重载列车智能化操控系统车地实时通信方案研究与实现

陆小红，张晓凤，郑木火，孙莹莹

(浙江众合科技股份有限公司，杭州　310052)



重载列车智能化操控系统车地实时通信方案研究与实现

陆小红，张晓凤，郑木火，孙莹莹

(浙江众合科技股份有限公司，杭州310052)

为提高重载列车调度和运行的自动化水平，提高线路运输能力，基于朔黄线神华机车进行重载列车智能化操控系统和地面调度优化系统的车地实时通信方案研究，包括车地通信的接口安全性、车地通信机制和内容以及重载列车智能化操控系统对地面调度信息的处理，通过LTE-R 4G网络实现车地数据的实时安全交互，实现朔黄线车地设备报文实时自动交互功能，进一步提高朔黄线重载列车运行的准时性和节能性。

车地通信; 智能化操控系统; 调度优化系统; 重载列车

重载列车智能化操控系统车地通信的实现是国家科技支撑计划项目“轴重 30 t以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制”中重载列车智能化操控系统和地面调度优化系统两课题数据交互的保证。本文主要研究其车地通信的安全性和交互机制，实现车地的实时数据交互，更好地服务于朔黄线重载列车运行和调度[1]。

重载列车具有车辆载重力大，列车编挂辆数多，操控复杂，运行距离远等特点，如何实现重载列车在路内位置的实时确定并交互调度信息，提高调度运行自动化水平，提高运输效率有重要的意义[2-3]。目前朔黄线车载和地面设备之间还没有实时数据交互的通信，并且临时限速的下发由调度中心以纸质司机报单和CF卡方式针对每列列车人工下发和核对临时限速信息，操作繁琐且存在一定的风险；全线以固定闭塞制式运行，列车运行授权由信号机灯色给出，司机无法确定前方允许运行距离；重载列车从神池南运行到黄骅港的计划运行时间为8 h50 mim，而实际列车全线运行一般都在9 h30 min以上，由于调度系统不进行在线优化调整运行计划，全线590 km的路程，司机运行过程中难免出现某些站点运行与计划的较大偏差，导致列车在运行过程中受前车影响以及场内后长时间等待作业[4]。针对以上问题，本文研究重载列车智能化操控系统与地面调度优化系统的车地通信方案，以实现临时限速的自动下发和响应；实现列车运行的目标点在线下发，增加列车可见的可运行距离；实现站停信息和运行时刻信息的自动下发和及时响应，车地配合实现列车运行时间的实时优化。极大地提高重载列车调度运行的自动化水平。

1　车地通信接口安全性

1.1车地安全通信结构

重载智能化操控系统采用朔黄线既有的LTE-R 4G网络接口实现与地面调度优化系统的通信[5-6]，传输层协议采用面向连接方式的TCP协议。地面调度优化系统的通信前置服务器为Server端，重载列车智能化操控系统作为Client端。为保证车地间通信的安全性，需要建立如图1所示的车地安全通信系统总体结构[7]。

图1　车地安全通信系统总体结构

1.2车地通信安全措施

重载列车智能化操控系统车地通信结构的构建遵循EN50159标准，保证信息的真实性、完整性、实时性和顺序性[8]，本文车地通信接口安全性措施具体如下。

(1)时间戳

系统发送和接收的所有应用报文均包含时间戳，用以判断接报文是否为新报文。

在每次接收到报文时，比较该报文的发送时间戳和上周期报文的时间戳，若大于上周期的时间戳，更新报文内容，并更新时间戳，用于下次通信接收报文时判断，否则，不更新报文内容和时间戳；在一个周期内，多次收到同一消息ID的报文时，用发送时间戳从报文缓冲池中筛选最新的报文。

(2)超时

车地信息传输过程中，对所有周期报进行报文超时检查。

当本周期没有收到有效(指报文ID正确、发送端接收端ID正确、CRC校验正确)的新(通过报文有效性检查，比之前收到的报文新)报文时，开始超时计数。若计数超过判断阈值，则判断超时。

若接收到有效的新报文时，判断报文不超时，且将超时计数清零。

若某一周期没有收到周期报文且未超时，则延用上一周期数据。若报文超时，则将该报文的内容置为无效态，报告通信失败。

(3)源、目的设备识别

系统所有报文应用层均含有源和目的地址，以确定报文来源和目的地的正确性。

接收到报文时，检查报文中发送端设备ID和接收端设备ID，若发送设备ID错误或接收设备ID错误，则判断该报文有误，以此避免从错误的设备接收报文或者接收发送给其他设备的报文。

