黃澤星 龔 雪

(中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430074)

1 概述

集裝箱軌道動(dòng)力平車是一種自帶動(dòng)力并運(yùn)行于鐵路軌道上，具有實(shí)時(shí)定位、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)連掛等功能的軌道平板車輛，車體可裝載兩個(gè)20 英尺集裝箱或一個(gè)40 英尺集裝箱。它是集合鐵路動(dòng)車、鐵路集裝箱平車車輛、自動(dòng)駕駛港口集卡車、港口集裝箱自動(dòng)運(yùn)輸車AGV 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新而產(chǎn)生的軌道運(yùn)輸工具。

集裝箱軌道動(dòng)力平車由車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、車體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力及牽引系統(tǒng)（簡稱動(dòng)力系統(tǒng)）、定位系統(tǒng)、裝載狀態(tài)檢測及箱號識別系統(tǒng)（簡稱裝載狀態(tài)檢測系統(tǒng)）、運(yùn)行模式控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和相關(guān)傳感器和電氣接口組成。它可以通過單車或組車的方式運(yùn)行，其通信不與鐵路既有通信網(wǎng)（包括有線通信、450 MHz 無線列車調(diào)度通信系統(tǒng)、GSM-R 無線通信系統(tǒng)、站場無線通信系統(tǒng)等）相連，自形成獨(dú)立的專用通信系統(tǒng)，主要以無線通信WLAN 或LTE 等方式存在。

2 集裝箱軌道動(dòng)力平車通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

集裝箱軌道動(dòng)力平車通信系統(tǒng)采用車-地通信、車-車通信和車載互聯(lián)網(wǎng)3 種通信技術(shù)組合方法，解決軌道動(dòng)力平車在不同工作狀態(tài)下對外的控制與狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸問題，采用車載內(nèi)部總線技術(shù)方法，解決軌道動(dòng)力平車車載控制系統(tǒng)內(nèi)部控制與狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)由自動(dòng)控制中心、中心-車無線通信系統(tǒng)、車-車無線通信系統(tǒng)、軌道動(dòng)力平車之間的車載互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和軌道動(dòng)力平車內(nèi)部的車載內(nèi)部總線系統(tǒng)組成。

1）自動(dòng)控制中心設(shè)置無線通信核心網(wǎng)設(shè)備，包括處理信令的服務(wù)器，處理數(shù)據(jù)的服務(wù)器、交換設(shè)備等，自動(dòng)控制中心發(fā)送工作指令、接受反饋報(bào)告；集裝箱軌道動(dòng)力平車每輛單車設(shè)置車載電臺，用于接收控制中心發(fā)出的指令并反饋狀態(tài)信息；站場及區(qū)間設(shè)置中繼設(shè)備，滿足全區(qū)間場強(qiáng)覆蓋的需要。

2）中心-車無線通信系統(tǒng)用于連通鐵路集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制中心與軌道動(dòng)力平車之間控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，采用成熟的通用移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)或鐵路專用移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)。

3）軌道動(dòng)力平車之間的車-車無線通信系統(tǒng)用于車-車重聯(lián)/解開過程中兩車之間近距離控制信息的交換，車-車無線通信系統(tǒng)采用小區(qū)域以及近場通信等成熟技術(shù)。

4）車載互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)有線互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用于軌道動(dòng)力平車重聯(lián)運(yùn)行模式或列車運(yùn)行模式時(shí)車與車之間的控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸；當(dāng)軌道動(dòng)力平車重聯(lián)或組成列車時(shí)，車載互聯(lián)網(wǎng)隨著電纜網(wǎng)絡(luò)線的自動(dòng)連接而自動(dòng)連通。車載互聯(lián)網(wǎng)也稱列車總線。

車載內(nèi)部總線用于連通車載控制系統(tǒng)與車載子系統(tǒng)之間的內(nèi)部通信總線，車載總線是連通動(dòng)力系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、裝載狀態(tài)檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的通信總線，傳輸車載控制系統(tǒng)控制信息和設(shè)備狀態(tài)的車載內(nèi)部總線。

3 集裝箱軌道動(dòng)力平車通信方法

3.1 車-地通信

車-地?zé)o線通信子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)中心-車無線通信，即自動(dòng)控制中心與軌道動(dòng)力平車之間的通信，傳輸信息包括語音、數(shù)據(jù)、視頻信息。為能夠高速、實(shí)時(shí)地傳送信息，可選用WLAN 或LTE（4G、5G）技術(shù)實(shí)現(xiàn)超大帶寬的無線通信。通信方式選用無線天線、漏纜方式，由于港灣站或港區(qū)多為開放型空間、電磁環(huán)境相對單一、純凈，無線天線安裝方便、可維護(hù)性高，可優(yōu)先考慮無線天線覆蓋方式，有遮擋或者信號傳播受限的區(qū)域采用天線加漏纜方式，解決弱場問題。

