張世紅 高春雷 何國(guó)華 周佳亮 徐濟(jì)松

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

0 引言

根據(jù)國(guó)家鐵路局發(fā)布的《2020 年鐵道統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中指出，截至2020 年12 月底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.63 萬(wàn)公里，其中高鐵3.8 萬(wàn)公里，穩(wěn)居世界第一。目前，我國(guó)250km/h 及以下時(shí)速主要使用有砟軌道結(jié)構(gòu)，具有鋪設(shè)簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、易于維修等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)有砟鐵路線路的養(yǎng)護(hù)維修，主要通過(guò)大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，有效減輕了傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)工作的負(fù)擔(dān)，基本能滿足日常的線路維護(hù)需求，使軌道線路滿足線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和線路維修規(guī)則的要求，保障線路的運(yùn)營(yíng)安全。

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸規(guī)模的提高、列車運(yùn)行速度的提高、運(yùn)營(yíng)密度的增大，使得線路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)量不斷增加， 而允許的養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)時(shí)間卻越來(lái)越緊湊。因此，一方面，需要投入更多數(shù)量的大型養(yǎng)路機(jī)械按時(shí)完成規(guī)定的作業(yè)量；另一方面，對(duì)大機(jī)作業(yè)效率和可靠性的要求越來(lái)越高。 隨著大型養(yǎng)路機(jī)械的大規(guī)模使用，作業(yè)區(qū)間范圍不斷擴(kuò)大，鐵路工務(wù)段對(duì)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的監(jiān)控管理的難度日益增大，尤其是在高原、山區(qū)、戈壁灘等人煙稀少的地區(qū)，很難通過(guò)2G/3G/4G 等基于地面基站的公共網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)，大型養(yǎng)路機(jī)械各系統(tǒng)時(shí)間不一致和定位精度不高也影響著行車組織、系統(tǒng)安全和故障等數(shù)據(jù)的分析。 2020 年6 月23 日北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已正式完成全球組網(wǎng)，并提供定位、授時(shí)及短報(bào)文通信等基礎(chǔ)服務(wù)。 研究北斗衛(wèi)星定位、授時(shí)和短報(bào)文通信技術(shù)應(yīng)用于鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械，對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，輔助大型養(yǎng)路機(jī)械精細(xì)化、智能化管理具有十分重要的意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

總體技術(shù)設(shè)計(jì)方案主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分，如圖1 所示。 感知層主要包括數(shù)據(jù)感知傳感器、位置定位設(shè)備、MCU 單元、北斗發(fā)送模塊、公網(wǎng)發(fā)送模塊等； 網(wǎng)絡(luò)層主要是指北斗RDSS 短報(bào)文通信網(wǎng)絡(luò)和4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)； 應(yīng)用層主要是指大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 感知層—時(shí)空信息采集

2.1.1 時(shí)空信息分析

目前廣泛使用的大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備類別主要包括清篩機(jī)、配砟整形車、搗固車、穩(wěn)定車、打磨車等設(shè)備，且每臺(tái)作業(yè)機(jī)械擁有唯一的設(shè)備編號(hào)。 為了提高線路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)效率，在天窗點(diǎn)作業(yè)期間，多種類型大機(jī)械設(shè)備會(huì)同時(shí)在鐵路線路開(kāi)展施工作業(yè)，對(duì)于管理部門而言，需要?jiǎng)討B(tài)掌握大機(jī)作業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)量、作業(yè)位置、作業(yè)正常/故障狀態(tài)、核心零部件運(yùn)行參數(shù)等重要設(shè)備信息。

以QS-650 全斷面道砟清篩機(jī)為例， 目前全路共有120 多臺(tái)，已經(jīng)成為道砟清篩主力機(jī)型。 工作原理是通過(guò)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、全液壓傳動(dòng)的方式，利用挖掘鏈的扒齒切割道床上的道砟，并進(jìn)行道砟振動(dòng)篩分。 為了對(duì)清篩機(jī)的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行分析， 依據(jù)GB 25330—2019《道砟清篩機(jī)》國(guó)標(biāo)要求，選擇其關(guān)鍵零部件性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 具體監(jiān)測(cè)參數(shù)如表1 所示。

表1 QS-650 全斷面道砟清篩機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)

2.1.2 時(shí)空信息采集

BDS 具有兩種工作模式，衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（Radio Navigation Satellite System，RNSS）模式雖只能進(jìn)行定位，但可實(shí)現(xiàn)每秒定位，衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)（Radio Determination Satellite Service，RDSS） 模式可同時(shí)進(jìn)行定位和雙向短報(bào)文通信，詳見(jiàn)圖2。

圖2 時(shí)空信息采集方案

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS），是一種以陀螺儀和加速度計(jì)為敏感設(shè)備求解導(dǎo)航參數(shù)的系統(tǒng)，解算得到運(yùn)載體的位置、速度等信息，優(yōu)點(diǎn)是不依賴外部信息，不向外界傳遞信息，工作時(shí)不會(huì)被信號(hào)或無(wú)線電干擾，短時(shí)間內(nèi)精度較高，解算時(shí)間快，缺點(diǎn)是誤差隨時(shí)間而累積。

