铁路专用线车地联控系统的研究与设计

张正光，李国宁，田俊鹏，陈 璐

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070;2.北京康吉森交通技术有限公司，北京 101318)

随着我国铁路的高速发展和计算机技术的不断更新，以计算机为主的铁路信号系统越来越高效，可靠，安全的运用在各铁路沿线上。目前我国煤矿、钢铁等矿区铁路专用线设备相对来说较陈旧、简单，加之运输作业量较大，线路繁忙，所以对生产安全和高效率有着很大的挑战［1-2］。为了提高矿区铁路运输的安全水平和运输效率，通过对计算机联锁、平面调车作业、机车定位、货运信息及调度指挥等系统的研究，设计了一种能达到整个运输系统数据共享，实现运输作业和调度指挥自动化、网络化、无纸化的车地联控系统，从而提高运输效率和安全系数。

车地联控解决的问题［3］:

(1)将调度计划(调车作业通知单等)直接发送到地面机和机车上，减少了人为错误，并可根据生产需要及时修改调度计划;

(2)作业情况在机车、地面机、调度3个层面做到实时“勾勾清”，有利于各环节工作人员清楚了解运输现状;

(3)地面机与机车通过实时信息同步，达到对机车速度，距前方信号机位置，车列长度的实时测量;通过对车列长度的测量，计算出机车牵挂车皮数，实时校对运输计划与实际作业的一致性，确保运输信息系统的正确性;

(4)通过对机车速度、距前方信号机距离的测量以及信号机状态显示，对误闯信号和超速行驶的违章作业给予及时的报警，有效提高运输的安全性;

(5)实时监控机车司机的在岗情况，实现机车内部情况及时的视频传输。

1 车地联控系统介绍

车地联控系统从计算机联锁系统［4］中获取站场实时信息、调度计划管理系统［5］中获取调度计划信息、车载设备中获取机车运行状况信息(包括运行方向、速度等)，将这些信息综合起来进行一系列逻辑运算后，实现“车”与“地”的联控来保证机车运行安全。车地联控系统主要实现的功能有:机车精确定位、闯信号机、超速报警、机车运行信息显示、作业单无线传输、机车工况采集、存储与回放、电子添乘系统、区段有车占用提示、任意区段限速、紧急停车功能、作业信息存储与回放、电子地图大屏显示、站内车皮信息显示、区间道口信息显示等。车地联控的系统结构如图1所示。

图1 车地联控系统结构

2 系统硬件结构

车地联控系统由车载设备与地面设备组成。车载设备由车载主控、车载终端、安装的传感器、GPS接收机、数传电台等部分组成;地面设备由三取二主控机、数传电台(双冗余)、电源模块(双冗余)、电子地图等组成。

2.1 工作原理

车载系统负责采集机车工况数据(方向、速度、压力、里程数累计等参数)，同时负责机车与地面机的通信。地面机设备主要完成跟车逻辑运算、机车定位、作业计划发送、站场数据传输等功能。服务器与地面机通过网络连接，从地面机获取站场信息，机车信息，显示各站的站场状态，显示机车详细信息。服务器还与信息化系统连接，传输机车信息到信息化系统，从信息化终端获取作业计划信息。GPS基站与服务器连接，基站定时传输差分数据到服务器，服务器将差分数据发送到各站的地面机，地面机再发送到站内的机车。车地联控工作原理如图2所示。

图2 车地联控工作原理

2.2 机车精确定位

车地联控系统通过轨道电路和测速定位法定位当前机车的准确位置，机车速度传感器采集速度并计算里程数，地面机每隔50 ms获取一次机车信息，获取机车的当前里程数，与上次的里程数进行比较，获取里程差，然后在显示终端上移动机车位置。GPS定位作为辅助手段对机车进行定位，当地面逻辑判断机车位置不正确的时候，需要通过GPS的定位信息对机车进行修正。通过多区段的左右绝缘节进行GPS经纬度的测量，可以获得区段的长度，结合机车传回的经纬度坐标，可以判断机车是否在区段上。通过轨道电路、测速定位法和 GPS定位法相结合，确保了机车的精确定位。

2.3 系统组成

车地联控系统可以分为以下几个子系统。

车地联控车载系统主要由车载主控机、车载显示终端、车载接线盒、GPS接收机、485转换模块组成。GPS接收机通过天线，获取GPS卫星信号，计算出当前机车所在的经纬度坐标，将该信息通过接线盒定时发送到车载主控机上，车载主控机再发送到地面站进行定位计算，通过计算获得机车所在的区段，最终通过车载显示终端实现人机交互。

