列车网络控制系统（精选11篇）
列车网络控制系统 第1篇
对于硬线逻辑控制, 由于其简单清晰, 所以对于其控制逻辑、故障状态、异常处理等都可以较简易的完成, 可以将试验进行彻底, 使系统达到足够的安全性、可靠性, 但是对于网络系统, 由于其技术复杂, 试验验证牵扯到软件、硬件及各种接口, 所以试验验证也极其复杂, 必须有相应的技术手段进行验证, 以保证网络装车运用的安全可靠。
为此, 南车青岛四方机车车辆股份有限公司专门建立了网络试验台, 经过两年的应用验证, 有效的解决了列车网络的地面试验问题, 提高了试验效率, 提高了系统的安全性、可靠性。
一、系统组成及原理
系统硬件由5个试验台位以及电源柜、智能负载柜、示波记录仪等组成, 每个台位包含仿真计算机、开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出、高速脉冲输入、高速脉冲输出、以及MVB、CAN、RS48520m A电流环、Lon Works、WTB等通信接口。
系统原理图如图1所示。
二、系统功能
系统对可以完成整列车网络系统的功能、性能试验, 并对各子系统接口进行测试, 具体实现如下5部分功能。
1. 列车及子系统仿真模拟功能
由仿真计算机对列车以及所有与网络相连接的子系统、设备进行仿真, 建立仿真模型, 模拟出列车以及各子系统、设备的运行、故障状态, 需要仿真出的信号包括开关量、模拟量、通信等;通过试验台硬件接口将仿真出的信号真正输入到被试网络, 并通过硬件接口实际接收网络输出的指令, 并相应的做出反映, 从而验证列车网络是否按照实际控制要求进行了动作。
在进行正确工况模拟之外, 尤其是可以进行故障工况、异常工况的模拟, 这对于列车网络控制系统的故障导向安全设计有着极其重要的意义, 在实际的调试中, 由于种种条件限制, 有些工况或故障状态很难甚至不可能进行试验, 故障导向安全措施也无法验证, 但是进行模拟试验可以有效的解决此问题, 提高列车网络控制系统的可靠性、安全性。
2. 实现列车网络各硬件检测
可以对网络硬件开关量的输入输出、模拟量的输入输出、PWM信号、频率信号等进行检测, 检测检验各种输入、输出的输入范围, 误差和负载能力等。
3. 网络、通信接口的测试
可以对常见通信接口、协议等进行一致性测试、检验。对网络构建, 故障节进退网机制、数据传输实时性、延迟、误码率、系统压力、系统资源、性能、响应时间、并发处理等等进行测试、评估。
4. 网络传输数据的在线侦听、分析
通过实验台的物理接口及仿真功能, 可以有效的对未知通信协议进行侦听, 模拟各种工况, 分析通信协议。
5. 与其他实验台的联调联试
根据其他实验台 (如制动试验台) 的需求, 模拟仿真各种工况、指令, 实现对其他试验台的控制以及响应, 便于其他试验台进行有效的试验。
三、结语
网络试验台建立以来, 成功进行了几种类型的网络、通信接口、控制器的试验、仿真、检验, 有效的检测了各种接口的性能指标, 对各种通信接口的一致性进行了评估, 并且通过试验台的全面试验, 有效的提高了列车网络控制逻辑的探索, 辅助设计、校验了多种故障导向安全机制, 并且有效的降低了列车网络地面试验的全面性, 降低了上车现场调试的难度及工作量, 提高了设计效率, 调试效率。
但是在试验中也发现, 仿真模型建立的真实程度、测试例程等对试验的结果及效率影响较大, 仿真模型的建立需要大量实际运行数据的积累、提炼才能完善, 有很大的改善的空间。
参考文献
[1]威廉·戈布尔.控制系统的安全评估与可靠性[M].中国电力出版社, 2008.
[2]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1995.
