机车平稳操纵管理系统的研究与设计

冯彦斌

摘 要：针对机车平稳操纵在铁路安全运输中的重要性，分析了目前机车平稳操纵的应用现状、管理手段及实施效果，研究了以智能机器、工业互联、管理平台为技术特征的机车平稳操纵管理系统。目的在于建立一套智能化的操纵管理体系，能够指导司机平稳操纵，对异常情况进行预警，对司机操纵过程进行分析和记录，对司机的操纵结果进行考核和打分，对全区域内的列车在遇到突发事件时进行统一应急管理，使机车平稳操纵的管理提高到了智能化、数字化、网络化的水平。

关键词：铁路系统 平稳操纵 智能机器 工业互联 管理平台

中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（a）-00-07

平稳操纵的含义。机车平稳操纵是为了保障列车的平稳安全运行和规范操作而采取的操作技能、技术手段、操作规范和管理办法。

平稳操纵的重要性。在列车司机日常驾驶中，司机的操作是否规范，异常情况能否及时预警，都将影响列车的安全运行，诸如发生抱闸牵引、带电过分相、超速、手柄操作不当、非正常停车、非正常制动、充排风操作不规范、未正常巡检、未正常试闸等不当操作，都可能造成安全事故；若发生网压、总风、电池电压、牵引电流、工况、速度、信号机等故障或异常时，如不能及时预警，也会带来安全隐患。

平稳操纵的现状。目前在我国铁路系统中，机车平稳操纵所采取的手段主要是根据线路情况、机车类型、牵引组合制定出一套操纵规范和管理办法，平稳操纵完成的好坏，一方面，要靠司机对操纵规范掌握的熟练程度和操纵技能的高低；另一方面，对于出现异常情况时，司机若不能及时发现隐患或故障，会造成事故的发生。

平稳操纵管理系统研究的内容。机车平稳操纵管理系统是利用智能化的技术手段实现对操纵的过程进行实时提醒、記录、分析、评分，并能够对突发情况进行相关路段的实时通知和管制。机车平稳操纵管理系统采用车载智能分析管理装置、4G网络通信、GPS定位、地面服务器技术，将标准化的平稳操纵规范预先被车载智能机器学习，车载平稳操纵智能管理装置通过4G网络、GPS定位和地面服务器进行实时在线管理。

平稳操纵管理系统的研究意义。第一，车载智能分析管理装置能够根据列车运行的情况，实时的对司机进行操操纵指导；第二，异常情况及时预警意义，并能够对列车运行状态进行数据采集和分析，若有故障或隐患存在，能够及时地进行预警；第三，对司机操纵进行评分考核的意义，地面服务器能够对司机的操纵过程进行评分和考核；第四，异常情况能够自动对事故进行一键音视频广播和推送，避免意外情况的发生。

平稳操纵管理系统的研究依据。根据各机务段的《列车操纵指导书》《列车操纵细则》《机务段LKJ管理分析标准及要求》的操纵管理要求及《轨道交通-机车车辆电子装置》规范作为平稳操纵管理系统的管理依据和标准。

1 机车平稳操纵的应用现状

目前机车平稳操纵的应用主要有两种方式：一是通过对机车平稳操纵的各种场景进行试验和研究，然后得出一套有针对性的操控方法和指导意见，并形成《列车操纵指导书》《列车操纵细则》，并要求司机按照指导和细则执行。二是通过地面数据分析装置，对列车全程记录进行分析，总结出平稳操纵应注意的实现，进行操纵反馈。

两种方式都对机车平稳操纵的操控方法、操控规范起到了理论依据和行为规范的作用，但具体实施过程都会受到列车司机的操控技能、操纵经验、客观场景、临场发挥的因素影响，而且在司机操纵实施过程中没有操纵记录、操纵分析、操纵考核手段，使机车平稳操纵的管理无法得到有效保障和落实，而且对于突发状况也没有一个实时的操控管理手段。

为了有效解决目前机车平稳操纵在实施过程中的不足，智能化、数字化、网络化的机车平稳操纵管理系统亟待研究和实现。

2 系统设计目标

所研究的机车平稳操纵管理系统的设计目标如下。

（1）平稳操纵实时在线指导功能：建立一套智能化的实时在线管理系统，在列车行驶过程中，能够实时地对机车平稳操纵进行指导，使司机能够在标准规范的平稳操纵的指导下进行操作。

（2）对操纵过程进行记录、分析、考核的功能：能够对司机的操控过程进行记录和分析，并对结果进行考核和打分，使机车平稳操纵实现数字化的管理。

（3）对机车安全隐患、故障、操作不当等非正常情况进行监控和预警：能够对机车网压、总风、电池电压、牵引电流、工况、速度、信号、过分相、工况、充排风等参数进行采集和报警分析。

