智能化鐵路貨車霧平臺系統設計

韓俊峰,邵文東,鄭君民

(1.中車齊齊哈爾車輛有限公司 技術中心，黑龍江 齊齊哈爾 161002；2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

在信息化技術、智能化技術高速發展的時代背景下，鐵路貨車的智能化是鐵路運輸發展的新目標.早在本世紀初以德國等鐵路技術先進國家就開始了進行應用IT技術改進運輸管理與服務、自動控制及通訊、車輛安全性能參數監測等智能化技術的研究.澳大利亞針對安全與效率對自動駕駛技術與車載監控技術進行研究，在2018年12月正式開行以“自動駕駛+狀態監測”為主要特征的無人值守自動駕駛智能化貨車[1-3].美國針對鐵路路線長、地面監測點偏僻維護困難的問題研發出以監測軸溫和振動為主的智能監測系統，它還監測車內部溫度與濕度、危化品貨車的縱向沖擊力等參數.德國由于地域小，為保證鐵路貨車的正點率以及貨物的運輸品質，德國的DB公司于2018年5月在鐵路貨車上安裝智能設備來跟蹤、監控遠程車輛數據，在2020年對鐵路貨車安裝車載GPS及各類傳感器等智能設備來監測貨車裝載狀態、GPS數據和冷藏車廂內部溫度、濕度等，使其能夠更精確地預測貨車到達時間和貨物運輸品質的保證[4-8].

我國鐵路以地面智能監測為主，圍繞貨車管理和安全監控，先后推廣應用了多個系統，如在列檢管理方面應用HMIS系統 、在監測鐵路車輛運行安全方面使用TPDS、THDS等5T 系統，在保障鐵路貨車運用質量、改善貨車日常技術管理等方面起到了重要作用[9-12].

2018年，中車集團立項“智能貨車頂層架構及關鍵技術研究”(2018CHA009)，開展鐵路貨車智能化研究.目前，中車齊車公司提出鐵路貨車車載智能監測與健康管理系統在網絡架構是基于物聯網分層結構的車霧云聯網，在總體方案架構上包括感知層、網絡層、霧平臺智能應用層和云平臺智能應用層.已完成調研、總體方案設計、頂層架構設計及樣機研制與測試[13].本文闡述霧平臺在鐵路貨車智能應用層即智能化鐵路貨車霧平臺系統的設計研究.

1 霧平臺整體設計

根據要求智能化貨車霧平臺系統整體設計為地面霧站中心和霧站終端節點兩大部分，如圖1所示.其中霧站中心包括車輛段霧中心節點和列檢所霧中心節點；霧站終端節點包括各類手持機終端以及霧站顯示操作終端.霧平臺主要由兩大部分功能組成：處理故障車和制動試驗.

圖1 系統總功能結構圖

1.1 處理故障車

該功能分為基于車輛發送云端故障報警數據處理故障車即故障修和基于車霧云傳輸系統傳輸的原始數據進行健康診斷及數據管理處理故障車即狀態修.

故障修主要的功能是云端根據車輛發送的報警與故障信息，進行車輛狀態分析，并把分析結果發送到最近霧平臺；霧平臺基于云平臺發送的報警與故障信息進行列檢，實現車輛的故障修.該部分主要數據傳輸為車載主機上的報警與故障信息由主機上傳到云平臺，云平臺進行健康診斷.云平臺完成健康診斷后，把嫌疑故障發往地面霧平臺.根據云霧通信交互協議，地面霧平臺接云平臺報警與故障信息，信息經由車輛段霧中心節點發往列檢所霧中心節點.列檢所霧中心節點接到任務后，進行任務調度把任務發給列檢終端.列檢人員根據派送的任務進行列檢，并把最終處理信息按云平臺格式推送上報直至云平臺.

