黃驊港站智能試風作業技術研究

王雨晴，王宏嘉

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081）

黃驊港站是朔黃鐵路的終點，作為鐵水聯運的銜接處，現場規模較大，一共包含2 個作業區，總計6 個站場和13 個翻車機房，這造就了黃驊港站現場業務流程繁瑣的情況。黃驊港站在擁有眾多作業崗位的同時，要求在崗人員具備高標準的協作能力，保證機車摘掛、取送、試風、對位、翻卸和編組等各項技術作業的有效進行。

黃驊港站作業組織復雜多樣，但現場智能化落后，對于依靠人工操作的試風技術作業，由于場內作業人員有限，導致試風環節緊張，影響其他列車后續任務，不僅降低了站內作業效率，還存在部分安全隱患。針對黃驊港站試風作業情況，采用智能試風裝置進行列車尾部風壓的自動采集，并通過5G 網絡將風壓數據實時傳輸到司機手持終端上，在解決車站現有作業難題的同時，實現站內試風作業的智能化、自動化和高效化。

1 黃驊港站試風作業現狀

由于列車載重量大、運行速度較快，列車能否及時地停穩或減速十分重要，所以列車在啟動前，必須進行試風操作。試風作業就是檢查列車空氣制動性能的試驗，通過檢測該性能是否良好，判斷列車是否具備運行的條件，是保證行車安全的重要檢查內容之一。根據黃驊港站的車站細則和現場作業形式，凡是在站內股道停留20 min 以上的列車，在啟動前必須進行試風作業，并采用列尾試風人員向司機播報的形式說明試風是否良好。黃驊港站按照現有試風模式雖然可以檢查當前列車剎車系統狀況，但是仍存在部分問題需要解決。

1.1 列車等待作業時間過長

黃驊港站的試風作業時間節點眾多，一般在港前作業區、I 場和III 場股道、翻前翻后及清煤線處進行。在列車無故障的前提下，試風作業一般持續10~30 min，且每次作業必須有現場人員參與，由于每場每班只配備1~2 名試風人員，導致同一時間段只能進行一股道的試風作業；若列車存在故障，試風作業沒有達到現場要求，則需要試風人員核對每一處車廂連接點的狀況，直至試風良好。由于現場人員的限制和作業情況的不確定性，經常出現列車待命時間過長、站內股道堵塞的現象，導致后續列車作業計劃無法按時進行，作業執行效率較低，嚴重影響了車站運輸生產指標的完成。

1.2 現有試風作業模式存在安全隱患

由于列車每節車廂的風管都是相互貫通的，因此在試風過程中，待司機操作制動閥向各車廂充氣后，試風人員只需要現場排查最后一節車廂的氣壓泵活塞的動作情況，依據氣壓泵活塞是否持續處于伸出和縮回的狀態，判斷試風作業是否達到要求，并用站內手持臺實時向司機匯報相關作業情況。由于氣壓泵活塞的動作變化只能說明氣壓從列車頭部貫穿到達列車尾部，并不能直觀地說明作業已經達到預期要求，且試風環節主觀意識性太強，缺少數據依據，無法客觀實際地評判列車在升壓、保壓、降壓過程中的風壓變化和列車整體狀態，致使站內試風作業存在一定的安全風險，可靠性不高。

1.3 現場人員配合程度較差

部分試風人員業務能力不強，現場配合程度不高，一旦現場作業強度加大就會出現抵觸情緒，且遇到較差的天氣情況，試風人員不愿意出勤，此時只能由司機通過判斷制動顯示屏上的電空制動流量計或者列車管壓力的大小自主完成試風。現場作業人員的配合程度與作業執行效率和安全風險的發生緊密聯系，呈正相關性。

2 黃驊港站智能試風技術研究

2.1 智能試風技術總體框架

智能試風技術采用數據自動采集、實時計算、自動匯聚傳輸等技術手段，及時解決了黃驊港站試風作業中存在的低質、低效問題，同時優化了作業組織形式，減少車站調度指揮工作者的工作量，提高了車站的運輸生產能力，達到了減員增效的實質性目標。這項研究不僅涉及軟硬件的結合，還與車站機務、車務及列尾作業室的業務板塊相互滲透，并以車站內部局域網為傳輸通道，形成了一套基于5G 網絡的智能化試風作業流程。智能試風技術擬在黃驊港站現場實施應用，以此驗證研究的可靠性、高效性和實用性，打造黃驊港車站的智能化試風作業體系。該體系所包含的內容彼此關聯、互相牽連，其總體框架如圖1 所示。