铁路列车运行控制系统 第2篇
列车运行控制系统(简称列控)是铁路运输极重要的环节。随着对铁路运输要求的提高,如何改进列车控制系统,实现列车安全、快速、高效的运行是目前的主要问题。随着计算机技术、通信技术、微电子技术和控制技术的飞速发展使得无线通信传递车地大容量信息成为可能。
传统的列车运行控制系统是利用地面发送设备向运行中的列车传送各种信息，使司机了解地面线路状态并控制列车速度的设备，用以保证行车安全，同时也能适度提高行车效率。它是一种功能单
一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术。它包括机车信号、自动停车装置以及列车速度监督和控制等。依据不同的要求安装不同的设备。机车信号和自动停车装置都可单独使用，也可以同时安装。
新一代铁路信号设备是由列车调度控制系统及列车运行控制系统两大部分组成的。从技术发展的趋势看是向着数字化、网络化、自动化与智能化的方向发展。它是列车运营的大脑神经系统，直接关系保证着行车安全、提高运输效率、节省能源、改善员工劳动条件。发展中的列控系统将成为一个集列车运行控制、行车调度指挥、信息管理和设备监测为一体的综合业务管理的自动化系统。列车运行控制系统的内容是随着技术发展而提高的，从初级阶段的机车信号与自动停车装置，发展到列车速度监督系统与列车自动操纵系统。
随着列车速度的不断提高,随着计算机、通信和控制的等前沿科学技术发展，为通信信号一体化提供了理论和技术基础。尤其，其所依托的新技术，如网络技术与通信技术的技术标准与国外是一致的，可属于技术上借鉴。近年来,欧洲铁路公司在欧盟委员会和国际铁路联盟的推动下,为信号系统的互联和兼容问题制定了相关的技术标准,其中包括欧洲列车运行控制系统———ETCS标准。在世界各国经验的基础上，从2002年开始，结合我国国情、路情，已制定了统一的中国列车运行控制系统为ChineseTrainControlSystem的缩写——CTCS（暂行）技术标准。随后，还做了相关技术标准的修订工作,2007年颁布了《客运专线CTCS—2级列控系统配置及运用技术原则(暂行)》文件,明确规定了CTCS—2级列控系统运用技术原则,对CTCS—3级列控系统提出了技术要求。
CTCS列控系统是为了保证列车安全运行,并以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。CTCS系统包括地面设备和车载设备,根据系统配置按功能划分为以下5级: 1.CTCS—0级为既有线的现状,由通用机车信号和运行监控记录装置构成。2.CTCS—1级由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成,面向160km/h以下的区段,在既有设备基础上强化改造,达到机车信号主体化要求,增加点式设备,实现列车运行安全监控功能。
3.CTCS—2级是基于轨道传输信息的列车运行控制系统,CTCS—2级面向提速干线和高速新线,采用车—地一体化计,CTCS—2级适用于各种限速区段,地面可不设通过信号机,机车乘务员凭车载信号行车。
4.CTCS—3级是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统;CTCS—3级面向提速干线、高速新线或特殊线路,基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞,CTCS—3级适用于各种限速区段,地面可不设通过信号机,机车乘务员凭车载信号行车。
5.CTCS—4级是基于无线传输信息的列车运行控制系统,CTCS—4级面向高速新线或特殊线路,基于无线通信传输平台,可实现虚拟闭塞或移动闭塞,CTCS—4级由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查,CTCS—4级地面不设通过信号机,机车乘务员凭车载信号行车。我国新建200km/h～250km/h客运专线采用CTCS—2级列控系统, 300km/h～350km/h客运专线的列控系统采用CTCS—3级功能,兼容CTCS—2级功能。
客运专线的CTCS—3列控系统包含了CTCS—2列控系统的全部设备,并在CTCS—2的基础上增加了铁路专用全球移动通信系统(GSM—R)系统设备。
新型列车控制系统的核心是通信技术的应用，铁路通信是专门的通信系统，历史上是有线通信，后来是有线和无线结合，现在是先进的无线通信是GSM-R。
GSM-R是一种根据目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信网络系统。所以，GSM-R网络本身不是孤立存在的，是跟铁路的各应用系统衔接在一起的，是跟信号系统、列车控制系统衔接在一起的。GSM-R网络在应用过程当中，本身是一个载体，相当于一条为车提供行驶通道的公路。
