全自動城軌列車狀態監控與調度管理系統的設計

趙婧文

摘 要：為減輕列車調度人員工作壓力，使其通過對監控數據與信息的實時獲取在短時間內進行調度管理，結合全自動無人駕駛列車系統特點及其對列車狀態監控與調度管理的特殊要求設計城軌列車狀態監控與調度管理系統，重點對列車機載終端與監控調度服務中心展開研究，車載終端在采集列車信號數據后將其經GPRS網絡數據發送至監控調度服務中心，監控調度服務中心將接收的信息呈獻給調度人員，讓其對列車運行狀態有一個實時與清楚的了解，并據此開展調度管理工作。

關鍵詞：全自動;城軌列車;狀態監控;調度管理

中圖分類號：U260.0 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0193-04

Design of Fully Automatic Urban Rail Train Condition Monitoring and Dispatching Management System

Zhao Jingwen

（School of Rail Transportation， Shaanxi College of Communication Technology， Xi an? 710018， China）

Abstract：In order to reduce train scheduling personnel work stress， and help them make an usefull dispatching management within a short time by getting real-time monitor data and information， the paper designs a full-automatic urban rail train condition monitoring and dispatching management system， which is combined with systems characteristic and its special requirements to train condition monitoring and dispatching management. It makes a detailed study on train vehicle terminal and monitoring dispatching centre. After collecting train signal data， the vehicle-mounted terminal sends it to the monitoring and dispatching service center via the GPRS network， and the monitoring and dispatching service center presents the received information to the dispatchers， so that they can have a real-time and clear understanding of the train operation status， and carry out the dispatching management work efficiently.

Key words：full-automatic; urban rail train; condition monitoring; dispatching management

近年來，信息、通信與自動控制等技術呈現出迅猛發展之勢，各項技術亦在城軌列車中得到了廣泛的應用，極大地推動著城軌列車智能化、自動化以及信息化程度與水平的提升，搭載全自動無人駕駛系統的城軌列車應運而生，它是城市軌道交通的重要發展方向之一。在全自動城軌列車監控與調度的過程中，列車運營組織作業完成于全自動列車運管系統的狀態監控與調度管理下，含列車喚醒、出庫、正線運營、終點自動清客、下線回庫、自動洗車及休眠待命等。監控調度服務中心調度員對現場各種設備信號進行監控，一旦有異常狀況發生及時采取干預處理措施，做到對列車運行的透明指揮、實時調整與集中控制。運行全自動系統后，先前司機或車站值班員負責的工作會逐漸向監控調度服務中心調度員轉移[1]，若調度員不能獲取實時監控數據與信息，則無法在短時間內針對列車運行情況與相關設備的異常情況進行處理，這可能會對整個全自動無人駕駛系統的正常運行產生影響。所以，全自動城軌列車運行系統中的狀態監控及調度管理十分重要，文章以此為視角就系統的設計進行相應研究。

1 全自動化無人駕駛對列車狀態監控與調度管 理系統的特殊要求

1.1 全自動無人駕駛列車系統的特點

全自動無人駕駛最突出的特點在于監控與管理系統的操縱完全以信號系統發送的指令信息為依據。相較于有人駕駛而言，全自動無人駕駛將駕駛員從繁重的駕駛作業中解放出現，能夠實現集智能化、安全性以及可靠性等功能于一體的目標[2]，同時，有效地減輕由于人工操作不當而造成的負面影響，不僅可以在較大程度上地提高列車的行駛準確率與效率，還有利于人為誤操作率的降低，此外，列車的加速與減速也能夠得到更加及時與精準的控制，使列車保持在一個穩定性與安全性更高的速度上運行，發揮更好的應急作用[3]。

