铁路电务设备维护和上线作业卡控系统的研究

吴 宇 李 坚

随着我国高速铁路飞速发展、普速铁路的全面提速，路网电务设备日常维修以及施工作业等安全防护工作的难度愈来愈大，行车安全、运营安全、施工安全等得到了空前关注和重视，给电务设备的维护模式提出了更高的要求。

1 维护现状

1．营业线电务设备维护困难。目前，电务系统的日常维护中，存在管辖设备种类复杂、数量多、维修人员少、“天窗”点紧张、线路设备地点分散，以及作业区域大等问题。

2．作业安全卡控技术手段缺乏。既有的电务维修作业调度方式，基本采用的是人工卡控的传统方式；铁路现场巡检仍是目前最为直接的发现问题的方式，尽管主要区域引入视频监控，实现对固定区域的实时监控和录像，但无法代替设备日常维护；施工作业安全管理压力大，缺乏先进有效的技术手段实现快速、正确的信息上报和对作业人员的定位，在移动巡查、突发事件实时监控、预警应急、人员的高效调度管理等方面仍然存在瓶颈。

3．设备维护技术手段落后。设备的各类电气性能、外观强度、防雷特性、故障检测等多项指标的测试和统计以手工记录为主，数据处理量大，不便于综合分析。在日常维护、故障管理、备品备件记录等方面信息化手段不足，未形成专业的故障数据库和备品备件数据库，图片、影像资料不够丰富。

为此，从既有铁路电务系统技术条件和装备能力出发，提出电务设备维护和上线作业卡控系统，可对外巡、外检、现场施工、应急抢修的电务人员进行安全卡控，对设备巡检提供智能化管理，保障人身和设备安全。

2 系统设计

2．1 系统组成和工作原理

铁路电务设备维护和上线作业卡控系统，由设备维护和作业管理监控中心、无线网络、列车位置采集系统和新型智能手持终端四部分组成，如图1所示。

2．1．1 列车位置采集系统

列车信息采集系统由CIR数据采集终端和无线网络终端二部分组成。CIR数据采集终端与CIR记录单元串口互联，当CIR从TAX／DMS读取列车位置数据后被采集设备解析分析筛选处理，按照应用层约定协议由无线终端将列车所处位置报告给设备维护和作业管理监控中心。

图1 铁路电务设备维护和上线作业卡控系统

2．1．2 设备维护和作业管理监控中心

设备维护和作业管理监控中心采用B／S软件构架，包括维护管理终端、数据处理服务器、数据库服务器。数据处理服务器和数据库服务器放置于路局调度中心，完成检修任务下达、登记、撤销和评定，实现远程故障处理专家会诊与协助，和作业远程指挥和实时进度记录，并在GIS地图上显示人员、列车位置，自动列车与作业人员距离测算与接近提醒等功能。维护管理终端分四级在路局调度中心、段、车间和工区设置，按照使用权限开通相应功能。维护管理终端可查询、修改、删除设备历史检修记录、历史故障信息，能够展开GIS地图进行车辆跟踪及人员定位，能够跟踪作业实时进展等。

2．1．3 新型智能手持终端

新型智能手持终端采用开放操作系统，支持自主开发的配套功能软件，集成射频RFID、北斗卫星定位单元、450MHz模块、800MHz模块、LTE－R模块和 GSM－R 模块，接收 LBJ设备800MHz列车防护预警，接收设备维护和作业管理监控中心发送来的列车接近预警提示，向LBJ发送施工防护报警，支持电子标签、巡检拍照、文字编辑、视频传送、卫星定位、450MHz 或 GSM－R通话、任务管理、记录管理、预警提示等功能。

2．1．4 无线网络

结合铁路和公网技术装备以及未来无线发展方向，无线信息传输可以采用 专 网 GSM－R 系 统、LTE－R系统和公网3G和4G系统。

2．2 系统功能

1．作业人员和列车安全距离防护。实时采集和分析列车和作业人员位置，按照人车位置测距算法计算距离两者位置公里标，不足安全距离时中心服务器主动下发列车接近防护报警提醒电务人员。新型智能手持终端可向LBJ发送施工防护报警，接收LBJ设备800MHz列车防护预警