(4)安全码

系统提供CRC32安全码措施防止传输数据出错。

(5)报文头

通过报文头识别报文的起始，再通过报文长度读取相应字节进行处理。若应用数据中数据与报文头相同，则重复打上该字节，确保报文头的正确识别。

(6)其他措施

系统接收报文时，会检查报文数据类型和数据长度，若数据类型或数据长度错误，则丢弃该报文。

在车地通信超时后，智能操控系统主动发起向地面调度优化系统的链接，增加系统的可用性。

车地通信过程中，要求本系统和地面调度优化系统均执行规定的通信协议，发送时在应用数据基础上打上上述安全协议字段，见表1，并且对收到报文的相应字段进行解析及处理，保证发送端误操作时，故障不会进一步扩大[9]。

表1　通信数据帧格式

2　车地通信数据交互

重载智能化操控系统车地通信实现列车运行相关调度信息的实时交互，包括列车注册信息、时间校验、列车运行信息、列车站停信息、运行目标点、临时限速设置和取消、调度命令信息、时刻信息和规划曲线的交互。实现了朔黄线第一次车地设备报文实时自动交互。

2.1注册/注销流程

为实现列车智能操控系统与地面调度优化系统的信息交互，列车在正线正常运行时主动向地面进行注册请求，仅在注册完成后调度系统才对该列车进行调度管理。

智能操控系统启动后主动链接调度优化系统并进行注册，以接收调度优化系统的调度信息。接收到注册成功的反馈后，发送列车运行信息给调度优化系统，实现调度优化系统对本车信息的实时掌握，若接收到注册失败的反馈，则重复注册。当智能操控系统与调度优化系统的链接断开后，主动检查通信链路状态并发起链接请求，重新建立链接后再次进行注册操作。

当智能化操控系统处于由列车模式变为调车模式、人工软关机、退出正线等非正线正常列车运行状态，向地面调度优化系统发送列车注销信息。当调度优化系统收到列车注销信息后，在既有在线列车列表里找到该列车，标记为列车注销状态，并向智能化操控系统发送注销成功消息。

2.2时间校验

调度优化系统发送时间校验信息，智能优化系统校验本系统时间并反馈时间偏差，保证后续运行时间等信息的正确性。

2.3调度在线优化

为实现重载列车的调度在线优化，智能操控系统需把列车运行信息实时发送给地面调度优化系统，并交互运行时间信息，交互机制见图2。

图2　调度在线优化信息交互机制

智能操控系统组织司机号、车次号和机车号等车辆基础信息以及列车运行方向、速度和位置等运行信息，发送给调度优化系统，确保调度优化系统对本车运行状况的实时掌握，调度优化系统接收到列车运行信息后，在人机界面上显示列车位置和速度、车次等信息，实时跟踪列车运行。

同时列车根据接收到的调度站停信息进行站停控制，根据站间运行时间信息计算列车辅助规划曲线并根据该曲线采用专家知识库算法给出操控提示，指示列车在计划站间运行时间内运行，确保准时性。并将列车在本站的已运行时间和剩余站间运行时间组成的规划曲线信息发送给调度优化系统。

调度优化系统接收到规划曲线信息后，比对原有调度计划的站间运行时间，对该车的运行时间进行在线优化并下发站间运行时间给智能操控系统。

2.4目标运行点

调度优化系统检测线路上障碍点，包括前方列车、失表的道岔、区段故障等引起的前方信号机红灯，将该红灯信号机位置作为目标点发送给列车，智能操控系统接收该目标点后重新计算列车运行最严格限速曲线，将目标点前移安全距离后设置为辅助规划曲线的目标停车点，保证列车在该点前安全停车。

其中，安全距离的确定跟当前列车的运行速度和车辆特性、线路坡道、车地通信延时、司机反应时间等有关。安全距离的预留保证了列车在目标运行点前停车，减少了列车红灯冒进的可能性。

2.5临时限速信息

由于现场施工、天气情况等原因线路上需要设置临时限速，目前朔黄线临时限速通知的下发由每列列车司机交班时手持CF卡上车载入并人工核对，本文车地通信实现后调度优化系统可以直接在调度中心统一设置线路临时限速，自动识别该区段的列车并下发指定有效时间内的临时限速到每一列列车。

