谷志茹 龍永紅 唐 軍

（1.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲 412007;2.中車株洲電力機(jī)車研究所，湖南株洲 412007）

由于貨運(yùn)專線緊張，貨運(yùn)壓力較大，所以發(fā)展重載鐵路運(yùn)輸是鐵路貨運(yùn)發(fā)展方向。重載鐵路運(yùn)輸需要解決的一個關(guān)鍵問題是重聯(lián)同步控制，包括重聯(lián)同步和重聯(lián)控制兩個方面。而重聯(lián)同步所使用的通信方式直接決定了同步控制系統(tǒng)的性能和成本。

1 現(xiàn)有列車重聯(lián)同步系統(tǒng)通信方式分析

目前國內(nèi)已有的重載機(jī)車線路如表1所示，大秦鐵路作為我國第一條雙線電氣化重載運(yùn)煤專線，全長653 km，貨遠(yuǎn)線路地形復(fù)雜多樣，對重聯(lián)同步控制系統(tǒng)的實(shí)施帶來很多困難。目前在沿線建GSM-R基站，并配合使用400 MHz無線電臺作為無線同步數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。朔黃重載鐵路全線長662 km，對機(jī)車的重聯(lián)、調(diào)度通信等使用比較新的LTE技術(shù)，并輔以無線電臺。瓦西鐵路是橫跨晉、豫、魯3省的出海煤運(yùn)通道，全長1 260 km，是世界上第一條按軸重30 t重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路。蒙西鐵路是“北煤南運(yùn)”新的國家戰(zhàn)略運(yùn)輸通道。

表1 中國主要重載鐵路運(yùn)輸情況一覽表Tab.1 Main heavy haul freight lines in China

基于上述分析，國內(nèi)重載貨運(yùn)列車已有的重聯(lián)同步控制系統(tǒng)，采用GSM-R或LTE的無線傳輸方式補(bǔ)充400 MHz無線電臺。400 MHz無線電臺建設(shè)年代久遠(yuǎn)，通信技術(shù)落后，帶寬低，可靠性差，存在干擾和衰落嚴(yán)重的問題，不適合對安全性要求較高的應(yīng)用場合。

GSM-R和LTE方式需建立地面基站和設(shè)計車載終端，對基礎(chǔ)設(shè)施的投入和維護(hù)成本較大，不利于在重載貨運(yùn)線路上大面積實(shí)施。而且GSM-R和LTE作為車-地通信方式，要實(shí)現(xiàn)編組車輛間的同步控制，存在如下問題：

1）僅解決了機(jī)車間同步問題，對中間編組車輛的制動、緩解同步有改善，但并未完全解決；

2）地面網(wǎng)絡(luò)的延時及通訊盲區(qū)對系統(tǒng)有影響；

3）無法感知中間車輛的運(yùn)行狀態(tài)；

4）GSM-R/LTE網(wǎng)絡(luò)及車載電臺等建設(shè)投資巨大，且目前頻率資源相當(dāng)緊張，只能用在運(yùn)輸專線，在既有線路實(shí)施該技術(shù)基本無可行性。

所以研究無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步控制系統(tǒng)，設(shè)計微功率車載無線通信網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)，集成Locotrol重聯(lián)同步控制模塊，實(shí)現(xiàn)無線重聯(lián)控制功能，具有實(shí)際應(yīng)用價值和理論研究意義。

2 無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步車載通信系統(tǒng)方案

無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步車載通信目的是選用微功率無線通信技術(shù)，設(shè)計車載無線傳感通信網(wǎng)絡(luò)，并集成Locotrol控制模塊，實(shí)現(xiàn)無線重聯(lián)控制系統(tǒng)；目標(biāo)是所設(shè)計系統(tǒng)在滿足可靠性和有效性的前提下，以最低成本和復(fù)雜度實(shí)施，在已有貨運(yùn)列車上實(shí)現(xiàn)即裝即用，在功能上實(shí)現(xiàn)機(jī)車間的重聯(lián)同步控制，和中間車輛的運(yùn)行狀態(tài)感知。

