基于多模通信的货物列车尾部安全防护系统研制

关 达，文 波，张宏娜

货物列车尾部安全防护系统（以下简称“列尾系统”）取代守车已在我国铁路运用多年，对于保障行车安全具有重要作用，显著提高了作业效率，节省了大量的人工费用［1-2］。针对地方铁路列尾系统采用400 MHz数字对讲通信技术，在山区、隧道等弱场区段通信成功率较低等问题，同时考虑铁路沿线已具备了4G/5G网络，研发了基于多模通信的货物列车尾部安全防护系统（以下简称“多模列尾系统”），由多种通信方式同时承载列尾系统通信，各通信模式相互补充，可有效提高列尾系统的通信成功率和可靠性［3-4］。

1 系统设计

多模列尾系统将400 MHz数字对讲系统与4G/5G公网相结合，多种通信模式同时工作。4G/5G通信模式下，由4G/5G公共网络承载，通过公网架设监测管理服务器进行数据中转；400 MHz数字模式下，采用DMR（Digital Mobile Radio，数字移动无线电）点对点直接通信方式［5］。多种通信模式共同实现列尾风压查询、辅助排风制动、风压报警、电压报警等信息的传输，任一模式通信成功即认为列尾通信成功。

多模列尾系统由列尾机车台、列尾主机、机车车号确认仪、列尾主机检测台和监测管理服务器等构成。监测管理服务器同时配套列尾信息管理系统，在中转数据的同时记录列尾主机和列尾机车台的运行数据、地理位置，帮助用户进行远程数据分析。多模列尾系统构成见图1。

图1 多模列尾系统构成

硬件部分：列尾主机安装于列车尾部，与列车主风管连接，实时采集列车主风管风压值，并反馈列车风压；当列车运行过程中出现主风管风压过低或设备电量不足时，立即向列尾机车台进行报警。列尾机车台安装于车头位置，列尾机车台配套有控制盒操作终端，通过操作控制盒按键，实现与尾部设备的一对一通信，实时获取列车尾部风压值。当列车折角塞门出现意外关闭时，通过排风操作，控制列尾主机电磁阀动作进行辅助排风紧急制动。

软件部分：监测管理服务器由头尾互联数据采集程序、列尾信息管理系统两部分组成。头尾互联数据采集程序从4G/5G公网接收、转发数据，同时将数据保存在列尾信息管理系统的数据库中。列尾信息管理系统具有GIS地图列尾实时追踪、列尾实时运行数据查询、列尾信息类型指令查询分析等功能。

2 关键技术

2.1 4G/5G公网通信策略

地方铁路沿线覆盖4G/5G网络，具备4G/5G网络通信条件［6］。

4G/5G公网采用TCP/IP协议，由于移动终端设备激活网络后为内网IP且为动态IP，为实现头尾设备的通信，采取公网IP监测管理服务器中继的方案。列尾主机与列尾机车台向监测管理服务器发送指令数据，监测管理服务器根据数据帧中的命令、设备ID号等进行数据判断并进行转发，实现列尾机车台与列尾主机的数据通信。

当列尾机车台与列尾主机之间无业务数据交互时，列尾机车台与列尾主机分别与服务器进行定时状态数据交互。当设备与服务器状态交互异常时，及时进行网络更新并与服务器重新连接，保障设备与服务器之间的实时可靠连接。4G/5G通信制式系统示意见图2。

图2 4G/5G通信制式系统示意

2.2 服务器设计

2.2.1 头尾互联数据采集

头尾互联数据采集程序接收列尾主机和列尾机车台发送的位置信息上报、发送指令中转、运行信息上报、设备心跳上报等数据，根据上报数据的协议类型分别处理；对于位置和运行信息上报数据，采集程序对数据进行解析，然后存入列尾信息管理系统的数据库；发送指令中转数据则先进行解析，确定中转目标后将数据发送至目标，再进行详细解析并存入列尾信息管理系统数据库。

头尾互联数据采集程序采用C#开发，使用Socket通信技术［7］，服务程序对多端设备产生的数据进行中转管理。所有设备在接入服务程序后均保持一个TCP的长链接，形成长链接池，实时发送心跳状态。当服务器接收到数据后，开始解析目标设备特征码，对长链接池进行检索，找到目标设备后通过TCP长链接将数据发送给目标设备。在中转数据的同时，对接收到的数据进行入库操作，即对所有中转数据进行保存。