GSM-R通信系统包括：交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成。从集群通信的角度来看，GSM-R是一种数字式的集群系统，能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。GSM-R能满足列车运行速度为0-500km／小时的无线通信要求，安全性好。GSM-R可作为信号及列控系统的良好传输平台，正在试验中的ETCS欧洲列车控制系统(也称FZB)和另一种用于160公里以下的低成本的列车控制系统(FFB)，都是将GSM-R作为传输平台。
以青藏铁路为例：青藏铁路是世界上海拔最高的铁路线，青藏线北起青海省格尔木市，途经纳赤台、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山进入西藏自治区境内后，经安多、那曲、当雄至西藏自治区首府拉萨市，全长约1142km。绝大部分线路在高原缺氧的无人区。为了满足铁路运输通信、信号及调度指挥的需要，采用了GSM-R移动通信系统。青藏线GSM-R通信系统实现了如下功能：
1、调度通信功能。调度通信系统业务包括列车调度通信、货运调度通信、牵引变电调度通信、其他调度及专用通信、站场通信、应急通信、施工养护通信和道口通信等。
2、车次号传输与列车停稳信息的传送功能。车次号传输与列车停稳信息对铁路运输管理和行车安全具有重要的意义，它可通过基于GSM-R电路交换技术的数据采集传输应用系统来实现数据传输，也可以采用GPRS方式来实现。
3、调度命令传送功能。铁路调度命令是调度所里的调度员向司机下达的书面命令，它是列车行车安全的重要保障。采用GSM-R系统传输通道传输调度命令无疑将加速调度命令的传递过程，提高工作效率。
4、列车尾部装置信息传送功能。将尾部风压数据反馈传输通道纳入GSM-R通信系统，可以方便地解决尾部风压数据传输问题。
5、调车机车信号和监控信息系统传输功能。提供调车机车信号和监控信息传输通道，实现地面设备和多台车载设备间的数据传输，并能够存储进入和退出调车模式的有关信息。
6、列车控制数据传输功能。采用GSM-R通信系统实现车地间双向无线数据传输，提供车地之间双向安全数据传输通道。
7、区间移动公务通信。在区间作业的水电、工务、信号、通信、供电、桥梁守护等部门内部的通信，均可以使用GSM-R作业手持台，作业人员在需要时可与车站值班员、各部门调度员或自动电话用户联系。紧急情况下，作业人员还可以呼叫司机，与司机建立通话联络。
8、应急指挥通信话音和数据业务。应急通信系统是当发生自然灾害或突发事件等影响铁路运输的紧急情况时，在突发事件现场与救援中心之间，以及现场内部采用GSM-R通信系统，建立语音、图像、数据通信系统。
再以高速铁路为例：2008年在世界高速铁路大会上，与会代表就高速铁路定义进行讨论以后，最后，达成三点新的共识：一是新建的专用铁路。强调是新建的专用铁路，既有的铁路线不能算；另一层，“专用”含义是单指客运，没必要搞一个超高速度的货运列车。二是，在新建的专用铁路线上，开行达到运营时速250公里以上的动车组列车。三是采用了开行高速铁路列车的运行控制系统，这种运行控制系统和普速的铁路是完全不同的，它是一个电脑化的控制系统，这是高速铁路最核心技术。我们知道列车运行控制系统都是机器控制和人控制相结合的。传统普速铁路是以人控为主，机器做辅助的；而高速铁路是反过来，机器控制优先为主，人是辅助的。高速铁路必须要用这样一个先进的高铁的运营控制系统，我们才能认定说这条线路是高速铁路。特别时速300公里以上的高速铁路，一些线路要采用CTCS3级列控技术，这就要利用GSM-R铁路移动通信系统标准作为信息传输的一种手段。CTCS3还要求有一个无线闭塞中心，这个闭塞中心要采集一些信息，以无线GSM-R网络向车载系统来提供信息。因为GSM-R是无线通信，无线信道是变参信道，从信道的角度讲它的传输环境是可变的。而且，GSM-R本身是一个复杂的系统，涉及的设备运用、网络管理因素很多，要想有效、可靠地传输这些信息，实际上对GSM-R网络质量，对系统运行维护的质量就提出了非常苛刻的要求。
从以二例充分说明，21世纪以来,随着全球铁路跨越式的发展,越来越多的新技术被应用到铁路——这个近代文明产物，使得铁路包含的高科技含量也越来越多。今天的铁路早已不是单纯的以列车和铁轨的合成工作所定义的概念。铁路的通信系统越来越重要，它也迎来了划时代的转变,铁路无线全球通信系统的GSM--R的建设和使用,表明成长中的我国铁路正在不断吸取国外铁路的先进经验和成果,努力提升自身的经济技术结构和规模水平,加快发展步伐,争取在较短时间内运输能力满足国民经济和社会发展需要,实现主要技术装备达到或接近国际先进水平。