圖1 總體框架

2.2 作業自動采集技術

2.2.1 內部數據采集處理

列車尾部固定智能試風裝置，裝置的接風管口與列車尾部風管進行硬件連接，當試風裝置開機后，風壓處理模塊的壓力傳感器會時刻感知列尾風壓變化，電池包則實時判斷裝置電量，這2 種數據形成兩類數據鏈路，然后顯示在裝置顯示屏上，同時利用5G 天線對外發送信息。智能試風裝置內部的數據處理模塊分為風壓處理模塊、電量處理模塊和5G 模塊，其內部原理圖如圖2 所示。

圖2 智能試風裝置內部原理圖

1）風壓處理模塊。包含風壓采樣板、A/D 轉換器2部分。風壓采樣板將采集到的風壓通過A/D 轉換器轉化，將得到的模擬信號轉變成數字信號后供風壓顯示屏顯示，同時采用RS485 標準將風壓信息傳遞到5G 模塊。風壓顯示的數據以“KPa”為單位，且根據車站要求精確到1 KPa。

2）電量處理模塊。包含電量采樣板、A/D 轉換器2部分。由于電池電量不斷跳動，呈非線性變化，所以在利用采樣板和轉化器進行數據轉化后，需要對電量數值進行線性優化，確保電量顯示屏的數據呈規律性增長或減小，優化后也采用RS485 標準將數據傳送至5G模塊。此外，該模塊還具備低電報警功能，當電量小于或等于20%時，裝置處理器蜂鳴報警，同時閃爍顯示屏進行提示。

3）5G 模塊。包含協議轉換器、信號發射器2 部分。該模塊接收風壓和電量2 路RS485 數據信息，通過內部協議轉換器將RS485 轉換成TCP/IP 協議，經信號發射器對5G 天線發送信號，實現智能試風裝置內部從數據采集到數據轉換和傳輸的過程。

2.2.2 采集數據的驗證分析

為了滿足現場試風作業要求，需要對智能試風裝置進行風壓數據的誤差校核，利用車站列尾作業室的列尾主機測試臺進行測試，要求風壓顯示屏的誤差在“5 KPa”以內，由于列車在站內行駛或試風環節中的風壓值最高可以達到600 KPa，故選取400、500、600 KPa 3 個數值點分別對試風裝置進行維持2 min 的保壓測試試驗。智能試風裝置依靠列尾主機測試臺進行充風，達到相應的數值點后，計時觀察2 min 內的風壓數值變化，列尾主機測試臺和智能試風裝置的風壓對比如圖3所示。從圖3 中可以看出，兩者誤差范圍為“2 KPa”，符合現場作業標準，可以為作業人員提供安全、合理、高效的數據支撐。

圖3 風壓數據對比圖

2.3 作業數據自動匯聚

2.3.1 基于5G 信號的數據交互

每臺智能試風裝置配備專用的SIM 卡，由裝置天線對外發送信號后，基于TCP/IP 通信協議和5G 網絡傳輸數據。為了保障數據傳輸的私密性和安全性，信號通過車站專用局域網進行網絡傳輸，經網轉串模塊將網絡數據轉化成串口信息后，由有線串口傳送至接口服務器內，在確保數據可靠性的同時，供后臺服務器進行數據的轉換和計算，其網絡傳輸過程如圖4 所示。

圖4 網絡傳輸過程

數據交互采用一對多的方式進行，為網轉串模塊和智能試風裝置分配唯一且固定的IP 地址，設置網轉串模塊為服務端，試風裝置為客戶端。當智能試風裝置開機后，自動向服務端發送開機指令信息，服務端接收指令后作出響應，同時兩者自動建立數據連接；根據接口服務器的指示，服務端可以依次向多個客戶端發送數據查詢指令進行查詢工作，與其對應的客戶端做出動作，反饋所需要的數據信息，以此實現一對多的數據交互過程。

2.3.2 數據的計算與寫實

接口服務器與網轉串模塊之間采用Modbus 協議進行串口通信，該協議使通信幀格式簡單緊湊、通俗易懂。當接口服務器接收到智能試風裝置返回的數據幀后，進行數據解析計算，并存儲到數據庫內，實時為司機手持終端提供后備數據支持。