考虑到未来列尾设备数量较多且位置分散，为保证数据一致性和性能要求，数据库使用分布式架构，存储过程实现垂直分片，即将一条记录存在多个表中，使用服务程序和存储过程相结合的方法，将数据全局操作转变为多个单元的垂直分片表的局部操作，保证分布式事务的ACID特性。ACID特性为原子性（Atomi city）、一致性（Consistency）、隔 离 性（Isolation）、持久性（Durability）。由于垂直分片表的操作放在一个分布式事务内，保证了分布式数据库系统的数据一致性。分布式存储处理流程见图3。

图3 分布式存储处理流程

2.2.2 列尾信息管理

列尾信息管理系统具有GIS地图实时追踪、列尾信息指令的履历查询及列尾主机的运行信息展示等功能。

GIS地图实时追踪功能，不仅可对列尾的位置实时追踪，还可在图形化界面中展示列尾告警（风压、电压）并发出报警音，以帮助监测人员及时发现问题。

以往对列尾主机和机车台的数据分析，需要等机车到站取下设备才可进行，而本系统是在机车运行过程中就将数据提交到列尾信息管理系统进行分析，不仅可以及时发现问题和隐患，而且减除了工作人员的工作量。监测服务器软件处理流程见图4。

图4 监测服务器软件处理流程

2.3 设备远程监测

列尾设备具备北斗［8］定位功能，列尾机车台与列尾主机定时获取北斗定位数据，并对数据进行组帧，通过4G/5G公网将位置、业务和状态等信息上传至监测管理服务器。通过监测管理系统平台对业务数据、状态信息进行数据分析后，对设备工作状态做出判断，对异常状态发出预警，及时进行故障预判，避免重大事故的发生。

监测管理系统平台，可实时显示机车运行位置，对收到的数据依据内置规则分为告警数据与正常数据，实时展示在GIS地图中，点击GIS图中的设备图标或告警图标可展示当前列尾机车台或列尾主机详细信息。

3 系统测试

3.1 通信实时性

多模列尾系统分别通过400 MHz数字模式和4G/5G公网进行通信，测试列尾机车台发送命令到列尾主机返回应答的时间延时，即通信实时性。测试机车台共查询列尾主机风压100次，列尾主机通过4G/5G公网平均返回应答数据时间约为1 s，而通过400 MHz数字模式平均返回时间约3～4 s。说明多模列尾系统数据传输的实时性明显优于原有的400 MHz数字模式通信。

3.2 网络稳定性

多模列尾系统的机车台与列尾主机连续工作48 h，未出现掉网现象，网络运行稳定，数据通信正常，且数据通信成功率为100%。

3.3 现场动态测试

目前包神铁路列尾系统为400 MHz数字通信模式，现场动态测试在包神铁路相关线路区段进行，共分为二阶段。

第一阶段，列尾主机风管不与机车主风管相连，对系统设备在实际线路的通信效果进行验证，比较多模列尾系统与400 MHz数字模式列尾系统的通信成功率。2021年6月25～28日，在包神铁路南线按照实际运行线路情况进行验证，通信数据见表1。

表1 第一阶段400 MHz数字模式及多模列尾系统通信成功率对照

试验过程中经过转龙湾、新梁家山等山区隧道区域，共查询列尾主机风压337次，其中，400 MHz数字模式查询成功率92.6%，而多模列尾系统查询成功率100%。

第二阶段，列尾主机风管与机车主风管连接，对试验设备运用效果进行验证。通过包神铁路机车乘务员的实际操控应用，系统设备试风操作正常，符合包神铁路既定运用要求，线路运行过程正常。运行数据见表2。

表2 第二阶段400 MHz数字模式及多模列尾系统通信成功率对照

试验过程中共查询列尾主机风压300次，其中，400 MHz数字模式查询成功率94.3%，而多模列尾系统查询成功率100%。

4 结论

1）多模列尾系统在包神铁路进行了现场动态测试，测试效果良好，满足现场运用需求，有效提高了山区、隧道等复杂区段的通信成功率。

2）系统可实时监测列尾设备运行状态，提高了运输管理效能。

3）考虑地方铁路利用LTE-R专网通信的需求，本系统在400 MHz数字通信模式、4G/5G公网网络通信模式的基础上，增加了LTE-R专网通信模式。

4）多模列尾系统符合国家技术创新方针政策，实现了新兴技术同传统行业的高度融合，提高了运输效率，更好地保障了运输安全，可为全国地方铁路的推广应用提供参考。