总之，我国铁路列车运行控制系统经过几十年的发展，已经具备一定基础。但还不能满足我国铁路客运专线和城市轨道交通的发展需求，其列控系统基本还是靠引进。国外系统虽具有先进、相对成熟的特点，但造价高和运营维护成本高，技术受制于人。为此，我国应加快发展适合于我国国情的列控系统。在铁路交通方面，参照欧洲列控系统(ETCS)发展的中国列车运行控制系统(CTCS)，并采用专门为铁路划分频段的全球移动通信系统(GSM-R)欧洲标准作为发展我国铁路综合数字移动通信网络的技术标准，用以建设无线列调、无线通信业务和列车控制系统信息传输通道；在城市轨道交通领域参照相关国际标准，采用商用设备COTS技术发展列控系统。在消化吸收国外先进技术的同时，研究新一代基于移动通信的列控系统(CBTC)，来确保铁路、城市轨道交通列车运行安全和提高运输效率，迫切需要装备性能先进、安全可靠的列车运行控制系统。由于GSM-R的网络比较复杂，不是简单的设备连接，或者是简单的设备开通。它是一个大的系统，这个大的系统本身就有各个环节。而且网络本身就受到无线信号环境以及气候环境等诸多因素的影响。要注意ＧＳＭ－Ｒ的电磁环境，其干扰源主要一是系统内部干扰，主要是由频率规划和小区规划不当等自身原因造成的同频、邻频干扰等；二是外部干扰又分为来自中国移动ＧＳＭ网的干扰，ＣＤＭＡ基站下行链路对ＧＳＭ－Ｒ上行链路的干扰，全频段或部分频段人为故意大信号堵塞干扰等。如排除自身因素和人为因素，ＧＳＭ－Ｒ的干扰最可能来源于与其共享频率资源的中国移动ＧＳＭ－Ｒ网络。在如此复杂的电磁环境中，应对ＧＳＭ－Ｒ网络进行“无线空中管制”，为列车控制系统创造无“污染”的通信天空。采用何种方案来与中国移动等单位进行协调，从而保证ＧＳＭ－Ｒ正常的无线通信环境，将是铁路面临的一个紧迫而重要的问题。还有无线网络的覆盖情况会随着时间和地点的变化而变化。可能在我们开工的时候，网络质量没有问题，传控系统也没有问题。但是在设备的互相影响和无线信道变化的影响下，系统会发生一些变化。这就要求我们在运营维护的时候能够通过有效手段监测到干扰，并防止干扰。换句话说，高速铁路对整个GSM-R的无线系统和运行维护提出了很高的要求。从我国目前的GSM-R系统主要有三个设备供应商。我国的GSM-R网络系统在刚开始的时候是按某一单线来建的，以后会过渡到将各条线逐步连在一起作为一张网来管理。从专业的角度来说，GSM-R更多的应用需要有前期认证、网络系统建设以及应用和推广三个阶段。目前只是停留在系统建设期，基本上还没有开始成网络系统应用起来，还没有到成熟应用的阶段。从建设的角度来讲，GSM-R一定要形成标准化，否则不同的厂商提供的产品不同，如果我们没有一个公用的标准是连接不到一起去的。
城市轨道交通列车自动控制系统简介 第3篇
【关键词】城市轨道交通;列车控制系统;超速防系统;地铁
一、前言
随着城市现代化的发展，城市规模的不断扩大，城市轨道交通的发展已成为解决现代城市交通拥挤的有效手段，其最大特点是运营密度大、列车行车间隔时间短、安全正点。城市轨道交通列车自动控制系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运输效率的关键系统设备。
二、列车自动控制系统的组成
列车自动控制（ATC）系统由列车自动防护系统（ATP）、列车自动驾驶系统（ATO）和列车自动监控系统（ATS）三个子系统组成。
（一）列车自动防护（ATP-Automatic Train Protection）系统
列车自动控制系统中的ATP的子系统通过列车检测、列车间隔控制和联锁（联锁设备可以是独立的，有的生产厂商的系统也可以包含在ATP系统中）控制等实现对列车相撞、超速和其他危险行为的防护。
（二）列车自动驾驶系统（AT0–Automatic Train Operation）
列车自动驾驶子系统（ATO）与ATP系统相互配合，负责车站之间的列车自动运行和自动停车，实现列车的自动牵引、制动等功能。ATP轨旁设备负责列车间隔控制和报文生成;通过轨道电路或者无线通信向列车传输速度控制信息。ATP与ATO车载系统负责列车的安全运营、列车自动驾驶，且给信号系统和司机提供接口。
（三）自动监控（ATS-Automatic Train Super
-vision）系统
列车自动监控子系统负责监督列车、自动调整列车运行以保证时刻表的准确，提供调整服务的数据以尽可能减小列车未正点运行造成的不便。自动或由人工控制进路，进行行车调度指挥，并向行车调度员和外部系统提供信息。ATS功能主要由位于OCC（控制中心）内的设备实现。
三、列车自动控制系统原理
（一）列车自动防护（ATP）
ATP是整个ATC系统的基础。列车自动防护系统（ATP）亦称列车超速防护系统，其功能为列车超过规定的运行速度时即自动制动，当车载设备接收地面限速信息，经信息处理后与实际速度比较，当列车实际速度超过限速后，由制动装置控制列车制动系统制动。
ATP通过轨道电路或者无线GPS系统检测列车实际运行位置，自动确定列车最大安全运行速度，连续不间断地实行速度监督，实现超速防护，自动监测列车运行间隔，以保证实现规定地行车间隔。防止列车超速和越过禁止信号机等功能。
按工作原理不同，ATP子系统可分为“车上实时计算允许速度”及“地面集中计算后直接向列车传送速度信息”两大类。前者的工作原理是：通过车—地通信，不断将地面信息、线路参数信息、前方目标点的距离和允许速度信息等等传至车上，由车载计算机实时计算得出即时的运行速度，依此对列车速度实现速度监控。
