基于人工智能的列尾安全防護監測與系統優化設計

摘要：列尾裝置對貨物列車運輸安全起到了非常重要的作用，列尾裝置故障會帶來巨大的安全隱患和經濟損失風險。探究列尾裝置與監測系統的應用現狀，提出一種列尾裝置運行實時監測系統優化，文中闡述了該系統總體設計、功能模塊設計和軟硬件設計，系統主要由采集傳輸裝置和列尾裝置檢測設備組成，對列尾主機、機車臺的電性能與功能參數進行采集，STM32F407ZGT6主控板進行數據的接收、判斷和故障報警等，同時也可傳輸至外部設備，以對列尾狀態趨勢和壽命周期等進行實時監測和綜合研判，為列車運輸安全提供保障。關鍵詞：列尾裝置；故障；列尾主機；實時監測系統；LORA

中圖分類號：TP277文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0181-03

Monitoring and system optimization design of column tail safety protection based on artificial intelligence

LEI Zhenjiang

（GuonengBaoshen Railway Co.，Ltd.，Feicheng 271600，Shandong China）

Abstract：The tail-train device plays a very important role in the safety of freight train transportation，and the fail-ure of the tail-train device will bring huge security risks and economic losses.Based on this，this paper briefly de-scribes the application status of tail-end device and monitoring system，proposes a real-time monitoring system for tail-end device operation，and introduces the overall design，function module design，software and hardware design of the system.The system is mainly composed of acquisition and transmission device and detection equipment of tail-end device，and collects electrical performance and functional parameters of the tail-end host and locomotive platform.The STM32F407ZGT6 main control board is used for data reception，judgment and fault alarm，etc.，and can also be transmitted to external equipment for real-time monitoring and comprehensive research and judgment of the status trend and lifecycle of the train tail，providing guarantee for the safety of train transportation.

Key words：column end device；malfunction；column end host；real-time monitoring system；LORA

列尾裝置全稱為列車尾部安全防護裝置，主要由司機控制盒、列尾機車臺、列尾裝置尾部主機以及列尾主機檢測臺等組成，其具備的功能有：列車尾部標識，監測并通報列尾的風壓，列車尾部排風制動，列尾主機電池電量不足告警以及黑匣子記錄功能等。列車的安全運行是鐵路運輸不斷追求的目標，列尾裝置一旦發生故障，不僅影響列車運行秩序，還會對人身安全和經濟財產造成嚴重威脅。列尾裝置運行監測系統在提前排除故障隱患、保障行車安全、防止列車二次事故等方面作用突出，成為鐵路運輸行業研究熱點，隨著無線通信技術和數據處理技術的發展，列尾裝置運行監測系統得到改進和完善。

1列尾安全防護監測裝置及系統運行現狀

列尾裝置的使用，顯著提升了列車、貨車的運輸安全性，但在惡劣環境和通信弱場的情況下，列尾裝置故障時有發生。設備使用頻率越高、服役壽命越長，發生故障的風險就越大。不同的故障類型需要不同的處理方案，如果列尾故障的匯報不準確，會導致工作人員盲目臆測行事，無法及時修復故障。在日常的檢測維護中，往往忽略對列尾主機及電池的全面檢測。另外，部分列尾裝置常規檢測技術落后，不利于列車的智能化、信息化升級，可以繼續使用的列尾裝置被大量淘汰，造成資源浪費[1-3]。

隨著列車運輸需求的快速增加，列尾裝置運行監測系統的開發和穩定運行成為行業研究重點。該系統能夠實時獲取列車的位置、風壓、電壓等多項重要數據，直接提升列尾作業安全性，并將數據傳輸到相關服務器，供鐵路局以及各級運輸指揮部門實時查閱和分析，為列車的運營決策提供幫助，實現有效的故障預防和處理[4-5]。列尾裝置運行監測系統的應用，可避免因安全事故造成的巨大財產損失，還可減輕工作人員勞動強度，提高鐵路運營的服務質量等，帶來的經濟效益明顯。

2列尾安全防護監測裝置及系統優化設計

2.1系統總體設計

該系統的設計需要實時采集列尾的狀態參數，采用無線傳輸和有線傳輸技術將數據匯聚到系統主控中心，解析處理后進行列尾裝置運行現場監測和遠程監測。性能方面，要求節點通信網絡覆蓋范圍廣、數據采集節點低功耗，還要保障采集信號的實時性等。本文提出了一種列尾裝置運行實時監測系統，圖1即為該系統的示意圖。

由圖1可知，該系統主要由數據采集接口、主控板、檢測臺、數據采集適配器、綜合測試儀等部分組成。數據采集適配器、檢測臺均通過數據采集接口與主控板建立連接，完成數據傳輸。除數據采集接口外，與主控板相連接的3個模塊均屬于數據采集傳輸裝置。該系統基于以太網技術、Lora技術分別建立有線傳輸方式和無線傳輸方式。示意圖中列尾裝置代表列尾主機，檢測臺代表列尾主機檢測臺。列尾裝置也同樣代表列尾機車臺，檢測臺也同樣代表列尾機車臺出入庫檢測臺。列尾主機安裝在列車尾部，列尾機車臺安裝在列車車頭，通過配套的列尾控制盒操作終端，實現與尾部設備的實時通信[6]。