串口數據基于十六進制形式傳輸，多條命令交替查詢、交替返回，以風壓數據通信幀為例，其風壓查詢幀格式見表1，風壓返回幀格式見表2。數據的通信方式為一條查詢幀對應一條返回幀，查詢幀由接口服務器組包輸出，返回幀中寄存著服務器所需要的數據信息，幀格式的含義如下。①地址碼：設備地址，即試風裝置的設備號。例如查詢1 號設備的地址為0x01，2 號設備的地址就為0x02。②功能碼：讀取指令符。讀保持寄存器指令0x03，用03 指令讀取寄存器地址為1 的寄存器風壓值數據。③寄存器起始地址和寄存器數量：寄存器起始地址默認為0x0001，總共包含2 個寄存器。④寄存器值風壓數據：雙字節位，存儲列車尾部的風壓采樣數值，是返回幀中實際所需要的信息。⑤CRC 校驗位：16 位CRC碼校驗生成，檢驗幀格式的正確性，確保傳輸無誤。

表1 風壓查詢幀格式

表2 風壓返回幀格式

通信幀根據地址碼實現查詢和返回的自動匹配，表中說明地址碼為0x01 的設備返回寄存器以0x0001 為起始地址的2 個字節數據，該數據就是列尾風壓的采樣數值“01F4”，通過接口服務器直接轉換為十進制后，形成以“KPa”為單位的實際風壓值“500”，在插入數據庫的同時，實時記錄采集時間，供手持終端使用。

2.4 智能試風技術的應用

基于5G 網絡的智能試風技術，將列車尾部風壓自動采集、匯聚，同時司機手持終端配備試風作業界面，司機根據現場的實際作業情況，登錄查看對應計劃下的試風任務，實時掌握列尾風壓狀況，全面監控整個試風作業過程。同時手持終端設置語音播報功能，若試風環節中列尾風壓持續下降3 次，且下降值超過“20~30 KPa”范圍，則手持機進行風壓報警，提醒司機該列車存在漏風部位，試風作業未達到標準。

結合黃驊港站的實際作業情況，智能試風技術作用在C80 或C80B 的組合萬噸列車，應用于大翻翻后股道和清煤線處。在列車到達翻前股道由列尾人員摘除尾部的列尾裝置后，固定智能試風裝置；試風裝置隨車列過翻車機房，先后在翻后股道和清煤線處進行試風作業，待列車行駛至港前作業區進行列檢作業前，摘除智能試風裝置，此過程無需試風作業人員出勤，依靠司機通過手持終端的提示完成自主試風，具體智能試風流程如下。

2.4.1 IV 場股道

C80 或C80B 的組合萬噸列車行駛至IV 場即大翻翻前股道，進行對位作業后，由車站值班員下達列尾人員出勤命令；列尾人員攜帶智能試風裝置出勤，在摘除列尾裝置后，固定智能試風裝置。

2.4.2 V 場股道

智能試風裝置隨車列一起經過翻車機房到達翻后股道，進行車列的掛機作業；順利掛機后，值班員向司機下達試風聯控信息，即“某場某股道某車次某號試風裝置開始試風”；司機登錄手持終端，在對應作業計劃下的任務欄中選擇試風裝置設備號，進行智能試風裝置與車次的自動匹配，隨后開始試風作業，司機通過手持終端的數據顯示實時觀察列尾風壓大小，判斷試風作業是否良好；試風結束后，啟動列車行駛至VI場股道。

2.4.3 VI 場股道

列車在清煤線進行清煤作業后，由值班員向司機下達試風作業通知，此時司機直接登錄手持終端，查看試風作業情況即可。

2.4.4 港前作業區

列車至港前停穩后，需在列檢作業前由車站值班員通知列尾人員出勤，摘除智能試風裝置。智能試風流程如圖5 所示。

圖5 智能試風流程圖

3 結束語

對比黃驊港站試風作業現狀，智能試風技術利用智能試風裝置實現數據的自動采集，通過數據庫完成數據的存儲和采集時間的記錄，同時基于5G 網絡進行專網通信傳輸，并以手持終端上的試風界面和語音播報向司機提示當前作業狀況。該項技術在黃驊港站得到應用驗證，不僅改變了車站的原有作業模式，同時省略了試風人員的作業參與，并建立以司機為主要工作者的智能試風作業流程，有效解決了試風作業存在的效率低、安全系數差等問題，完善車站試風作業模式，達到減員增效的目的。