1）單車運(yùn)行模式下，每輛單車通過車載電臺與自動(dòng)控制中心獨(dú)立通信。

2）重聯(lián)運(yùn)行模式下，主控車和尾車通過車載電臺接受集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)指令，通過車載互聯(lián)網(wǎng)（列車總線）向從控車下達(dá)運(yùn)行控制指令；主控車、尾車在重聯(lián)期間不間斷向集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)報(bào)告執(zhí)行進(jìn)度和位置。從控車在重聯(lián)期間處于靜默狀態(tài)，接收集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)呼叫，應(yīng)答報(bào)告狀態(tài)和位置。

3）列車運(yùn)行模式下，牽引機(jī)車為主控車，主控車和尾車通過車載電臺接受集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)指令，通過車載互聯(lián)網(wǎng)（列車總線）向從控車下達(dá)運(yùn)行控制指令；主控車、尾車在列車運(yùn)行模式期間不間斷向集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)報(bào)告執(zhí)行進(jìn)度和位置。從控車在列車運(yùn)行模式期間處于靜默狀態(tài)，接收集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)呼叫，應(yīng)答報(bào)告狀態(tài)和位置。

3.2 車-車通信

車輛重聯(lián)/解開過程中車與車之間的通信尤為重要。在重聯(lián)或列車運(yùn)行模式下，參與通信的單車數(shù)量一般較多，多車之間有“多對多”、“一對一”兩種通信方式。

1）“多對多”通信：集裝箱軌道動(dòng)力平車主控車與線路上所有其他接收到重聯(lián)命令的運(yùn)行單車建立車-車通信。這種通信方式存在廣播風(fēng)暴問題嚴(yán)重，通信時(shí)延大等缺陷，不能滿足列控系統(tǒng)要求。

2）“一對一”通信：通過中心-車無線通信系統(tǒng)接收到重聯(lián)命令的單車與準(zhǔn)備連掛車（前車）建立車-車通信，這種通信方式能夠較好滿足現(xiàn)階段集裝箱軌道動(dòng)力平車車輛間通信需求。

上述前車判定過程為：單車根據(jù)集裝箱自動(dòng)化控制中心提供的連接指令（包括各待連接車輛的車號和通信地址等信息），并結(jié)合定位子系統(tǒng)給出的絕對位置，輪詢接收到連接指令的其余軌道動(dòng)力平車的位置和運(yùn)行方向，根據(jù)連接指令的其余軌道動(dòng)力平車的運(yùn)行方向和距離關(guān)系，判定唯一前車，通過前車的通信地址與其建立近場通信；或是直接與前方的鄰近車輛建立近場通信，獲得該鄰近車輛的車號，判斷連接指令中是否包含鄰近車輛的車號。若包含，則判定鄰近車輛為唯一前車；若不包含，則繼續(xù)運(yùn)行至該鄰近車輛的前方，繼續(xù)執(zhí)行直接與前方的鄰近車輛建立近場通信的步驟，直至判定出前車。

以三車通信（不包含主控車）為例，說明多車情況下車-車通信的建立流程，如圖1 所示。

圖1 三車通信示意圖Fig.1 Schematic diagram of three container rail powered flat cars communication

三輛軌道動(dòng)力平車分別為單車1、單車2 和單車3。三輛單車均收到集裝箱自動(dòng)化控制中心發(fā)送的連接指令，連接指令包括待連接車輛的車號和通信地址號。對于單車1 判定前車的過程為：確定運(yùn)行方向?yàn)橹本€方向，根據(jù)連接指令確定待連接車輛為單車2 和單車3，輪詢單車2 和單車3，獲得單車2 和單車3 的位置和運(yùn)行方向，根據(jù)自身定位子系統(tǒng)提供的自身位置，確定運(yùn)行方向前方最近車輛為單車2，則判定單車2 為前車；對于單車2，可以采用同樣的方法判定單車3 為唯一前車。在正確進(jìn)行前車判定后，單車1 通過單車2 的通信地址呼叫前車，單車2 若確認(rèn)待連接車輛（單車1）的通信地址包含于連接指令中，則無條件應(yīng)答，從而單車1與單車2 保持一對一通信，互相交換單車位置、速度等信息，使單車1 可以緩慢接近單車2，直至車輛連接。在車鉤連接成功后，雙方鎖閉自動(dòng)車鉤，連接動(dòng)力電源通道和車載互聯(lián)網(wǎng)通道，關(guān)閉近場通信和相對定位子系統(tǒng)，完成重聯(lián)。

重聯(lián)/列車狀態(tài)下，控制中心與主控車和尾車保持通信，其他車由于被判別為從控車，其車載通信系統(tǒng)聽從主控車列車總線的通信控制。從控車僅在控制中心呼叫時(shí)給予通信響應(yīng)，報(bào)告自身狀態(tài)和位置。