該系統的工作過程為：綜合測試儀收集列尾主機運行的主要參數，如功率、靈敏度、風壓、輔助排風等，并將結果經數據采集適配器、數據采集接口，最終傳輸至主控板，主控板對收集的數據進行簡單判斷和故障通報。同時還可將這些數據以有線或無線傳輸方式傳輸至外部設備，進一步進行數據收集、共享和分析處理，全面評估與預測列尾主機的性能狀態、可使用年限等，避免列尾裝置資源的浪費，更重要的是實現列尾裝置的智能化檢測。

2.2功能模塊設計

列尾主機的主要構成包括主控單元、記錄單元、風壓傳感器及排風單元等。列尾主機檢測臺專用于檢測列尾主機的功能和電氣性能指標，為列尾主機提供電源和風源，二者建立連接后，可查詢列尾主機的風壓、排風和異常報警信息，保障列尾主機的安全穩定運行[7]。

列尾機車臺的主要構成包括主控單元、電源單元、記錄單元和列尾控制盒等。列尾控制盒由液晶顯示屏、按鍵、電源開關等組成，通過RS-422接口與主控單元建立連接，實現人機交互、播報請求、確認等功能。主控界面顯示機車號、尾部風壓、列尾指令、通信狀態、工作模式等詳細內容。列尾機車臺出入庫檢測臺的主要構成包括系統主機、工控計算機和連接電纜等，是專用于檢測列尾機車臺出入庫的裝置，檢測內容如機車臺主機和列尾控制盒的運行狀態、二者的通信狀態以及列尾控制盒按鍵情況等，與列尾機車臺建立連接并采集相關信息后，將結果自動上傳到計算機中，以檢測日志形式存儲[8-10]。

設備遠程監測模塊設計中，列尾設備具備北斗定位功能，列尾裝置可實時獲取北斗定位數據，通過4G/5G公網將位置、狀態等信息上傳至主控板，進行數據分析后，可在顯示屏實時展出，監測系統與工作人員獲取設備運行狀態，劃分正常數據與告警數據；若有異常即可發出預警，進行故障的判斷、預測，保障列尾裝置的穩定運行[11-12]。

2.3硬件設計

2.3.1主控板

列尾裝置運行實時監測系統的設計中，采用芯片型號為STM32F407ZGT6的主控板，該芯片以高達168 MHz的頻率運行，集成了高速嵌入式內存，最大1 MB的閃存，I/O接口數量較多，具有標準和高級功能通訊接口，電源電壓為3.3 V，可較好滿足列尾裝置運行實時監測系統構建需求[13]。

2.3.2數據存儲器

監測系統采用的是MICRON品牌的數據存儲器，芯片型號為MT29F1G08ABAEAWP：E，該存儲器類型為非易失，存儲器格式為閃存，存儲容量為1 GB，數據總線寬度為8 bit，芯片工作電壓為2.7～3.6 V[14]。

2.3.3 LORA無線傳輸模塊

LORA無線傳輸具有微功率、傳輸距離遠、網絡容量大等優點，采用ATK-LORA-01無線串口模塊實現該監測系統的無線傳輸功能，模塊設計采用的是SX1278射頻芯片。LORA模塊共32個通道，支持在線修改串口工作模式、發射功率等參數，接收靈敏度達-136 dBm。模塊內部存在數據緩存器FIFO，讀取緩存器中的數據自動分包發送，接收數據時，先將其存到FIFO，再通過串口發送給STM32主控板[15]。該模塊的工作電壓為3.3～5 V，通常有4種工作模式，分別為一般模式、喚醒模式、省電模式和信號強度模式，在此選擇喚醒模式，數據包發射前自動增加喚醒碼。

2.3.4電源模塊

電源模塊的設計需要綜合考慮監測系統各個模塊的供電需求，上述硬件設計的工作電壓存在差異，在此選用12 V鋰電池組供電，通過降壓芯片L7805將12 V直流電降為5 V，再通過ME6211穩壓芯片將其進一步降到3.3 V，為監測系統各設備和芯片提供穩定工作電壓[16]。

2.4系統軟件設計

列尾裝置運行實時監測系統采用B/S架構和三層結構相結合的開發模式。網絡技術方案為：采集到的列尾位置信息和列尾實時運行的工況信息均經安全加密后傳輸到公網上，再轉發到鐵路內網的專用服務器中，經內網服務器進行數據解密、應用[17-18]。底層數據庫選用的是MySQL，應用層服務器和數據庫服務器的操作系統均為WinServer2016，客戶端界面基于Win 7以上系統進行開發設計。列尾裝置運行實時監測系統的地圖展示及運行軌跡回放設計中，由于地圖中的信息量非常大，地圖的縮放和拖動需要大量的數據計算支撐，為保障系統較好的視覺效果，采用多線程算法和增量重繪法則。為提高數據庫的應用效率，在內存中單獨設立一個緩存區域，當系統啟動時將相關地圖數據全部加載到緩存器，繪制地圖時可隨時訪問該緩存區，就不會與數據庫服務器之間有過多的連接交互；另外一個線程負責更新緩存區的數據。在地圖縮放時，大部分信息不需要重新繪制，從內存數據庫中檢索到縮放前后的增量數據直接繪制即可[19-20]。

3結語

隨著鐵路通信技術的發展和運輸需求的增加，列尾裝置運行監測系統的大范圍推廣應用是列車運輸領域發展大趨勢。本文提出了一種智能型的列尾裝置運行實時監測系統，對系統的總體設計、工作流程、功能模塊設計以及軟硬件設計進行了詳細的探究。該監測系統的設計開發不僅有利于提升列車運輸安全，還可促進列車運輸智能化與信息化發展，具有較好的社會效益和經濟效益，在鐵路發展中起到重要作用。

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（責任編輯：蘇幔，平海）