智能操控系统接收到临时限速报文，检查临时限速起终点公里标、限速值等信息确保临时限速有效性，并回复临时限速设置反馈报文；若接收到临时限速取消报文，则比对临时限速会话号，将相应的临时限速删除，并发送临时限速反馈报文。若调度优化系统未接收到有效的反馈报文(临时限速设置/取消成功)则继续下发临时限速设置/取消报文。利用数据有效性检查以及反馈确保临时限速的有效执行。

智能操控系统为保证列车全列完整接受临时限速的限制，防止车尾超速，故在接收到的有效的临时限速基础上增加1个车长距离的限速。列车运行最严格限速根据临时限速重新计算限速曲线，保证列车在限速下运行，专家知识库算法根据当前列车距限速点的距离以及速度差、车辆制动特性、线路条件计算重载列车允许最大再生力作用下列车是否能够减速到限速下运行，若不能，则提前施加空气制动保证列车不超速。

3　车地通信实现

重载列车智能化操控系统给出操控提示辅助司机驾驶，向地面调度优化系统请求链接并注册成功后，将运行信息发送调度优化系统后进行列车显示见图3。

图3　地面调度优化系统列车显示

智能操控系统与调度优化车地实时通信实现在线调度运行优化，相应调度优化系统的运行时间信息进行列车辅助驾驶规划曲线的重计算，并接收调度优化系统的运行目标点进行限速处理，见图4和图5。

图4　智能操控系统运行界面1

图5　智能操控系统运行界面2

智能操控系统接收地面调度优化系统的临时限速信息并响应，见图6。

图6　智能操控系统响应临时限速界面

将本文车地通信应用于朔黄线神八机车牵引万吨列车智能操控系统和地面调度优化系统后，实现了车地实时通信以及列车运行的在线调整，较朔黄牵引万吨列车历史运行时间符合度和节能性有了一定的提高[10]，见表2、表3。

表 2　万吨综合试验区间走行时间指标统计

注：运行时间符合度=(实际运行时间-计划运行时间)/计划运行时间*100%

表3　万吨综合试验区间节能指标统计

注：节能百分比=(综合试验能耗-朔黄线历史平均能耗)/朔黄线历史平均能耗×100%

(能耗负值表示本区段列车运行的发电量大于用电量)

4　结语

通过对目前朔黄线实时车地通信缺失导致的调度运行影响分析，提出实现重载列车智能操控系统与地面调度优化系统的实时车地通信，采取安全措施保证数据传输的正确性和完整性，从而实现站停信息、运行时间信息和临时限速及运行目标点的车地实时交互。其中列车计划运行时间的实时调整，进一步提高了列车运行计划的符合度，合理调整了全线列车运行计划，降低了列车能耗；运行目标点的在线读取及限速防护，增加了列车允许运行的可知范围，为重载列车的准移动或者移动闭塞制式的实现打下了一定的基础，提高了列车运行效率；临时限速的实时在线读取并限速处理，增加了异常情况的应急处理能力，提高了自动化水平，进一步保证了列车行车安全。在后续的工作中，还需对车地通信内容加以拓展，并优化车地运行时间交互时机以利于更好地在线调度优化，实现列车调度和运行的进一步自动化，更大地提高线路运输效率。

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Research on TWC Program of Heavy Haul Train Intelligent Control

LU Xiao-hong， ZHANG Xiao-feng， ZHENG Mu-huo， SUN Ying-ying

(United Science &technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China)

In order to improve the level of automation heavy haul train dispatching and operation and improve transport capacity， this paper researches the scheme of ground vehicle real-time communication between intelligent control system and scheduling optimization system based on Shuozhou-Huanghuagang railway Shenhua heavy haul train， covering the safety of communication interface， the vehicle-ground communication mechanisms and content， and the ground schedule information processing in intelligent control system. The real-time vehicle-ground data automatic interactive features are fulfilled through LTE-R 4G network to further improve the punctuality and energy efficiency of the Shuozhou-Huanghuagang railway heavy haul train．

Vehicle-ground communication; Intelligent control system; Scheduling optimization system; Heavy haul train

2015-12-18；

2016-01-28

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00，2013BAG20B01)

陆小红(1986—)，女，工程师，2012年毕业于西南交通大学交通信息工程及控制专业，工学硕士，E-mail：lxh1109xq@163.com。

1004-2954(2016)08-0130-04

U285.21

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.027