微功率無線重載重聯(lián)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由機(jī)車內(nèi)的重聯(lián)控制單元、車載通信單元（OCU）、車載中繼、無線網(wǎng)關(guān)和地面站（AN）5部分組成。主要形成如下兩個網(wǎng)絡(luò)。

圖1 微功率無線重載重聯(lián)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of micro-power multiple radio control system for heavy freight trains

1）車載無線局域網(wǎng)

機(jī)車內(nèi)的重聯(lián)控制單元（RCU）、車載OCU和車載中繼組成車載微功率無線局域網(wǎng)，用來傳輸控制系統(tǒng)的重聯(lián)同步控制信號，實(shí)現(xiàn)重聯(lián)同步功能。

具體過程是：控制單元的傳感器組檢測到主控機(jī)車運(yùn)行狀況改變時，控制單元按約定好的編碼規(guī)則對狀態(tài)進(jìn)行編碼，并把編碼好的狀態(tài)信息發(fā)送給OCU，OCU通過車載中繼網(wǎng)絡(luò)（也可不通過中繼網(wǎng)絡(luò)）將該數(shù)據(jù)包發(fā)送到從控機(jī)車的車載通信單元。從控機(jī)車RCU收到從控機(jī)車OCU發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，生成控制指令，這些控制指令指揮從控機(jī)車與主控機(jī)車同步完成相同的操作，同時車輛的OCU單元采集車輛傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)，并送給主控機(jī)車。主控機(jī)車收到從控機(jī)車操作完成返回的數(shù)據(jù)和中間車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)后，重聯(lián)同步的一次操作完成。

2）車-地廣域網(wǎng)

機(jī)車車載OCU、中間編組車輛車載OCU、車載中繼、無線網(wǎng)關(guān)通過公網(wǎng)連接地面站，形成廣域網(wǎng)。

具體過程是：主控機(jī)車車載OCU通過裝在機(jī)車和中間編組車輛上的傳感器模塊和微功率車載通信單元，實(shí)時采集車輛的速度，車鉤縱向受力等狀態(tài)信息，通過車載無線網(wǎng)絡(luò)傳給主控機(jī)車本地監(jiān)控服務(wù)器，并通過車載中繼和網(wǎng)關(guān)單元接入公網(wǎng)，到達(dá)AN端，從而實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)端狀態(tài)感知和狀態(tài)監(jiān)測與告警功能。

目前無線通信技術(shù)主要有LoRa、Zigbee、RFID、BlueTooth、Wi-Fi、Wi-Max、GSM/CDMA2000,這些通信持術(shù)按特性可以分為3類：

GSM、WiMax、CDMA等：需要建立基站，傳輸距離達(dá)到10 km，頻率達(dá)到2.4 GHz,電池使用時間是幾小時，適用于寬帶移動通信等。

Wi-Fi為代表，通信距離只有100 m，頻率達(dá)到2.4 GHz，電池可使用幾小時，主要解決方向是寬帶的最后節(jié)點(diǎn)接入，需要公網(wǎng)支持。

Zigbee，Bluetooth等，通信距離只有50 m左右，頻率是2.4 G/868M/915 MHz，電池使用時間可達(dá)幾年，主要用于低速短距離的通信場合。

LoRa, 通信距離達(dá)到1～15 km，工作頻率是137～1 050 MHz，電池使用時間可達(dá)幾年，具有超低功耗。

由以上的無線通信技術(shù)，可得到通信距離與數(shù)據(jù)傳輸速率是相關(guān)聯(lián)的結(jié)論，要達(dá)到相對遠(yuǎn)的通信距離，數(shù)據(jù)傳輸速率也會越高，相應(yīng)的功率消耗就越大。但是 LoRa例外，由于采用了先進(jìn)的線性擴(kuò)頻技術(shù)及超低靈敏度接收技術(shù)，其通訊距離遠(yuǎn)，功耗低。LoRa 非常適合于需要一定規(guī)模的組網(wǎng)、對低功耗和遠(yuǎn)距離有強(qiáng)烈的要求、高安全性、可靠性的應(yīng)用領(lǐng)域，所以本項目擬選用LoRa無線通信技術(shù)，建立重載貨運(yùn)列車的微功率無線通信網(wǎng)絡(luò)，級聯(lián)控制模塊，實(shí)現(xiàn)重聯(lián)控制系統(tǒng)。

