铁路人员上线作业流程闭环安全卡控系统设计

郭永红

(神华新朔铁路有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 010300)

0 引言

目前，铁路通信在我国的通信行业内占据举足轻重的位置。随着铁路线的增加，通行任务也在不断提升，为了保证列车每天可以正常稳定的运行，铁路工作人员必须每天对各工区所管辖的区域进行维护以及巡查。这是一项长期、定期，还存在重复性的工作，要将任务制作成计划，严格地按照所制定的计划内容进行工作，最后把工作结果进行记录并提交存档。为了对其进行系统化的管理，要每天对前一日的计划进行覆盖，等到规定时间后，检查记录的所有计划。这样不仅可以控制铁路工人上线作业能够按照计划流程进行分阶段的工作，还可以保证作业的安全[1]。

通过调查统计得知，一天的上线作业流程可以分成5个阶段：作业前准备阶段、上线工作阶段、正在作业阶段、下线作业阶段和完成作业阶段。由于铁路线上的工作环境较为复杂，尤其是正在作业的阶段，会存在一定程度的危险。而施工安全就是指上线作业时，为避免造成人员以及经济损失，消除或有效控制可能发生的危险因素，进而采取防护措施，令作业流程可以在符合规定条件下进行，从而保障铁路人员的健康及安全、设施以及设备不受损坏，使施工活动可以顺利执行[2]。

为此，本文设计一种铁路人员上线作业流程闭环安全卡控系统。此系统利用PID闭环控制算法，并结合登录模块、故障记录模块、故障信息、智能搜索、卡控过程展示、信息交互以及退出模块，使其指挥调度中心能够时刻获取线上工作人员的工作进度，不会受到外界干扰的影响，保证信息交互的完整性。

1 基于闭环安全的PID控制算法研究

1.1 比例控制规律

设置P代表存在比例控制的控制器，控制信号输出过程具体公式为

u(t)=KPe(t)

(1)

KP为比例增益，且控制器的偏差信号e(t)和输出信号u(t)是成比例状态的。

比例控制器在其根本上即为增益放大器，在其内部变换信号，仅更改幅值，相位不变。提升比例增益KP效果，不仅能够提升系统增益，同时，还可以降低误差，使其控制精度变得更加精准。但如果KP过大，则会导致系统的稳定性降低，致使系统的整体变得不稳定，所以需要根据实际情况输入合理的KP值[3]。

1.2 积分控制规律

设置I代表存在积分控制的控制器，利用I对积分的输出u(t)以及偏差e(t)进行调节，使其呈正比的关系，具体公式为

(2)

K为积分速度；Ti为i时刻时间常数。在输出信号等于0时，偏差信号也不会变化，同时，它能够在任意位置进行停留[4]。

1.3 比例-积分控制规律

将比例控制与积分控制进行结合，利用输出信号u(t)可以准确地反映出偏差输入信号e(t)，具体公式为

(3)

该方法就是在系统内添加开环极点，提升系统型别，改善性能，再通过对负载零点进行提升，从而提升阻尼系数，降低系统可能出现的负面影响。

1.4 全闭环的控制分析

闭环系统动态结构主要由反馈通道、广义对象以及数字位置控制器所构成。其中，广义对象由交流伺服系统、机械运动部件、脉冲发生器和零阶保持器构成。机械运动部件通过转换电机转角，以直线位移的状态进行运动，而把非线性以及传动误差当成系统的扰动情况进行处理，那么就能够把此环节作为比例的环节。在交流伺服系统内，它是以驱动装置的方式存在，其转角θ和指令脉冲F间存在积分联系，但是以微观的角度对其进行观察，要考虑到θ和F之间所存在的惯性因素。而脉冲发生器采用位置控制器发射控制信号，生成控制交流伺服的系统指令，所以此环节也是比例环节。设s为原点开环零点[5]，则广义对象传递函数公式为

(4)

在反馈通道内存在可逆计数、前置处理、信息传递和维持装置等装置，通过这些装置能够处理比较复杂的应用。但要以实际的位置作为输入，通过位置反馈值作为输出，得到适当设计的传递函数为Gd(S)=1。

通过对广义对象进行考虑，它是作为包括一积分环节的3阶系统，为使闭环系统拥有快速的动态性能，要跟踪斜坡的输入误差，得到具体公式为

(5)

ui为第i采样周期输出；ei为第i采样周期输入以及输出间的跟随误差；KI为积分的增益系数；KD为微分的增益系数[6]。

2 上线作业流程安全卡控系统设计

本文通过引入PID闭环安全控制算法，将该算法与卡控系统相结合，能够精确地跟踪目标的运动轨迹，在指挥调度中心的指导以及监督下，保障铁路人员在进行上线作业时的高效性及安全性[7]。