組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)是將不同系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以最優(yōu)的濾波算法進(jìn)行有機(jī)融合，衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度可以彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航誤差迅速發(fā)散的問(wèn)題，慣性導(dǎo)航的自主性也可以填補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航易受干擾、穩(wěn)定性差等的不足。 尤其在衛(wèi)星信號(hào)被遮擋導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法定位的情況下，如隧道、峽谷等特殊區(qū)域，慣性導(dǎo)航能夠繼續(xù)輸出定位結(jié)果，直至信號(hào)恢復(fù)。 在無(wú)法接收衛(wèi)星信號(hào)和低信噪比等環(huán)境下，組合導(dǎo)航可以提供比單獨(dú)任何一種系統(tǒng)更精確的導(dǎo)航結(jié)果， 再融合數(shù)據(jù)差分技術(shù)，獲得更高精度的定位。

2.2 感知層—時(shí)空信息處理

運(yùn)用嵌入式技術(shù)和現(xiàn)代濾波技術(shù)，對(duì)時(shí)空信息進(jìn)行采集和處理， 因北斗短報(bào)文通訊傳輸頻率為1 次/min，單次只能傳輸78 個(gè)字節(jié)， 因此為了傳輸所有采集時(shí)空信息，需采用分包處理。根據(jù)谷軍霞進(jìn)行的北斗短報(bào)文丟包試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)分包數(shù)量為2 個(gè)時(shí)，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸成功率為88.8%，且分包數(shù)量越多，傳輸成功率越低。 為了提高數(shù)據(jù)傳輸成功率，減少分包數(shù)量，采用數(shù)據(jù)壓縮的方法。 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的原理本質(zhì)上是利用數(shù)據(jù)的冗余性。將數(shù)據(jù)的冗余壓縮到最小的同時(shí)，盡可能地減少數(shù)據(jù)的失真程度，從而達(dá)到節(jié)約存儲(chǔ)空間、提高傳輸效率的目的。 按照壓縮后的數(shù)據(jù)是否存在信息損失， 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)是否存在信息損失， 分為有損壓縮和無(wú)損壓縮兩種。

大型養(yǎng)路機(jī)械時(shí)空信息包含時(shí)間特性， 屬于工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)的范疇， 需要結(jié)合自身數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇壓縮算法。 目前常用無(wú)損壓縮算法分為基于統(tǒng)計(jì)的壓縮算法（Huffman 編碼、動(dòng)態(tài)哈夫曼編碼）和基于字典的壓縮算法（LZ77 算法、LZ78 算法、LZSS 算法、LZW 算法）。

2.2.1 Bool 類型狀態(tài)量無(wú)損壓縮

Bool 類型狀態(tài)量的無(wú)損壓縮是通過(guò)將多個(gè)狀態(tài)量移位到一個(gè)字節(jié)中，可以達(dá)到1:8 的高壓縮比。 如圖3 所示。

圖3 Bool 類型狀態(tài)量無(wú)損壓縮過(guò)程

2.2.2 Int 類型數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮

Int 類型數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮過(guò)程如圖4 所示。

圖4 Int 類型數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮過(guò)程

無(wú)損壓縮和解壓縮過(guò)程互逆，實(shí)現(xiàn)Bool 類型狀態(tài)量數(shù)據(jù)和Int 類型數(shù)據(jù)的無(wú)損傳輸，傳輸數(shù)據(jù)不失真。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層—數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

采用北斗RDSS 短報(bào)文通信+4G 無(wú)線公網(wǎng)雙通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，RSDD 數(shù)傳終端內(nèi)部集成短報(bào)文通信模塊、4G 透?jìng)髂K和BDS/GPS 雙模定位模塊。 在4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱時(shí)，可以通過(guò)短報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案

北斗RDSS 短報(bào)文通信中， 每個(gè)數(shù)傳終端中都內(nèi)置一張北斗通信卡，擁有唯一的ID 編號(hào)。 數(shù)傳終端性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 RDSS 數(shù)傳終端性能指標(biāo)

2.4 應(yīng)用層—作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

通過(guò)作業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)， 可以實(shí)時(shí)查看大機(jī)作業(yè)位置、核心零部件關(guān)鍵性能參數(shù)、作業(yè)計(jì)劃等重要數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于QS-650 全斷面道砟清篩機(jī)， 完成了對(duì)影響清篩效果的核心機(jī)構(gòu)零部件的性能分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)顯示等內(nèi)容的研究，利用北斗/GPS 雙模定位技術(shù)融合慣性導(dǎo)航技術(shù)，在數(shù)據(jù)差分模式下，實(shí)現(xiàn)大機(jī)作業(yè)位置的準(zhǔn)確定位。 采用北斗RDSS 短報(bào)文通信和4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)雙通道方式完成公網(wǎng)信號(hào)未覆蓋區(qū)域或信號(hào)較弱區(qū)域的大機(jī)作業(yè)定位和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸。 通過(guò)大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)數(shù)據(jù)管理中心平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，為將來(lái)進(jìn)一步運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G 等先進(jìn)技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能大機(jī)編組、車輛調(diào)度、防碰撞預(yù)警、故障處理、核心零部件壽命預(yù)測(cè)等提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)保障。