3 無線智能網(wǎng)列車重聯(lián)同步車載通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

與semtech等芯片方案提供商和時代電氣等國內(nèi)機(jī)車控制部件供應(yīng)商充分合作，集成LoRa通信技術(shù)及Locotrol分布式動力控制系統(tǒng)，應(yīng)用在貨運(yùn)列車重聯(lián)中，完成機(jī)車無線重聯(lián)控制功能。

微功率無線重聯(lián)控制系統(tǒng)在機(jī)車和編組車輛上的基本構(gòu)成如圖2所示。通過控制接口Jc和數(shù)據(jù)接口Jd將制動控制單元與車載通信單元相連。Jc的作用一方面將制動控制單元的注冊、注銷等控制命令發(fā)送至車載通信單元；另一方面將車載通信單元的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等信息返回制動控制單元。Jd的作用將控制單元的數(shù)據(jù)幀傳送給OCU，隨后車載通信單元透明轉(zhuǎn)發(fā)Jd接口的數(shù)據(jù)幀。

圖2 微功率無線重聯(lián)控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Composition of micro-power multiple radio control system

微功率無線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下內(nèi)容。

1）數(shù)據(jù)廣播與多播

要實(shí)現(xiàn)主控機(jī)車與從控機(jī)車的重聯(lián)同步控制功能，需要數(shù)據(jù)廣播和多播的業(yè)務(wù)支持。LoRa網(wǎng)絡(luò)可提供點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)，并可通過地面LoRa網(wǎng)關(guān)接入地面指揮調(diào)度系統(tǒng)（如果有需求），實(shí)現(xiàn)了基于分組交換業(yè)務(wù)的點(diǎn)對多點(diǎn)數(shù)據(jù)會議功能。

2） 主控機(jī)車通信單元的數(shù)據(jù)采集功能

主控機(jī)車通信單元同時采集機(jī)車和車輛狀態(tài)信息，其主要功能有：完成主控機(jī)車及車輛間的通信；采集從控機(jī)車和車輛的狀態(tài)信息，同時并轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)車管理維護(hù)單元。

3）可靠性措施

貨運(yùn)線線路多位于山脈或峽谷，地形復(fù)雜且多樣，對重聯(lián)制動系統(tǒng)的同步可靠性提出了嚴(yán)格要求。例如兩個長大下坡區(qū)段，組合列車需要進(jìn)行循環(huán)制動。目前的可靠性措施是：車載通信單元和車載中繼均采用熱備機(jī)制，當(dāng)診斷出任何故障時，要求系統(tǒng)迅速自動切換到備用單元進(jìn)行工作。這種方法增加了系統(tǒng)冗余和成本，并不能根本解決問題。

4）實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測與告警

在主控機(jī)車上設(shè)置故障診斷管理單元，實(shí)現(xiàn)對全線車載通信單元在線和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時監(jiān)測，對車輛的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)診斷，當(dāng)發(fā)生異常情況時進(jìn)行告警。

4 小結(jié)

結(jié)合列車重聯(lián)技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展情況，通過將微功率無線傳輸LoRa應(yīng)用于貨運(yùn)列車，形成具有重聯(lián)同步功能的車載局域網(wǎng)和具有狀態(tài)監(jiān)測和告警功能的車-地廣域網(wǎng)；結(jié)合重載鐵路的設(shè)備配置和運(yùn)行情況，通過合理的工程化實(shí)施安排，可以在不影響既有線路運(yùn)輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有貨運(yùn)列車的提質(zhì)改造。