1.2 對列車狀態監控與調度管理的特殊要求

（1）全自動城軌列車狀態監控與調度管理系統應配置可靠性高、容量大，具備實時傳輸功能的信號與通信系統，確保監控調度服務中心同運行列車間可雙向傳輸數據、圖像等信息。

（2）系統應具備快速、準確、安全的信號數據分析能力與完善的監控功能，整合密切相關于列車的所有信息，實現對正線、車輛段、停車場全線路全部專業系統的全自動監控[4]，為列車運行狀態的分析判斷及遠程調度管理提供便利。

（3）系統應在使用上便于調度人員安全、高效地完成任務，優化監控調度服務中心各調度工作的設置，保證調度人員同系統之間的人機交互質量以及調度人員同各類工作人員之間以系統設備為基礎的協同配合質量[5]。

2 列車狀態監控與調度管理系統總體設計

2.1 系統總體結構

本系統歸屬于列車信號系統的范疇，主要包括3大模塊，分別為車載終端、通信網絡以及監控調度服務中心。在這3個主要模塊中，車載終端的功能體現為對列車信號設備、軌道電路信號以及列車安全等各種信息的檢測數據及GPS信號等進行采集，借助GPRS網絡將這些數據信息發送至監控調度服務中心。在接收到車載終端發送來的數據信息后，監控調度信息對其進行處理，實時提供列車信號狀態，并根據信息做出相應調度，包括行調、電調、車輛調度等。系統總體結構如圖1所示。

2.2 系統工作原理

車載終端的主要功能為采集與發送數據，所有的移動列車均進行車載終端的配置。GPS信號接收機接收定位衛星的數據，車載終端主機對接收到的各種數據信息進行轉換，用自定義通信協議格式將處理之后的數據信息表示出來，同時，在GPRS網絡通信模塊的支持下將全部的數據向監控調度服務中心發送。

監控調度服務中心對服務器/客戶端框架模式予以采用，在服務器與車載終端之間，兩者基于GPRS網絡通信技術的支持建立起相應的連接，服務器的功能在于分析與存儲數據等，并將其向客戶端發送。客戶端同調度人員進行人機交互，為調度人員調度工作的開展提供便利。監控調度服務中心將所接收的數據存儲下來，處理GPS數據，同客戶端電子地圖相匹配，使調度人員通過對地圖上列車運行狀態的查看實時、清楚地了解列車位置信息。此外，監控調度服務中心調度人員還可通過客戶端實現對數據庫中相關信息的訪問與查看，含列車信息、調度員信息、調度信息以及歷史數據等。

3 車載監控終端軟件設計

根據前文，車載終端主要完成的是數據采集任務，含列車信號數據與GPS數據的采集及發送。

3.1 處理器軟件流程

GPRS模塊初始化主要是設置波特率等通信參數，并對網絡、SIM等的準備完備度進行檢查。對各個模塊進行相應的初始化處理之后，通過AT命令建立起與GPRS網絡通信物理層之間的聯系，之后，完成GPRS網絡的附著、分組數據協議PDP的激活以及數據鏈路的建立等各項相關任務，在此基礎之上，進一步與監控調度服務中心建立起相互之間的連接，為后期需要執行的數據傳輸任務做好相應的準備。待上述各項操作全部完成之后，處理器會將GPS模塊開啟，經GPS模塊初始化開啟數據采集任務。處理器軟件流程如圖2所示。

在R485接口的支持下，處理器能夠獲取采集到的列車信號數據信息，之后，將它們保存到緩存區，并進一步獲取GPS定位信息。出于對GPS數據格式遵循的是NMEA0813協議這一實際情況的考慮，處理器會先將GPS信息放入緩沖區，然后參照NMEA0813規范執行對這些數據信息的解析處理任務，掌握列車行駛中的精度、緯度及速度等信息，并最終將它們放入全局緩沖區。自此，可根據通訊協議將列車信號數據及GPS信息生成報文，放入GPRS發送緩存中，這時GPRS便可進行數據發送。