在ATP基础上建立的ATC，其功能还包括对列车的起动、加速、惰行的监控。它是按规定程序结合有关地面信息来实施操作的，可以使列车经常处于最佳运行状态，避免了不必要的、过于剧烈的加速和减速，因此明显提高了旅客的舒适度，提高了列车的准点率，以及减少了轮轨磨耗。若与列车的再生制动配合，可以最大限度地节省电能。
ATP系统由地面ATP设备和车载ATP设备构成，地面设备主要包括轨道电路机构，联锁控制机柜，站联通信机柜，轨道电路，色灯信号机，道岔转辙机等设备组成。车载ATP设备主要由车载ATP CPU板，供电板，输入输入继电器板，列车状态采集电路板，司机状态显示单元，速度传感器等构成。
（二）列车自动驾驶（ATO）
列车自动驾驶系统的最基本功能包括：列车车站发车、列车区间运行、跳停、站内精确停车、列车自动折返、扣车等。
列车自动驾驶系统根据ATP系统提供的控制信息，如前方信号机状态，前方道岔状态，当前线路允许运行的最高速度等信息，实时计算列车达到目标速度值所需要的牵引力和制动力的大小，通过列车接口电路，完成对列车的加速与减速作业。
列车自动驾驶系统是闭环自动控制系统，即列车一方面检测本列车的实际行车速度，另一方面连续接收地面给予的最大允许车速，并依据其他与行车有关的因素如机车牵引特性、区间坡道、弯道等，求得最佳的行车速度，控制列车加速或减速，及紧急制动。
在列车自动驾驶系统中，司机起监督作用。ATO辅助ATP工作，ATP系统的完好是ATO工作的基础，ATO接受来自ATP的信息，其中有ATP速度指令、列车实际速度和列车走行距离。此外还从ATS子系统接受到列车运行等级等信息。根据以上信息，ATO通过牵引/制动线控制列车，使其维持在一个参考速度上运行;并在車站站台准确停车。
ATO系统由车载设备和车地通信系统构成，车载设备包括ATO CPU板，车地通信板，信息采集电路板，牵引/制动驱动板构成。车地通信系统包括轨旁车地通信换线，车地通信控制机柜等构成。其中车载ATO设备是列车驾驶系统中核心设备，它由硬件和软件两部分组成。
（三）列车自动监控系统（ATS）
列车自动监控系统主要是通过计算机来组织和控制行车的一套完整的行车指挥系统。ATS将现场的行车信息及时传输到行车指挥中心，中心将行车信息综合后，适时无误的向现场下达行车指令，以保证准确、快速、安全、可靠。
ATS在ATP和ATO系统的支持下，根据运行时刻表完成对全线列车的自动监控，可自动或由人工监督和控制正线（车辆段、停车场、试车线除外）列车进路，并向行车调度员和外部系统提供信息。ATS功能由位于控制中心内的设备实现。
ATS功能：自动进行列车运行图管理，及时调整运行计划，监控列车进路，自动显示列车运行和设备状态，完成电气集中联锁和自动闭塞的要求。
ATS系统不断地对计划时刻表与实际时刻表进行比较，通过调整停站时问自动调整列车按计划时刻表运行，在此基础上自动产生列车的出发时间。在装备有ATO的线路上能通过对列车运行等级的设置实现对列车运行的自动调整。调度员也可通过人工命令调整列车停站时间来调整列车运行。
ATS系统能及时记录被监测对象的状态，有预警、诊断和故障定位能力;监测列车是否处于ATP保护状态;监测信号设备和其他设备结合部的有关状态;具有在线监测与报警能力;监测过程应不影响被监测设备的正常工作。在相应工作站上，报告所有故障报警的状况并予以视觉提示，直到恢复正常状态为止。重要的故障以音响报警提示，直到确认报警状况为止。
四、结语
随着计算机技术、微电子技术的发展，是列车控制系统完成了一场革命，依赖列车控制系统的进步，地铁列车的最小行车间隔已经缩至100s以下。采用先进的列车控制系统，将大大提高行车的安全性，使得因人为的疏忽、设备的故障而产生的事故率降至最低。
参考文献
[1]吴汶麒.城市轨道交通信号与通信系统[M].中国铁道出版社，1998.
[2]毛俊杰.高速铁路列车速度自动控制系统[M].中国铁道出版社，1994.
基于网络技术列车黑匣子系统的研究 第4篇
1 列车运行数据无线局域网技术
无线局域网是列车运行数据无线传输跟踪查询系统通信基础, 基于网络技术的列车黑匣子主要利用的无线局域网是CAN网络, 是这六个传输媒体中性能较低的网络, 一个控制管理中心, 多个用户公用一个或多个信道, 这类系统覆盖范围小, 系统容量小, 可靠性很低, 而且实现数据兼容难度很大, 仅适用于构建小系统;集群通信网可以多个用户共用一组动态网络, 有效的提高了频率资源的利用率, 利用GPRS进行数据传输是无线传输方案中的最佳选择, 由于GPRS是建立在GSM基础上的2.5G的无线技术, 其应用的前景广阔, 是GSM平台的兼容, 为此对于GPRS模块, 可以使用VOICE CALL、DATA CALL、SMS及利用GPRS建立基丁IP和INTERNET的无线数据通信方法。同时GPRS可提供9.05一i71.2kbit/s的数据传输速率, 连接可靠, 延时相对较小, 在实时性的控制效果上也有了进步, 采用大数据中心模式, 系统容量大。能容纳更多的终端t牡点, 闭而降低系统运行维护难度, 降低运行成本。
2 黑匣子无线传输跟踪查询硬件系统研究
