鐵路人員上線作業流程閉環安全卡控系統設計

郭永紅

(神華新朔鐵路有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引言

目前，鐵路通信在我國的通信行業內占據舉足輕重的位置。隨著鐵路線的增加，通行任務也在不斷提升，為了保證列車每天可以正常穩定的運行，鐵路工作人員必須每天對各工區所管轄的區域進行維護以及巡查。這是一項長期、定期，還存在重復性的工作，要將任務制作成計劃，嚴格地按照所制定的計劃內容進行工作，最后把工作結果進行記錄并提交存檔。為了對其進行系統化的管理，要每天對前一日的計劃進行覆蓋，等到規定時間后，檢查記錄的所有計劃。這樣不僅可以控制鐵路工人上線作業能夠按照計劃流程進行分階段的工作，還可以保證作業的安全[1]。

通過調查統計得知，一天的上線作業流程可以分成5個階段：作業前準備階段、上線工作階段、正在作業階段、下線作業階段和完成作業階段。由于鐵路線上的工作環境較為復雜，尤其是正在作業的階段，會存在一定程度的危險。而施工安全就是指上線作業時，為避免造成人員以及經濟損失，消除或有效控制可能發生的危險因素，進而采取防護措施，令作業流程可以在符合規定條件下進行，從而保障鐵路人員的健康及安全、設施以及設備不受損壞，使施工活動可以順利執行[2]。

為此，本文設計一種鐵路人員上線作業流程閉環安全卡控系統。此系統利用PID閉環控制算法，并結合登錄模塊、故障記錄模塊、故障信息、智能搜索、卡控過程展示、信息交互以及退出模塊，使其指揮調度中心能夠時刻獲取線上工作人員的工作進度，不會受到外界干擾的影響，保證信息交互的完整性。

1 基于閉環安全的PID控制算法研究

1.1 比例控制規律

設置P代表存在比例控制的控制器，控制信號輸出過程具體公式為

u(t)=KPe(t)

(1)

KP為比例增益，且控制器的偏差信號e(t)和輸出信號u(t)是成比例狀態的。

比例控制器在其根本上即為增益放大器，在其內部變換信號，僅更改幅值，相位不變。提升比例增益KP效果，不僅能夠提升系統增益，同時，還可以降低誤差，使其控制精度變得更加精準。但如果KP過大，則會導致系統的穩定性降低，致使系統的整體變得不穩定，所以需要根據實際情況輸入合理的KP值[3]。

1.2 積分控制規律

設置I代表存在積分控制的控制器，利用I對積分的輸出u(t)以及偏差e(t)進行調節，使其呈正比的關系，具體公式為

(2)

K為積分速度；Ti為i時刻時間常數。在輸出信號等于0時，偏差信號也不會變化，同時，它能夠在任意位置進行停留[4]。

1.3 比例-積分控制規律

將比例控制與積分控制進行結合，利用輸出信號u(t)可以準確地反映出偏差輸入信號e(t)，具體公式為

(3)

該方法就是在系統內添加開環極點，提升系統型別，改善性能，再通過對負載零點進行提升，從而提升阻尼系數，降低系統可能出現的負面影響。

1.4 全閉環的控制分析

閉環系統動態結構主要由反饋通道、廣義對象以及數字位置控制器所構成。其中，廣義對象由交流伺服系統、機械運動部件、脈沖發生器和零階保持器構成。機械運動部件通過轉換電機轉角，以直線位移的狀態進行運動，而把非線性以及傳動誤差當成系統的擾動情況進行處理，那么就能夠把此環節作為比例的環節。在交流伺服系統內，它是以驅動裝置的方式存在，其轉角θ和指令脈沖F間存在積分聯系，但是以微觀的角度對其進行觀察，要考慮到θ和F之間所存在的慣性因素。而脈沖發生器采用位置控制器發射控制信號，生成控制交流伺服的系統指令，所以此環節也是比例環節。設s為原點開環零點[5]，則廣義對象傳遞函數公式為

(4)

在反饋通道內存在可逆計數、前置處理、信息傳遞和維持裝置等裝置，通過這些裝置能夠處理比較復雜的應用。但要以實際的位置作為輸入，通過位置反饋值作為輸出，得到適當設計的傳遞函數為Gd(S)=1。

通過對廣義對象進行考慮，它是作為包括一積分環節的3階系統，為使閉環系統擁有快速的動態性能，要跟蹤斜坡的輸入誤差，得到具體公式為

(5)

ui為第i采樣周期輸出；ei為第i采樣周期輸入以及輸出間的跟隨誤差；KI為積分的增益系數；KD為微分的增益系數[6]。

2 上線作業流程安全卡控系統設計

本文通過引入PID閉環安全控制算法，將該算法與卡控系統相結合，能夠精確地跟蹤目標的運動軌跡，在指揮調度中心的指導以及監督下，保障鐵路人員在進行上線作業時的高效性及安全性[7]。

2.1 卡控流程系統的體系結構

該系統由數據資源層、用戶表示層以及卡控功能層構成，具體如圖1所示。

圖1 系統流程體系結構

圖1中，用戶表示層能夠為用戶提供界面，便于用戶和系統實現交流，它不僅是人機交互工具，同時也能夠為顯示進行邏輯分析；卡控系統功能層是整體系統最重要的部分，主要包含卡控過程、系統登錄、故障記錄和信息交互等功能，并將其實現；數據資源層主要是負責添加、修改、存儲和刪除等數據操作，并提供數據的訪問通道，可為服務器提供數據支持[8]。