车地联控电子添乘系统包括录像主机，车内摄像头和车外摄像头。进行视频和音频信息的采集和保存，配备的硬盘大约可保存设备开启期间最近半月的信息。电子添乘系统主要通过无线设备，实现对机车内的实时监控，保证机车安全驾驶，防止因人为原因事故的发生，也便于鉴别司机的操作技术和事后责任的界定。

车地联控地面机CPU实时计算着站场的信息，并且模拟生成虚拟的机车对象，并进行机车跟踪定位、作业计划传输等逻辑运算，地面机维护着本站内的所有机车。车地联控地面机从计算机联锁系统中获取站场数据并进行逻辑运算处理，通过以太网和无线电台将机车位置、车列长度等运算结果分别传输给机车和信息化系统。同时，调车作业单通过以太网传输到车地联控地面机，再通过无线设备传输到机车上，实现了实时下达和变更调车计划，完成了车站和机车间的相互控制［6］。

车地联控服务器、维修机显示所有站场信息，机车信息，轨道采集模块信息，提供人工维护机车界面，站场机车数据存储与回放，车地联控系统运行日志记录，信息化终端连接、作业计划转发，GPS基站差分数据转发，GPS坐标补点功能。车地联控服务器软件是运行在WINDOWS操作系统下的人机交互软件，用于监控所有站的相关信息，包括站场信息、机车信息等。每个车地联控项目只需要运行一套服务器软件，服务器软件通过网络与各个站的地面机连接通信，从地面机获取站场与机车的信息;通过网络与信息化终端连接，接收信息化下发的作业计划，同时发送机车信息给信息化终端。

车地联控电子地图的特点是通过结合GPS信息，精确定位站内每个机车的位置，对机车位置进行自动校正，不需要人工参与维护。在调度中心的大屏上可以通过电子地图直观地监视到站场的状态、机车在站场所在的区段及精确位置、同时结合信息化系统能够直观地显示区段中所有的车皮信息及状态。另外，电子地图终端实现了站场之间的区间显示，能够监视机车在区间中的准确位置，所在道口的情况。在调度中心的大屏上，可以实现所有站的同时显示，一个小屏幕显示一个站场，也支持整个大屏显示一个站场信息。

3 系统软件结构

车地联控系统的应用软件包括:服务器软件、维修机软件、通信软件、MCCAD软件、IO数据处理模块软件等，如图3所示。

图3 车地联控软件体系结构

车地联控系统数据丰富，各子系统之间进行大量的信息传递和数据交换，这样就要求各个子系统、模块之间要有较强的接口能力。从系统的整体需求出发，分析各软件所实现的功能和其他软件系统之间的交互关系，确定组成系统的各个硬件、系统的整体结构、部件同步、部件交互和部件通信协议等，既考虑完全实现各项功能任务，又考虑软件的扩展和维护。从整体上软件体系结构的设计思想是模块化软件结构［7］。

4 系统运行环境

图4是车地联控系统界面，从图中可以看出该系统界面简洁，易操作。地面机采用的是目前铁路系统中较流行的QNX操作系统［8］，QNX是一种多任务、多用户的实时操作系统，具有优先级占用，方便移植，快速程序切换等优点。本系统所有的软件均使用C++语言按模块化的结构编写而成。

图4 车地联控系统界面

通信方式［9］:地面机与车载系统通过无线电台通信，地面机、服务器、信息化系统通过网络连接，服务器与GPS基站则通过串口连接。

系统调试:对车地联控系统功能的测试主要有以下2种方法。(1)将系统安装在实际的铁路运行线路中，根据实际需求和现场情况进行调试。(2)在实验室里搭建虚拟的测试平台，模拟现场实际的运行情况［10］，进行功能调试。最后根据调试结果，总结出系统的不足和漏洞，进行不断的改进和完善。

安全性能:结合铁路信号的技术趋势，车地联控系统采用的通信技术、容错与可靠性技术以及故障-安全技术，满足铁路专用线安全、高效的要求。其在维护上集成了许多丰富的功能，主要体现在人工维护机车界面，站场机车数据存储与回放，系统运行日志记录，超速报警等功能中，电务维护人员通过历史查询就能找到各种软硬件故障。

5 结论

车地联控系统硬件上采用动态冗余结构、故障隔离技术和一些安全防护措施，保证了系统硬件的安全可靠;软件上，各软件子系统的动态冗余机制保证了对故障的及时屏蔽和系统的不间断安全运行，确保了系统中软件部分的安全可靠。目前，该系统已开发完成，进入实际应用阶段。车地联控系统的使用提升了企业的生产管理水平，提高了运输效率，方便、快捷、安全的传递生产管理信息，同时提高了各级生产管理人员信息化管理水平，为企业及时、准确、科学的决策提供依据。

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