对运行列车监控装置记录无线传输跟踪查询硬件系统主要包括车载部分和地面部分。车载部分主要负责对运行列车全程监控信息的收集并通过网络传输发送到地面控制中心;地面部分负责对列车传输过来的信息接收, 并通过对信息情况的分析再分发到解决问题的其他部门, 车载系统和地面系统把运行列车和地面控制中心之间的无线通信连接起来, 很好的保障了列车运行中的无线实时信息的传输, 利用GSM/GPRS进行无线网络的传输信息, 提高了对列车监控的工作效率。地面部分和车载部分的无线通讯系统采用2.4-2.4835GHz频段, 通讯接口标准为IEEE802.11b, 采用直接序列扩频作为传输方式, 网络协议为TCP/IP, 无线传输速度最高位11Mbps, 当列车出现事故时, 可利用无线网络进行远程信息实时传输到地面控制中心, 地面控制中心对接受到的列车运行状况的实时信息加以分析, 再通过语音形式对列车司机加以更多的技术支持, 实现对机车的远程监控和检测设备记录信息的自动化传输, 提供列车安全系数。
3 列车运行数据无线传输跟踪查询软件系统
提高列车运行数据无线传输跟踪查询软件系统的设计性能, 让其系统更加完善, 对于软件开发工具选择、软件需求分析和功能要求、数据库架构和软件发布等也是系统软件应该考虑的问题。机车运行数据无线传输跟踪查询系统软件组成是:
(1) 包括列车运行监控记录装置软件, 在列车运行中, 对其全程的监控记录实时信息加以记录, 在设定好的时间内, 通过GPRS传输到地面控制中心;
(2) 机车运行数据无线传输跟踪查询系统地面软件系统, 该系统主要是由远程跟踪查询系统、出入库系统、电子地图系统、列车运行状态远程动态查询系统组成, 基于SQL Server2000开发, 能够独立完成GPRS的数据接收, 机车实时跟踪, 文件传输等功能;
(3) 机车运行数据无线传输跟踪查询车载软件, 该系统的无线网络主要是GSM/GPRS移动公网和Internet互联网, 主要工作是传输列车与地面间的数据, 系统的有线网络利用铁路计算机网络系统, 完成路局规范内的数据信息传递。
结语:列车黑匣子对远行列车的安全保障上有很大的重要意义, 它可以帮助分析失误原因, 还可以对事故列车做应急处理, 特别是本文主要设计的基于网络技术的列车黑匣子系统, 利用无线网络GPRS传输优势, 把地面控制中心与运行列车保持联系, 更能够能完整、准确地记录列车行驶状态下的有关情况, 能将列车行驶轨迹完整地记录下来, 并通过专用软件在微机上再现。从而进行列车运行数据无线传输跟踪查询的监控, 加强对列车安全系数的提高, 保障了旅客的人身安全, 对未来列车运输业的安全提供了更有利的保障。
参考文献
[1]杨世武.铁路信号电磁兼容技术[M].北京:中国铁道出版社, 2010.8.1.[1]杨世武.铁路信号电磁兼容技术[M].北京:中国铁道出版社, 2010.8.1.
[2]焦景忠, 王永光.信号微机监测系统功能发展趋势[J].铁路通信信号工程技术.2009, 12.[2]焦景忠, 王永光.信号微机监测系统功能发展趋势[J].铁路通信信号工程技术.2009, 12.
[3]孟庆新, 王霄.大型石油库雷电流采集系统设计[J].石油仪器.2009, 23 (5) .[3]孟庆新, 王霄.大型石油库雷电流采集系统设计[J].石油仪器.2009, 23 (5) .
铁路系统中接发列车安全事故防范 第5篇
关键词：接发列车；安全；影响因素；防范措施
接发列车的作业对于铁路系统而言十分重要，是铁路行车组织中起基础性作用的环节，同时也是影响列车安全行驶的关键因素。现阶段，铁路接发列车工作中存在着不少的弊端问题与疏漏不足，一度给铁路安全性能带来了极大的威胁，严重影响了接发列车的正常运行。因此探讨如何对接发列车的安全行驶进行防范、监控和研究有效的改善措施具有重要的现实意义。
1 影响接发列车安全行驶的因素
我国在进入改革开放的年代后，铁路事业蒸蒸日上，铁路基础建设普及全国各地，铁路现已成为我国最重要的交通运输工具之一，因而铁路安全问题也自然就成为铁路建设高速发展时代下人们最关心的话题。为了做好铁路接发列车的安全工作，铁路系统应全面进行技术革新，充分协调和联系各个部门，同时要做好技术人员的专业技能培训与教育，同时加大对基础设备和维修系统经费的投入，多角度、全方位的规避接发列车安全行驶的隐患要素，从根本上提高列车行驶的安全性。本文依据接发列车的安全问题分析主要的影响因素。
1.1 操作人员的因素 操作人员是接发列车安全问题防范的主要影响因素之一，究其原因无非有两方面内容：第一，现下的操作人员专业素质、专业技能水平较低，对接发列车的防范意识较为薄弱，许多工作行为完全不依照标准步骤规范开展，存在一定的随意性。与此同时，铁路部门的部分领导只是“走流程、走过场”，完全不重视操作人员安全意识的培训，也不重视安全措施的设置，忽视了建立规范的接发列车安全规章制度，导致接发列车系统存在问题，长此以往，减少铁路经济效益无疑是必然结果。第二，近年来自然灾害频发、天气状况恶劣，一度对接发列车的安全运行造成严重的威胁，然而一些工作人员却存有侥幸心理，没有及时维护和修整铁路列车老化设备，于是为铁路列车的安全运行埋下了隐患。
