，即通信實時性。測試機車臺共查詢列尾主機風壓100次，列尾主機通過4G/5G公網平均返回應答數據時間約為1 s，而通過400 MHz數字模式平均返回時間約3～4 s。說明多模列尾系統數據傳輸的實時性明顯優于原有的400 MHz數字模式通信。

3.2 網絡穩定性

多模列尾系統的機車臺與列尾主機連續工作48 h，未出現掉網現象，網絡運行穩定，數據通信正常，且數據通信成功率為100%。

3.3 現場動態測試

目前包神鐵路列尾系統為400 MHz數字通信模式，現場動態測試在包神鐵路相關線路區段進行，共分為二階段。

第一階段，列尾主機風管不與機車主風管相連，對系統設備在實際線路的通信效果進行驗證，比較多模列尾系統與400 MHz數字模式列尾系統的通信成功率。2021年6月25～28日，在包神鐵路南線按照實際運行線路情況進行驗證，通信數據見表1。

表1 第一階段400 MHz數字模式及多模列尾系統通信成功率對照

試驗過程中經過轉龍灣、新梁家山等山區隧道區域，共查詢列尾主機風壓337次，其中，400 MHz數字模式查詢成功率92.6%，而多模列尾系統查詢成功率100%。

第二階段，列尾主機風管與機車主風管連接，對試驗設備運用效果進行驗證。通過包神鐵路機車乘務員的實際操控應用，系統設備試風操作正常，符合包神鐵路既定運用要求，線路運行過程正常。運行數據見表2。

表2 第二階段400 MHz數字模式及多模列尾系統通信成功率對照

試驗過程中共查詢列尾主機風壓300次，其中，400 MHz數字模式查詢成功率94.3%，而多模列尾系統查詢成功率100%。

4 結論

1）多模列尾系統在包神鐵路進行了現場動態測試，測試效果良好，滿足現場運用需求，有效提高了山區、隧道等復雜區段的通信成功率。

2）系統可實時監測列尾設備運行狀態，提高了運輸管理效能。

3）考慮地方鐵路利用LTE-R專網通信的需求，本系統在400 MHz數字通信模式、4G/5G公網網絡通信模式的基礎上，增加了LTE-R專網通信模式。

4）多模列尾系統符合國家技術創新方針政策，實現了新興技術同傳統行業的高度融合，提高了運輸效率，更好地保障了運輸安全，可為全國地方鐵路的推廣應用提供參考。