狀態修主要功能是霧平臺接收車霧傳輸系統發送的原始數據后把原始數據發送云平臺，云平臺接收信息并根據健康模型進行健康診斷，并把診斷狀態發送至霧平臺；霧平臺進行列檢、故障處理，實現車輛的狀態修.該部分主要的數據傳輸是經由車霧通信系統接收從車載主機下載的原始數據，并上傳云平臺.云平臺的診斷信息經由車輛段霧中心節點發往列檢所霧中心節點.列檢所霧中心節點接到任務后，進行任務調度把任務發給列檢終端.列檢人員根據派送的任務進行列檢，列檢結果通知車輛段并反饋云平臺.

1.2 列車制動試驗

列檢完成后，列檢人員需利用制動機微控地面試驗裝置和列車車輛制動試驗監測裝置進行“持續一定時間的全部試驗”及列車所有車輛的制動性能測試.全部列檢內容完成后，列檢所值班人員通過錄音電話告知車站值班人員，車站進行車輛編組，并掛上本務機車，由列檢人員進行“簡略試驗”機車對列車制動的性能測試.這個過程需要多人完成，現場制動信息不能直接在作業人員間傳遞.

列車加裝傳感器后數據通過霧平臺制動試驗操作終端在列檢作業人員直接傳遞.列車制動試驗開始時，車制動試驗列檢人員的試驗指令后，通過霧平臺列檢終端發出制動試驗指令喚醒主機，主機向其后車輛網關發出指令喚醒網關，車輛網關向制動管壓力、制動缸壓力、制動缸行程傳感器發出指令來喚醒傳感器；之后，沿著反向路徑將信息傳給車載主機，霧平臺通信服務器接收車載主機的傳感器信息并將傳感器信息在制動試驗手持機終端上顯示，通過對話完成試驗.

2 霧平臺功能設計

霧平臺主要由段霧平臺、列霧平臺、車站終端三大部分構成，其中，段霧平臺由段霧管理服務器、段霧-云通訊終端、報警管理終端、霧-云網關等組成；列霧平臺主要由MQTT通訊服務器、列車編解及報警處理終端、站修終端、車霧云數據傳輸管理終端及接收天線、列檢平板手持設備、列霧-段霧間的通訊網關組成；車站終端是作為該平臺中的延伸部分出現的，是故障處理的相關部門之一.下面闡述主要模塊的設計.

2.1 霧平臺服務模塊

霧平臺的管理功能由段霧服務模塊完成.該服務模塊采用MongoDB數據庫，為物聯網應用提供可擴展的高性能數據存儲解決方案.MongoDB屬于非關系型數據庫，是目前非關系型數據庫中最熱門應用比較廣泛的開源數據庫.MongoDB數據庫性能不弱于傳統關系型數據庫，可以方便的進行數據格式的拓展，在霧平臺通信中可以應用較小的代價實現修改車載傳感器信息格式等擴展需求.同時作為面向分布式文件存儲和海量數據的NoSQL數據庫，在滿足當前霧平臺單機運行的需求的前提下，也預留了多個霧平臺并網處理數據的升級空間.

該服務模塊為霧平臺提供數據業務基礎，進行段霧和列霧數據的存儲和管理，主要支撐霧平臺的業務模塊如下：

(1)霧云通信管理

(2)霧云報警管理

(3)霧云報警處理

霧平臺的通信功能由列霧平臺的通信服務模塊完成.為了保障霧平臺通信的穩定性和可靠性同時減少通信的開銷，通信服務器設計使用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)協議.

霧平臺設計使用MQTT服務器作為整個MQTT通訊協議的核心.服務器支持MQTT協議要求的服務器相關功能，如客戶端接入服務，訂閱服務，以及消息轉發服務等.服務器本身僅轉發數據，不存儲和處理數據.霧平臺同時也是一個MQTT客戶端，該客戶端向MQTT服務器注冊訂閱以及發布消息.

霧平臺通信采用安全套接字層(Secure Socket Layer，SSL)加密傳輸方案，用以保障在Internet上數據傳輸安全，利用數據加密技術，可確保數據在網絡傳輸過程中不會被截取.MQTT支持基于SSL的身份認證和加密數據傳輸.