1.2 安全设备的因素 列车的安全防范关键的一点是需要有完整、先进和科学的设备支持，而这些设备的组成结构和环节较为复杂，每个环节出现问题都会对接发列车整个系统带来不良的影响，且涉及的范围也比较广泛，需要协调的方面较多，容易在任何一个环节出错。目前我国的铁路设备使用时间较长，缺乏定期维修，部分设备出现老化现象，受到严重的磨损。此外，在科技迅猛发展的时代下，科学技术更新速度飞快，但接发列车的安全设备却跟不上时代发展的步伐，更新的速度缓慢。还有一点，设备对操作人员的专业技能有较高的需求，如果操作人员自身的素质达不到要求，可能会在操作设备时出现错误，致使设备在一定程度上受到损耗。
1.3 周围环境的因素 接发列车是个庞大的系统，内外部环境都相互影响、相互制约。接发列车的内部环境包括领导、基层操作人员、各个管理和运行部门、接发列车的安全设备还有其他因素；外部环境包括经济、政治等。因此影响接发列车安全事故的内外部环境复杂、多样，尤其是内部环境，还细分到接发列车的作业环境与系统内部管理规章制度、人際关系等方面。除了内外部环境外，自然环境也是影响接发列车安全的一大因素，比如沙尘、雾霾、暴雨、雷电等都会造成安全事故的发生，并且影响范围较大、持续时间较长。
2 接发列车安全事故的防范措施
影响接发列车安全问题的因素相互影响，每个因素对接发列车的安全都造成较大威胁，甚至引起严重的事故。因此探讨接发列车安全事故的防范措施具有重要的现实意义。
2.1 提高操作人员安全意识和专业素质 操作人员是接发列车安全保障的主观因素，也是维护接发列车安全的主体，因此必须重视对操作人员安全意识和专业素质的培养，铁路系统各部门要充分认识到操作人员的重要性。首先，铁路系统要在招聘与选拔操作人员的环节做好把控，对重要岗位的招聘和选拔要全面、严格，如设置三轮面试，一轮是招聘人员对操作人员的基本素质、求职意向、性格特征等方面做基本判断；二轮是由用人部门进行二对一结构化面试，进一步考察操作人员对工作的熟悉度和对技能的掌握程度；最后一轮是有经理进行面试。通过三轮面试的操作人员与岗位的匹配度高、其技能和素质也是相对较强的，保障了接发列车的行车安全。其次对操作人员进行定期的绩效考核，充分了解操作人员近期的情况，包括心理情绪、生理变化、技能进步等。接着要对操作人员进行岗前和在岗培训，培养操作人员的安全防范意识，使操作人员了解正确、规范的操作流程，并让操作人员对机械设备的操作有一定的了解。除此之外，领导要经常与员工进行交流，尤其是维修一线的基层人员更需得到领导的关心和重视，才会有工作积极性。通过四方面的配合，能有效地提高操作人员的安全意识和专业素质，减少接发列车安全事故的发生。
2.2 做好接发列车行车事故预案工作 在正常行驶的情况下，接发列车的一切情况都在监控中，乘客和货物的安全得到最大的保护。但是许多事故的发生是在意想不到以外的，比如暴雨袭击、人为突发暴动等，对接发列车的安全行驶带来了严重的威胁。虽然相关铁路部门制定了一系列的防范措施和应急标准、操作规定等，比如《非正常作业标准》对操作人员的操作流程进行规范和指引，但面对事故的不确定性、风险性和突发性，接发列车的安全仍是铁路系统中最为薄弱的环节，容易出现《非正常作标准》所不能涉及的情况。因此，铁路部门应重视接发列车行车事故预案的制定和开展。首先，在接发列车行车前做好检查工作，对设备、场所进行检查，保证一切正常后才发车。接着对行车周边的环境、地质、地形和天气情况也要调查清楚，并制作详细的图册。并且还要拟定一系列的事故发生情况下接发列车安全行驶的章程和规定，让各部门在事故发生时有章可循。
2.3 定期对设备进行维护 接发列车的设备与机械是保证接发列车安全行驶的基础条件，只有保证设备的正常运行才能确保接发列车在安全的技术环境下行驶，在应对突发事故时才有技术和设备支持。因此铁路系统要重视对接发列车设备和技术的投入，加强对设备的维护和监管，定期更新基础设施，避免因设备老化而造成事故的情况发生，保证和提高机械设备的可操作性、稳定性和正常性。首先，铁路系统要重视机械设备使用制度的建立，规范机械设备的操作流程，减少设备的损耗和折旧。然后还要定期对机械设备进行检查和维护，认真落实《技规》的要求，做到每周一小检、每月一大检，发现问题及时处理。其次，还要做好部门间的沟通工作，加强与电务部门的合作和交流，及时对铁路电路系统进行检查。接发列车的机械设备是事故发生的客观因素之一，其事故是能在做好检查工作的情况下可避免的，所以加强对设备的维护对接发列车的安全行驶十分必要。
3 结束语
综上所述，为做好铁路系统中接发列车的安全事故防范工作，必须要抓好操作人员的安全意识和专业素质提高的工作，制定完备的事故预案计划，定期对设备进行维护和检查，只有认真贯彻和落实了这一行之有效的措施手段，接发列车的行车安全才能得以保障。以上仅为笔者对“铁路系统中接发列车安全事故防范”这一课题的些许看法和见解，难免存在一定的偏颇和失误，希望读者和相关工作人员能够明确指出，确保此课题研究的全面性。
参考文献：
[1]张选民.确保铁路安全生产的新思考[J].中国职工教育，2013（14）.