（4）联网统一管理：所有区域的列车都可通过4G网络和地面服务器进行联网管理，并能够通过PC、手机进行业务操作，能够将各列车的运行状况、操控记录、操纵评分报表进行集中管理，并能够在突发事故情况下进行一键上报实现联网通知、事故通报、临时管制。

3 系统设计原理

平稳操纵的指导原理：车载操纵主机存储有线路数据（车站、信号机、过分相等）、操纵数据（建议标准速度曲线、限速曲线、操纵提醒条件和内容、预警条件和内容、操纵算法等）等基础数据，在机车行驶过程中能够根据车次、交路号、车站、辆数等信息自动匹配和调用相应的基础数据。

机车运行故障、操纵不当等安全预警原理：车载操纵主机实时的对机车运行信息、参数信息、操纵信息进行采集和判断，当发现有异常情况时，能够结合各参数之间的逻辑关系、机车运行状态进行准确的提醒和预警。

平稳操纵考核评分的原理：车载操纵主机实时的对操纵过程进行记录和分析，当有不当操纵或异常操纵发生时，能够根据平稳操纵的指导原则和规范进行分类识别，并将结果发送到管理平台，管理平台能够根据不同操纵项的评分标准进行自动打分，并最终形成各种条件下的评分考核报表。

4 系统总体架构设计

系统由车载智能分析管理装置、4G传输网络、地面管理服务器三大部分组成。

车载智能分析管理装置负责机车运行参数采集、运行状态分析、平稳操控指导、机车故障预警、4G联网通信、在线管理功能，是机车平稳操纵管理系统的核心执行部分。内置有ARM分析控制处理器、机车基础数据库、平稳操纵算法、4G远程通信单元。

4G传输网络是连接车载智能分析管理装置和地面管理服务器的实时传输网络，是完成集中化、在线管理的保证。

地面管理服务器是整个机车平稳操纵管理的集中平台，是实现平稳操纵自动考核打分、各种操纵记录报表分析、各种报警记录报表分析、在线运行管理的数据和网络平台。

系统架构和组成示意图如图1所示。

5 车载智能分析管理装置硬件设计

5.1 车载装置组成

车载智能分析管理装置由车载操纵主机、显示器、外围传感、仪表组成。显示器和主机之间采用RS232通信，主机和TAX箱之间采用RS485通信。示意图如图2所示。

5.2 车载操纵主机设计

（1）车载操纵主机采用ARM微处理器作为分析控制核心，协同外围的供电单元、4G通信单元、模拟采集单元、状态采集单元、TAX箱采集单元、数据存储单元、LCD通信控制单元共同完成各部分功能，车载操纵主机组成结构示意图如图3所示。

（2）ARM处理器选型与电路设计。ARM处理器采用STM32F103RCT6，主频72MHz，程序空间256M，内存40K，5路串口，多路DMA硬件缓存。电路设计如图4所示。

（3）模拟量采集单元电路设计。模拟量采集选用外置18位的高精度AD转换芯片MCP3421，并通过8路模拟切换开关74HC4051实现7路模拟量的分时切换采集。通道0为网压采集，通道1为电压型总风压力传感器采集，通道2为牵引电流采集，通道3为电池电压校准采集通道，通道5为电池组1电压采集，通道6为电池组2电压采集，通道7为电流型总风压力传感器采集。