2.2 霧平臺終端與業務

霧平臺終端和業務軟件采用MVC架構開發設計.封裝應用程序的數據邏輯部分與應用程序的業務邏輯相關的數據，只提供功能性的接口，通過這些接口可以獲取功能.由視圖負責數據的顯示和呈現.采用控制器層收集用戶的輸入，這樣可以模型作為數據中心保證業務數據的一致性.

2.2.1 段霧平臺

段霧-云通信節點終端.該功能配置在車輛段，進行段霧和云之間的通信管理.該節點終端的功能為接收云平臺下達報警數據、上傳霧平臺報警處理結果以及對霧平臺數據庫中的報警信息進行管理.

段霧報警管理節點終端.該功能配置在段霧，用于對從云端接收的報警信息的管理.該節點終端設計的功能：動態顯示云端報警、詳細查看報警內容、向列檢所下達報警處理任務、接收并審核列檢所對報警處理的結果、審核通過的報警處理結果上傳云平臺.該模塊以云平臺發送的報警和故障診斷數據為基礎，完成以下霧站任務：

(1)報警和故障診斷數據獲取；

(2)任務自動更新：提供給段霧管理人員，實時得到最新的云端報警和故障診斷數據；

(3)任務查看：提供給段霧、列霧人員，實時查看任務及其狀態；

(4)任務調度：提供給段霧管理人員，任務由段霧發往列霧；

(5)任務發布：提供給列霧值班室人員，確認接收任務，并通過霧站列檢終端發布；

(6)結果反饋：列霧工作人員，經過查看、維護、維修后把任務結果反饋給任務查看模塊，以便段霧管理人員了解任務狀態；

(7)反饋確認：段霧管理人員對列霧的任務結果進行審核，合格則準備上報，不合格則返回給列霧重新處理；

(8)結果上傳：合格的列檢結果上報給云平臺.

2.2.2 列霧平臺

列霧報警處理節點終端.該功能配置在列霧，用于對從段霧接收的報警信息的處理.該節點終端的功能：動態顯示接收到的報警信息、詳細查看報警內容、編寫報警處理報告、管理報警處理的圖片與文件、向段霧上報警處理結果以及配合列檢平板進行列車編組信息的傳達.

車站/站修車間故障車處理節點終端.該功能配置在車站/站修車間，主要完成故障車的扣車和送車管理.接到云平臺發來的故障信息后，通知列檢人員核實是否故障，如果可以就地處理則進行處理并將故障處理結果告知霧平臺(列檢所).如果不能就地處理需要扣車，則填寫車統-23給霧平臺、車站和站修車間各一份，車站負責扣車，并將車輛送到站修車間；站修車間修理完成后，驗收人員填寫車統-26給車站，車站接收修畢的故障車，并編入列車發走.

列車編解網管理節點終端.該終端主要完成各節車廂在始發站編網成列及執行列車編組解散任務，其設計的功能：編網文件的讀取分析、編網指令的下達、組網狀態的分析與顯示、列車解網指令下達.

制動試驗節點終端.該功能配置在列霧，主要完成列車全部試驗和簡略試驗的數據接收、處理、顯示等功能.車站發車前，負責監測數據的霧平臺工作人員與列檢人員通過對話完成列車制動試驗：負責提供監測數據的霧平臺工作人員接到列車制動試驗列檢人員的試驗指令后，發出指令喚醒主機，主機向其后車輛網關發出指令喚醒網關，車輛網關向制動管壓力、制動缸壓力、制動缸行程傳感器發出指令來喚醒傳感器；之后，反向將信息傳給主機，主機傳給負責提供監測數據的霧平臺工作人員.該模塊主要由兩大部分組成：列車進站后的全部試驗和列車出發時司機進行的簡略試驗.全部試驗設計的功能：送風指令下達、減壓指令下達、保持指令下達、制動管壓力顯示、制動缸壓力顯示、制動缸行程顯示.簡略試驗設計的功能：送風指令下達、減壓指令下達、制動缸壓力顯示、制動缸行程顯示.