重聯(lián)車輛解開過程，如圖2 所示。具體為：軌道動(dòng)力平車接收到集裝箱自動(dòng)化控制中心發(fā)送的解開指令（包括車號和通信地址等信息）后，確定具有解開指令中車號且與該軌道動(dòng)力平車相連的軌道動(dòng)力平車為待解開車輛，通過車載互聯(lián)網(wǎng)通知待解開車輛打開與該軌道動(dòng)力平車連接的車鉤，從而使雙方車鉤斷開連接。在車鉤斷開連接后，兩車建立車-車無線通信，通過車-車無線通信判定兩車相對位置，直到雙方車載控制系統(tǒng)確認(rèn)重聯(lián)解開，雙方關(guān)閉車-車通信。雙方向控制中心報(bào)告重聯(lián)解開。

圖2 重聯(lián)車輛解開過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of unlocking process of reconnected container rail powered flat cars

3.3 車載互聯(lián)網(wǎng)通信

車載互聯(lián)網(wǎng)通信即為列車總線通信。集裝箱軌道動(dòng)力平車裝載動(dòng)力系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、裝載狀態(tài)檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等設(shè)備，存在著大量的設(shè)備控制信息，對信息傳輸?shù)陌踩约翱煽啃砸蠛芨摺Ｈ舨捎脗鹘y(tǒng)的布線方式，會(huì)使得系統(tǒng)十分復(fù)雜，而且可靠性降低，因此采用總線方式來進(jìn)行信號傳輸。

車載總線系統(tǒng)由列車總線網(wǎng)絡(luò)和車輛總線網(wǎng)絡(luò)2 個(gè)二級子網(wǎng)組成。車輛總線負(fù)責(zé)將車廂內(nèi)的各種設(shè)備連接起來，列車總線則將一列車的各個(gè)車輛連在一起。列車總線由于監(jiān)控對象多、通信量大，且單車需經(jīng)常重聯(lián)、解開，對網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、拓?fù)湫?、通信量有較高的要求，采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1)單車運(yùn)行模式下，車輛總線連接單車車廂的各子系統(tǒng)設(shè)備通信接口，解決單車內(nèi)部各種設(shè)備之間的通信，滿足車輛及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信的需求。車輛總線由每輛單車內(nèi)固定安裝的電纜及通信節(jié)點(diǎn)互聯(lián)而成，每輛車設(shè)有一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，重聯(lián)或組成列車時(shí)，車輛總線通過通信節(jié)點(diǎn)與列車總線交換信息，如圖3 所示。

圖3 車輛總線實(shí)現(xiàn)方式Fig.3 Implementation of vehicle bus

2）重聯(lián)或組成列車時(shí)，列車總線連接不同單車的通信節(jié)點(diǎn)，使整列集裝箱軌道動(dòng)力平車組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即車載互聯(lián)網(wǎng)（以太網(wǎng)）。具體實(shí)現(xiàn)方式為主控車與從控車根據(jù)集裝箱自動(dòng)化控制中心指令進(jìn)行重聯(lián)，重聯(lián)成功，車體系統(tǒng)鎖閉自動(dòng)車鉤，不同單車的列車總線通過預(yù)留接口連接成為一個(gè)整體。車載互聯(lián)網(wǎng)用于傳輸車與車之間的控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖4 所示。

重聯(lián)或組成列車時(shí)，車組在一次運(yùn)行中有且只有一個(gè)控制列車總線工作的主控制節(jié)點(diǎn)，位于主控車，車輛總線用以連接列車總線通信節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)所在車內(nèi)的各種設(shè)備。集裝箱軌道動(dòng)力平車的車載設(shè)備接收通信節(jié)點(diǎn)命令，將各種信息按一定的格式送往通信節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)則將各設(shè)備送來的信息重新編排，按照主控制節(jié)點(diǎn)的命令，按順序發(fā)往主控制節(jié)點(diǎn)。通信節(jié)點(diǎn)的功能類似于網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛總線與列車總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換。通過通信節(jié)點(diǎn)，總線才能實(shí)現(xiàn)正常工作，完成對整組車的控制、檢測和診斷等信息傳輸。

4 技術(shù)效果

本系統(tǒng)采用中心-車無線通信、車-車無線通信、車載互聯(lián)網(wǎng)（列車總線）和車輛總線組合的通信方式，滿足軌道動(dòng)力平車在不同狀態(tài)下的通信需求。

1）軌道動(dòng)力平車與集裝箱自動(dòng)化控制中心之間采用無線通信。

2）軌道動(dòng)力平車后車未與前車連接，軌道動(dòng)力平車與前車之間采用近場通信。

3）各軌道動(dòng)力平車已連接，軌道動(dòng)力平車之間采用以太網(wǎng)通信。

5 結(jié)束語

不同設(shè)備之間以及不同運(yùn)行狀態(tài)下的軌道動(dòng)力平車之間均采用不同的通信方式，解決在不同作業(yè)方式下的通信可靠性和防干擾措施，提高了系統(tǒng)的可用性。根據(jù)集裝箱自動(dòng)化控制中心下發(fā)的工作指令，在需要進(jìn)行車鉤連接/斷開時(shí)打開近場通信，避免車鉤錯(cuò)誤連接和錯(cuò)誤解開，也避免各軌道動(dòng)力平車之間通信的相互干擾，提高通信的可靠性。

圖4 列車總線實(shí)現(xiàn)方式Fig.4 Implementation of train bus