模拟量切换采集电路如图5所示。

切换后的AD采集电路如图6所示。

电池组电压采集采用光耦继电器AQW210S进行通道隔离切换采集，并用隔离型线性光耦实现信号隔离采样，电路如图7所示。

电压型和电流型总风压力传感器采集分别选用0～5V和4～20mA的采样信号范围，供电电压为直流15V，设计电路如图8所示。

网压采集通过采集网压表的交流输出0～100V信号实现，选用2～2ma的电压互感器进行信号隔离采样，并进行信号采样、整流、滤波处理，电路设计如图9所示。

（4）存储单元电路设计。存储单元选用16M的flesh存储器芯片W25Q16DV，spi接口，设计电路如图10所示。

（5）主断状态采集电路。主动状态输出信号为直流110V电压信号，采样光耦PC817进行信号隔离采集，电路设计图如图11所示。

（6）TAX箱通信电路设计。TAX箱通信接口为RS485，选用ADM2483隔离RS485芯片进行设计如图12所示。

（7）LCD控制通信电路设计。设计2路串口LCD显示屏接口，供电定压DC15V，输出功率5W。

LCD电源控制电路如图13所示。

LCD串口通信电路设计如图14所示，其中2路串口发送通道通过74HC4051进行切换实现，2路串口接收通道通过74HC1G08与门进行分时服用。

（8）4G通信电路直接选用4G通信模块，通信接口为TTL串口，接口电路如图15所示。

（9）供电电路选用隔离DC-DC直流110V转15V模块，并通过DCDC稳压芯片MP1482获得3.3V电源，电路如图16所示。

5.3 车载操纵显示器设计

车载操纵显示器选用7吋的1024×600的触摸显示屏，通信接口为串口，内置系统，内置语音電路，可以显示曲线、文本、图标等多种内容，可以远程、本地播放语音。

6 车载智能分析管理装置程序设计

6.1 主程序设计

主程序设计任务和流程图如图17所示。

6.2 TAX箱通信示例

void do_uart2_rx（）

{

if（ uartrx_socktx_flag[SOCK_UART2]==1 ）

{//1

no_data_flag=1；//1=接收到数据

no_data_ms=0；

if（ sock_tx_len[SOCK_UART2]>=72 ）//72

{//2

uint8 flag；

uint16 i，a；// a--其他判断不能用

flag=0；

//------------------------------------------------------------------------

for（i=0； i<72； i++）

{//3

if（dma2_rxbuf[i]==0x38）//协议3 first part

{//4

if（sock_tx_len[SOCK_UART2]>=（i+72））

{//5

if（dma2_rxbuf[i+32]==0x39）

{//6

a=i+32；

if（check_tax_crc39（a）==1）

{

flag=1；//协议3 flag

break；

}

}//6

}//5

else break；

}//4

……

}//3

}//2

DMA_UsartrxConfig（1）；

}//1

}

6.3 4G通信处理程序示例

void do_uart1_rx（）

{

if（uartrx_socktx_flag[SOCK_UART1]==1）

{//1

if（sock_tx_len[SOCK_UART1]>4）

{//2

……

}//2

DMA_UsartrxConfig（SOCK_UART1）；//usart1-test：0-3

}//1

}

7 地面管理服务器设计

地面管理服务器采用B/S的系统设计架构，由通信服务程序、Web服务程序、mysql数据库组成，如图18所示。通信服务程序负责4G通信管理和数据解析，Web服务程序负责数据分析、业务处理、用户管理等功能。

车载操纵主机和地面管理服务器之间采用基于TCP/IP的socket通信方式，地面管理服务器作为服务端server，车载操纵主机作为客户端client，客户端client主动请求server来建立通信链接。

Web服务器作为服务端，用户可以远程访问WEB服务器网址进行账户登录，通过输入账号、密码进软件登录。

地面管理服务器可根据车载装置的上报数据进行平稳操纵的打分考核管理，可生成平稳操纵打分考核报表，并可分别通过日期、司机、机车牵引组合类型、操纵类别等条件进行相应的统计报表分析。

地面管理服务器可远程对车载装置进行语音、文本信息的通知和广播。

地面管理服务器当接收到车载装置发来的广播请求命令时，可将该广播内容对所管辖区域内的所有列车进行语音、文本形式的广播。

8 试验及应用分析

目前平稳操纵管理系统已通过了列车装车试验和实际应用，在使用过程中，受到了众多司机的好评和欢迎。使司机有效避免了充风不足开车、累计减压超过最大减压量、连续减压次数超过规定次数、带电过分相、工况转换间隔太短、抱闸牵引、单阀制动、上下行轉换操作时机不当、超速、总风异常、开车前未试闸、起车空转等非正常操纵现象，并在特定情况下能够及时的提醒防洪地段、走廊巡视、慢行提醒等事项。

9 结语

通过对机车平稳操纵管理系统的多车次、多人员的试验和应用，达到了系统的设计目标，对列车平稳操纵起到了指导作用，对列车的安全运行起到了重要保障，有效的减少了不当操纵和异常情况的发生，并对列车的安全、平 稳操纵提供了科学的管理平台。

参考文献

[1] 列车操纵指导书[Z].

[2] 列车操纵细则[Z].

[3] 机务段LKJ管理分析标准及要求[Z].

[4] 轨道交通-机车车辆电子装置[Z].

[5] STMicroelectronics.STM32F10xxx参考手册[Z].2010.

[6] SIM7600CE_硬件设计手册_V1.04[Z].

[7] MCP3421A0T-18bit[Z].

[8] W25Q16DVSSIGTR_PDF_C82637_2016-09-10[Z].