2.1 卡控流程系统的体系结构

该系统由数据资源层、用户表示层以及卡控功能层构成，具体如图1所示。

图1 系统流程体系结构

图1中，用户表示层能够为用户提供界面，便于用户和系统实现交流，它不仅是人机交互工具，同时也能够为显示进行逻辑分析；卡控系统功能层是整体系统最重要的部分，主要包含卡控过程、系统登录、故障记录和信息交互等功能，并将其实现；数据资源层主要是负责添加、修改、存储和删除等数据操作，并提供数据的访问通道，可为服务器提供数据支持[8]。

2.2 卡控系统的功能模块分析

铁路人员上线作业的卡控系统，可以分成指挥调度中心和线上工作人员。而处于不同端的不同用户，他们的模块管理也不同。通过对上述的功能需求进行分析，该系统主要包含登录模块、信息交互模块、卡控过程展示模块、故障信息记录模块和系统数据库工作表。

2.2.1 系统功能划分

a.指挥调度中心人员模块如图2所示。

图2 指挥调度中心模块

b.铁路线上人员工作流程模块如图3所示。

图3 上线工作人员的用户模块

2.2.2 登录系统模块

登录系统要正确地输入用户名及密码，才可以登录成功。指挥调度中心以及现场车间数据库内都能够存储登录系统密码与用户名，而只有在用户名以及密码全部输入正确之后，才可以登录系统。具体登录系统模块[9]如图4所示。

图4 系统的登录模块

2.2.3 信息交互模块

指挥调度中心与线上作业人员之间互相传输信息以及文件，就是利用信息交互模块实现的，其两端各自有一个发送窗口以及接收端口，它们之间的交互内容包含文字、语音、视频、图片和文件等。具体结构如图5所示。

图5 信息交互模块

2.2.4 卡控过程模块

卡控模块是该系统的核心，目的是实时掌控参与故障处理的上线作业的工作进度，从而令上级对所有工作人员进行指导以及提升，然后在每个需要作业的关键点实现卡控。具体如图6所示。

图6 卡控过程展示模块

2.2.5 故障信息记录模块

系统的故障信息是存储铁路线上所发送的故障信息，包含之前和目前需要处理的信息，从而可以随时查阅，具体包括文字语音、视频、图片和文件等。具体如图7所示。

图7 故障信息模块

该模块的记录数据包括上线作业的人员、施工地点以及所在线路等。而施工内容以及影响范围与处理方法要在单独窗口进行详细说明[10]，具体如图8所示。

图8 故障记录模块

2.2.6 系统数据库工作表

在对系统设计的过程中，数据库的名称被称为段级机关的卡控系统，而客户端数据库的名称被称之为处理铁路线上设备故障流程的卡控系统。在客户端的数据库内涉及的表，包括用户登录表、清点计划表、服务反馈表、清点表和指挥调度故障的记录表[11]。用户登录表是对允许登录人员的用户名以及密码进行记录的表。只有在输入正确用户名以及密码后，才能够登录系统，从而对数据进行上传以及卡控。以此才能够保证卡控系统安全性[12]，具体结构如表1所示。

表1 用户登录表

清点计划表，是对各种具体任务进行记录，其中包含作业负责人、调度台和请求时间等，具体如表2所示。

表2 线上清点计划表

故障记录表包括故障的处理方法、施工区域上传至段级机关的信息以及指挥调度中心传输至线上的信息，具体如表3所示。

表3 故障记录表

3 仿真实验

为了验证本文设计的系统在实际应用过程中是否能够达到合格标准，选择某铁路车务管辖的区域进行实验。令铁路工人进行上线工作，信息交互采用文字传输的方式，而实验环境选择如表4所示。

表4 实验环境

该次实验由5人组成：1人进行指挥调度，4人上线作业，在4人中选择1人作为队长。实验的上线作业是维修进站信号灯，在列车进站信号灯无法正确地明亮时，通过指挥调度下达任务，铁路人员上线工作从而形成卡控态势。在铁路车务的管辖区域，存在列车的来往行驶以及一些其他工业信号的干扰等，所以本文利用人工的方式，制造外界干扰信号，然后观察本文设计的卡控系统，处于时域以及频域上的信号，是否能在受到干扰的情况下正常使用，具体如图9所示。

通过观察图9能够看出，由于人工制造的外界干扰信号较强，导致信息交互的时域以及频域信号波动较大，而通过本文系统下输出的卡控信号，在时域与频域中只存在轻微波动，仍然能够以正常的形式传输线上的实际作业进度情况。这主要是因为本文引进了PID闭环安全控制算法，将信息从铁路工作人员设备中返回至指挥调度中心，使系统的输出能够达到预期要求。

图9 本文设计的系统信息交互时的信号波动情况

4 结束语

为了保证铁路人员在上线工作时的高效性和安全性，本文设计一种铁路人员上线作业流程闭环安全卡控系统，通过将指挥调度中心模块、线上工作流程模块、卡控过程的展示模块和故障信息模块相结合，可以达到稳定的信息交互，外界干扰对其影响较小。不过该系统的距离会受到一定的限制，而随着互联网技术发展，本文方法未来要将最新的网络技术与卡控系统进行融合，从而摆脱因距离问题而导致受限的影响。