2.2 卡控系統的功能模塊分析

鐵路人員上線作業的卡控系統，可以分成指揮調度中心和線上工作人員。而處于不同端的不同用戶，他們的模塊管理也不同。通過對上述的功能需求進行分析，該系統主要包含登錄模塊、信息交互模塊、卡控過程展示模塊、故障信息記錄模塊和系統數據庫工作表。

2.2.1 系統功能劃分

a.指揮調度中心人員模塊如圖2所示。

圖2 指揮調度中心模塊

b.鐵路線上人員工作流程模塊如圖3所示。

圖3 上線工作人員的用戶模塊

2.2.2 登錄系統模塊

登錄系統要正確地輸入用戶名及密碼，才可以登錄成功。指揮調度中心以及現場車間數據庫內都能夠存儲登錄系統密碼與用戶名，而只有在用戶名以及密碼全部輸入正確之后，才可以登錄系統。具體登錄系統模塊[9]如圖4所示。

圖4 系統的登錄模塊

2.2.3 信息交互模塊

指揮調度中心與線上作業人員之間互相傳輸信息以及文件，就是利用信息交互模塊實現的，其兩端各自有一個發送窗口以及接收端口，它們之間的交互內容包含文字、語音、視頻、圖片和文件等。具體結構如圖5所示。

圖5 信息交互模塊

2.2.4 卡控過程模塊

卡控模塊是該系統的核心，目的是實時掌控參與故障處理的上線作業的工作進度，從而令上級對所有工作人員進行指導以及提升，然后在每個需要作業的關鍵點實現卡控。具體如圖6所示。

圖6 卡控過程展示模塊

2.2.5 故障信息記錄模塊

系統的故障信息是存儲鐵路線上所發送的故障信息，包含之前和目前需要處理的信息，從而可以隨時查閱，具體包括文字語音、視頻、圖片和文件等。具體如圖7所示。

圖7 故障信息模塊

該模塊的記錄數據包括上線作業的人員、施工地點以及所在線路等。而施工內容以及影響范圍與處理方法要在單獨窗口進行詳細說明[10]，具體如圖8所示。

圖8 故障記錄模塊

2.2.6 系統數據庫工作表

在對系統設計的過程中，數據庫的名稱被稱為段級機關的卡控系統，而客戶端數據庫的名稱被稱之為處理鐵路線上設備故障流程的卡控系統。在客戶端的數據庫內涉及的表，包括用戶登錄表、清點計劃表、服務反饋表、清點表和指揮調度故障的記錄表[11]。用戶登錄表是對允許登錄人員的用戶名以及密碼進行記錄的表。只有在輸入正確用戶名以及密碼后，才能夠登錄系統，從而對數據進行上傳以及卡控。以此才能夠保證卡控系統安全性[12]，具體結構如表1所示。

表1 用戶登錄表

清點計劃表，是對各種具體任務進行記錄，其中包含作業負責人、調度臺和請求時間等，具體如表2所示。

表2 線上清點計劃表

故障記錄表包括故障的處理方法、施工區域上傳至段級機關的信息以及指揮調度中心傳輸至線上的信息，具體如表3所示。

表3 故障記錄表

3 仿真實驗

為了驗證本文設計的系統在實際應用過程中是否能夠達到合格標準，選擇某鐵路車務管轄的區域進行實驗。令鐵路工人進行上線工作，信息交互采用文字傳輸的方式，而實驗環境選擇如表4所示。

表4 實驗環境

該次實驗由5人組成：1人進行指揮調度，4人上線作業，在4人中選擇1人作為隊長。實驗的上線作業是維修進站信號燈，在列車進站信號燈無法正確地明亮時，通過指揮調度下達任務，鐵路人員上線工作從而形成卡控態勢。在鐵路車務的管轄區域，存在列車的來往行駛以及一些其他工業信號的干擾等，所以本文利用人工的方式，制造外界干擾信號，然后觀察本文設計的卡控系統，處于時域以及頻域上的信號，是否能在受到干擾的情況下正常使用，具體如圖9所示。

通過觀察圖9能夠看出，由于人工制造的外界干擾信號較強，導致信息交互的時域以及頻域信號波動較大，而通過本文系統下輸出的卡控信號，在時域與頻域中只存在輕微波動，仍然能夠以正常的形式傳輸線上的實際作業進度情況。這主要是因為本文引進了PID閉環安全控制算法，將信息從鐵路工作人員設備中返回至指揮調度中心，使系統的輸出能夠達到預期要求。

圖9 本文設計的系統信息交互時的信號波動情況

4 結束語

為了保證鐵路人員在上線工作時的高效性和安全性，本文設計一種鐵路人員上線作業流程閉環安全卡控系統，通過將指揮調度中心模塊、線上工作流程模塊、卡控過程的展示模塊和故障信息模塊相結合，可以達到穩定的信息交互，外界干擾對其影響較小。不過該系統的距離會受到一定的限制，而隨著互聯網技術發展，本文方法未來要將最新的網絡技術與卡控系統進行融合，從而擺脫因距離問題而導致受限的影響。