3.2 GPS數據采集流程

GPS報文包括列車行駛過程中所處的經度、緯度、高度、速度、時間、日期以及航向，消息類型一共6種[6-7]，此處列車狀態監控與調度管理系統終端所需信息主要包括時間、位置與速度數據信息，僅需對最小定位語句信息進行提取便可實現對車載終端需求的有效滿足。對此，進行一個數據緩沖區的設置，執行對接收到的全部GPS數據信息的存儲任務，若緩沖區已滿，則先就GPS數據的完整性做出判斷，如果不完整，則將緩沖區清空重新接收，如果完整，則進行最小定位語句信息的查找，未找到，則將緩沖區清空重新接收，找到，則提取此語句，并向全局緩沖區發送。GPS數據流程如圖3所示。

3.3 GPRS通信流程

GPRS模塊將采集到的信號經GPRS發送至監控調度服務中心。為保證大數據量傳輸以及網絡連接的長時間保持，盡可能降低掉線率，選用Sony Ericsson公司的GR47模塊，GPRS數據傳輸是其核心功能。

數據傳輸的控制主要含數據賬戶建立、PDP環境激活、連接TCP或UDP等[8-9]。在GR47模塊內部建立數據賬戶并將所接入的服務商名稱確定后，TCP/IP連接才可建立起來，此過程中，數據賬戶建立通過“AT+CGDCONT”指令實現，之后，通過“AT*E2IPA”指令又可獲取IP地址，實現對PDP環境的激活，繼而，GR47模塊便能同服務器建立起通信連接。

進入數據模式，數據傳輸速率僅相關于串口的速率及網絡狀態，在這一狀態下，模塊與服務器基于UART1建立連接，不會再就其他數據與端口做出響應。GPRS通信流程如圖4所示。

4 監控調度服務中心軟件設計

監控調度服務中心是列車狀態監控與調度管理系統的核心模塊，負責將機載終端的信號數據轉發給客戶端的調度人員，同時，轉發調度人員的操作信息給對應的服務模塊，并完成服務模塊之間的信息調度。

4.1 監控調度設計

監控調度服務中心根據監控調度配置規則，結合監控信息來源與類型將信息轉發給調度人員，由調度人員進行相應的信息處理。該中心進行CUser、CDllIntf、CDispatchManager3個類的設計，其中，CUser類與CDllIntf類之間存在聚合關系，前者負責整體監控與調度管理，后者負責同具體的服務動態庫接口;CDispatchManager是監控調度管理的核心類，負責根據監控調度規則執行調度工作。

在接收到機載終端發送的監控數據信息后，監控調度服務中心CDispatchManager類首先從消息隊列處獲取轉發數據，對轉發配置規則的存在與否進行判斷，如果結果為無，則按照默認的規則轉發，如果結果為有，則根據類型與來源獲取轉發到調度員的鏈表，由調度員發送調度信息。

4.2 監控調度關鍵技術

監控調度服務中心實現了列車各類狀態信號數據的轉發以及調度員的調度管理，將不同線程之間信息的轉發、傳遞以及管理作為主要內容。該模塊對Windows系統所具有的事件驅動特性進行充分有效的應用，線程與線程之間的通信借助消息完成對信息的傳遞。對消息進行定義的格式表示如下：

#define WM_DISPATCH_PROC WM USER+201

另外，消息映射函數為：

ON_THREAD_MESSAGE（WM_DISPATCH_PROC，OnDipatchProc）

5 結語

在計算機、網絡、通信技術等迅猛發展的推動下，城市軌道交通列車有望實現對以往人力駕駛方式的完全取代，通過無人駕駛的方式，將先前司機或車站值班員負責的工作轉移給監控調度服務中心調度人員，達到行車監控與指揮的全自動化目的。與列車運行速度的加快、密度的增加、追蹤間隔的縮小等相伴隨，確保列車安全與正點始終是運輸組織與列車調度人員的重點研究課題，文章設計的全自動城軌列車狀態監控與調度管理系統可減輕調度人員工作壓力，保證行車指揮業務便捷性與連續性，有一定的應用價值。

參考文獻

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