2．设备巡检管理。RFID射频设备扫码实现设备巡检的智能化管理，在手持终端查询设备历史检修记录和故障处理信息，录入检测结果，并允许通过网络保存到服务器。

3．作业远程监控。上线作业时新型智能手持终端可将现场视频、图片、文本记录回传调度中心，接收来自指挥中心或其他终端的呼叫和文本内容，实现施工作业全过程跟踪、远程作业指挥和故障处理专家会诊。

4．维修任务管理。管理平台自动编排维修计划编制、维修指令下达、维修任务领取、维修任务提醒、现场签到功能。

3 关键技术

3．1 人车位置测距

为确保作业人员有效掌握列车位置和安全距离，系统需对列车和作业人员位置进行追踪，并向作业人员提示当前线路列车与作业人员之间距离。人车位置测距使用公里标刻度衡量，即测算列车当前公里标数值与作业人员公里标数值差值，近似计算人车之间距离。列车公里标数据是由列车位置采集系统读取，列车CIR设备每间隔1s从DMS／TAX设备获取公里标信息，通过有线接口发给列车位置采集系统。

作业人员公里标有2种计算方式：GIS采点逼近法和区间设备测算法。GIS采点逼近法，铁路地理信息系统 （GIS）已对开通线路经纬度信息和公里标信息建立数据表，新型智能手持终端内置北斗卫星定位模块测量当前人员经纬度，通过对照查询GIS数据表中最为接近的经纬度读取对应公里标，作为作业人员的位置实际公里标值。这种方法利用成熟GIS系统数据库，算法较为简单，精准度取决于GIS采集样本精度。区间设备测算法，利用既有基站／车站电台／中继站的经纬度和公里标对应关系，假设二基站或车站电台之间的铁路为直线，近似计算出作业人员当前经纬度对应的公里标信息。这种方法以区间设备作为参照系，算法相对复杂，且山区等线路区段难以近似为直线，影响了计算精度，推荐采用前种方案。

3．2 新型智能手持终端

3．2．1 既有手持终端现状

铁路现有手持台有GPH、OPH、无线列调手持台和普通对讲机。其中，GPH和OPH用于GSM－R无线网络环境，不支持800MHz列车防护报警。而无线列调手持台和普通对讲机，适用于普速铁路450MHz无线列调调度指挥和施工作业，不支持智能操作系统和应用软件开发。为此，研发一种新型智能手持终端，可实现多种无线制式无缝融合，采用RFID技术取代传统手工计表工作，并且区间设备智能定位。

3．2．2 新型智能手持终端要求

终端软件采用开放性操作系统，集成450MHz、800MHz、GSM－R、LTE－R 和 RFID模块，实现多制式、多业务、多应用兼容，能够根据线路特点和上线作业环境要求，灵活搭配不同无线单元实现维护要求。采用RFID技术，可扫描线路设备电子标签，可显示产品说明书、历史巡检记录和故障诊断案例库，自动将检测结果按照规范格式发送到地面服务器。新型智能手持终端可调用后台历史检修记录和故障诊断帮助，便于分析设备故障。终端可加载线路设备地图显示各设备公里标，直观定位作业人员和设备地理信息和方位，快速锁定工作目标。该智能手持终端便于携带，制作工艺、散热、体积都有严格要求，且电磁兼容特性要求较高，各频段电气性能不能互相干扰。

3．2．3 新型智能手持终端架构设计

新型智能手持终端采用多CPU结构，可分为通信子系统和应用子系统。通信子系统适应各种无线接口协议标准，选择适当的移动通信网络，建立和维持网络连接，实现话音和数据通信。应用子系统负责管理存储器、外围设备、外部接口等系统资源，运行应用程序，提供用户界面；此外还包括终端的电源管理，为上层应用软件平台提供服务，在操作系统之上执行各种各样的应用程序等。