車霧云數據傳輸節點終端.該功能配置在列檢所，主要完成進站列車原始數據的接收和轉發.其主要功能：候車管理、接車管理、原始數據接收、原始數據的轉發等子模塊組成.

3 霧平臺試驗測試

3.1 試驗條件

試驗地點在齊齊哈爾車輛廠，現場情況如圖2所示，試驗車輛為C87、C96、KM80三種型號各一輛，由機車牽引進行廠區循環跑圈測試.車輛上裝配了風管壓力傳感器、制動缸壓力傳感器、制動缸行程傳感器、振動傳感器、縱向力傳感器五種類型傳感器進行數據的采集.在首輛車上安裝車載主機作為車載傳感器的管理機和車輛與霧平臺進行通信的網關.

圖2 試驗現場

霧平臺提供通信網絡接入熱點，以便車輛進站接入霧平臺網絡后進行數據傳輸和霧平臺的列檢操作.

3.2 試驗內容

3.2.1車輛組網

首先通過霧平臺提供的移動列檢終端通過識別組網文件進行車輛編組，如圖3所示.組網時沒有列車編號，通過車載主機物理地址進行霧平臺與車輛組之間的握手，試驗車輛C87車輛編號為9300000、C96車輛編號為9300001、KM80車輛編號為9300002，編組成列后列車編號QC1571.組網后，車輛組由機車牽引在廠區進行試驗.

圖3 車輛組網

3.2.2 報警處理

車輛在行駛過程中，發生報警，車載主機將報警與故障數據通過4G模塊發送給云平臺，云平臺將報警及故障診斷數據傳給最近的霧平臺進行列檢.

列霧管理人員簽收后，安排列檢.任務進入列檢進行狀態；列檢人員通過任務看板，如圖4所示，可以了解云平臺派送任務的基本情況并上傳列檢結果；列檢完成后，由現場列檢人員進行任務提交，列檢管理人員簽收.列檢管理簽收后的任務會提交段霧審核，段霧審核同意后送至云平臺.

圖4 霧平臺任務看板

3.2.3 原始數據傳輸

車輛行駛過程中的狀態數據，在車輛進站后通過霧平臺列檢終端上傳給云.列車主機發出數據傳輸請求進入候車隊列，霧平臺操作人員可以通過自動模式或手動模式把候車隊列中的列車接入接車隊列，接入接車隊列的列車就可以進行數據傳輸.如圖5所示，接車后在數據監視列表中生成信道，可以監視傳輸的原始數據.

圖5 原始數據傳輸

3.2.4 制動試驗

進站后的列車要進行制動試驗，試驗分為由列檢人員執行的全部制動試驗和出發前司機進行的簡略試驗.如圖6所示，試驗操作由充風操作、減壓操作、保壓操作組成，列檢人員根據試驗大綱操作制動試驗器，首先是減壓70 kPa，之后是保壓60 s、保壓180 s.其次是充風620 kPa,再減壓170 kPa.同時將試驗狀態通過霧平臺移動列檢終端通知車載主機，由主機通知傳感器工作采集并回傳數據到霧平臺.

圖6 制動試驗

4 結論

本文闡述了智能化貨車霧平臺系統的設計，實現了智能化貨車霧平臺系統基本功能，通過試驗測試驗證了霧平臺系統能夠穩定可靠地工作，為鐵路貨車的智能化發展打下堅實的基礎.

霧平臺系統是復雜的信息系統，在車載系統和云平臺系統中間起到承上啟下作用，同時又是列檢的業務管理系統.從優化系統結構、應對復雜環境、提高效率等角度，還需要開展以下兩方面的研究工作：

(1)深入了解列檢業務的實際需求，進一步提煉霧平臺系統的信息模型，提升系統效率增強系統穩定性和可靠性;

(2)研究多業務并行模式下霧平臺的穩定性和可靠性，進一步開展多列車環境下霧平臺性能測試.