新型智能手持终端的硬件平台主要由多模3G／4GLTE的处理器、800M／450MHz铁路专用通信模块、RFID扫描单元、北斗定位单元、摄像照相单元、WiFi／蓝牙通信单元、RAM／FLASH单元、天线、耳机、话筒、触摸屏显示、LCD和按键等手机外设组成。多模3G／4GLTE主处理器采用四核设计，基于ARM Cortex－A7架构，网络支持HSDPA 21．Mbps、GSM／EDGE、TD－SCDMA、双卡 （Dual SIM）、双 卡 双 待 （Dual Active－DSDA）；支持LTE Cat．4 （FDD／TDD）网络，传输速率最高 150Mb／s；另外，还支持 WiFi 802．11ac，蓝牙、FM 等功能。800M／450MHz铁路专用通信模块用于与现有铁路的800MHz列车预警系统和450MHz列车调度系统进行通信。接收的列车预警信息，可传送至主处理器显示和处理。北斗定位单元通过北斗卫星实现位置定位和短报文通信，用于作业人员实时定位，应急情况下还可扩展短报文通信传送信息。

3．2．4 新型终端主要优势

1．结合RFID技术与铁路专用通信技术，实现了智能物联网终端与铁路专用通信终端的有机融合。

2．基于北斗的卫星定位系统，结合终端的电子地图，实现了人员实时卡控定位和设备定位。

3．融合了列车预警功能，为作业人员提供了更安全的预警防护。

3．3 车－地无线通信

车－地信息传输实现列车位置采集单元、手持终端与地面监控中心之间通信。常用车－地无线传输的方案有以下几种：

1．GSM－R无线网络CSD电路域数据传输。速率为2．4，4．8，9．6kb／s三种，传输速率低，满足视频、图像宽带要求，该方式优先CTCS列控系统使用，没有覆盖GSM－R网络的线路无法使用。

2．铁路GPRS网络分组域数据传输。GPRS目前承载调度命令、无线车次号、编组站列检商检和旅客列车乘客信息传送，单信道最高速率21．4kb／s，能够满足图像和文本业务，无GPRS网络覆盖线路无法使用。

3．公共移动互联网络。优点是信息传输速率高，能满足宽带应用需求，设备组网简单，高速和普速铁路均适用。缺点是车载设备信息属于专网安全保密信息，不适宜使用公网承载，且设备组网复杂，铁路核心网机房需增设网关设备与公网互联互通，不利于专网设备专项管理。

4．铁路LTE－R系统。LTE是未来铁路无线通信的发展方向，具备传输速率高，组网简单，特别适用于宽带数据业务的特点，目前LTE网络建设标准正在制定，已计划开展相关试验段。

综上所述，建议当LTE－R条件成熟时车－地无线通信采用方案4。当不具备LTE－R条件时，采用方案2和方案3联合组网方式。各方案对比参考表1。

表1 各类车－地无线通信模式对比

4 应用前景

铁路电务设备维护和上线作业卡控系统为工程运用提供了一套可行的技术方案。保障了电务设备作业人身安全，减轻了管理人员和维护人员日常检修工作量，提升了设备管理效率和智能化水平。随着铁路高速建设，无线通信区间设备数量迅速增加，维护任务量逐年加大，列车运行速度提升带来安全压力与日俱增，电务安全形式逐年严峻，特别是人身安全已经成为全路电务工作的重中之重，如何切实规范电务作业标准，是未来电务管理重点课题，设备和人身安全必须将 “人防、物防、技防”统一结合起来。

［1］ 王彤．高速铁路防灾安全监控系统研究与开发［J］．中国铁路，2009，8．

［2］ 中华人民共和国铁道部．科技运〔2007〕116号．GSM－R数字移动通信应用技术条件 第一分册：调度通信系统（V3．0）［S］．2007．

［3］ 中国铁路总公司运输局．机车综合无线通信设备（CIR）操作指南 ．第二版［M］．北京：中国铁道出版社，2014：75．

［4］ 中国铁路总公司．TJ／DW 122B－2014．机车无线综合通信设备功能优化补充技术规范［S］．2014．