[2]全诗好.浅谈车务系统接发列车安全防控[J].知识经济，2013（10）.
[3]李业明.接发列车人员应急技能现状分析及对策思考[J].上海铁道科技，2012（03）.
列车网络控制系统 第6篇
列车通信网络(Train Communication Network,简称TCN)标准IEC61375是1988年由欧洲发起建立的,并为不同的制造商生产的设备提供统一的通信基础,使不同设备之间可以进行控制、调整、监视和诊断数据的交换等。
1列车的总体技术参数
孟加拉内燃动车组设计用于孟加拉共和国铁路线路。能够以最高80公里/小时的速度运行。最高试验速度允许达到88公里/小时。
动车组为内燃交流电传动动车组,由3辆车组成。具体配置如下:
·Mc:动车;·T:拖车;·Mc:动车
动车组配置2M1T,两列动车组可以编组连挂运行。列车配置如图1-1所示:
2列车网络控制系统的组成
列车网络控制系统是列车的高层通信与控制系统,与子系统及列车传统硬线一起构成列车控制系统。
列车通信网络是一个分为两级的通信网络,由绞线式列车总线(Wire Train Bus,简称WTB)和多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus,简称MVB)组成。
2.1网络拓扑
3辆编组的车组称作动车组。每个动车组内有自己的MVB总线。动车组之间通过WTB总线连接,可以实现列车的重联运行。
通过MVB接入列车网络控制系统的设备有:车辆控制单元VCU、司机室人机接口设备HMI、远程输入输出模块RIOM、TCN网关、MVB/CAN/RS485网关。
通过MVB/CAN/RS485网关接入列车网络控制系统的设备有:柴油机控制器、静液压冷却系统、牵引控制单元TCU、门控单元、辅助控制单元ACU、励磁控制单元。
通过RIOM接入列车网络控制系统的设备有:空气制动系统、空压机、充电机、火灾报警装置等。
具有MVB总线接口(MVB/CAN/RS485)的设备需完成下述任务:
子系统控制
处理VCU或其它总线设备的控制信号
处理下级传感器或控制装置报告的信息
通过总线向VCU或HMI报告工作模式
通过总线向VCU报告诊断事件
具体网络拓扑图如2-1所示:
由于静液压冷却系统需要读取柴油机的相关信息,但由于设备接口设计的局限性,两个设备无法直接进行通信,所以,将这两个设备分别与两个网关转换单元进行连接,将柴油机的信息通过网关模块发送到MVB网络上,由VCU读取柴油机信息并将与静液压冷却系统相关的信息再发送到MVB网络上,由静液压系统接收其需要的数据,解决了静液压冷却系统与柴油机通信的问题。
Mc:动车;T:拖车;WTB:列车总线;MVB:车辆总线;VCU:车辆控制单元;HMI:人机接口设备;MVB/CAN/RS485:MVB/CAN J1939网关和MVB/RS485网关;RIOM:输入输出模块;TCU:牵引控制单元;FFR:柴油机控制器;HCU:静液压冷却系统;EDCU:门控单元;FAS火灾报警器;PBS:空气制动系统;EU:发电机励磁控制单元;GW:TCN网关;RIOM:输入输出模块;ACU:辅助控制单元;BC:充电机;CP:空压机。
网关转换单元实现MVB数据与具有CAN J1939或RS485接口的设备进行数据的通信。从MVB角度来看,它是一个1类设备。从CAN J1939或RS485总线来看,是一个可以配置为主或者从的节点。它既可以作为CAN J1939和RS485的主设备,轮询从属设备,也可以作为从属设备来应答主设备的轮询。网关结构框图如图2-2所示:
2.2冗余技术
可靠性是系统重要的质量指标,冗余技术既可以增加系统的可靠性,又可以降低经济成本,有效提高了系统的可靠性指标。
双机热备冗余技术由两个完全相同且独立的单元组成,各单元都能独立完成规定的功能。正常工作时,两个单元都通电工作,但只有主单元的输出能控制被控对象,备用单元的输出无效。一旦主设备故障,从设备在规定的时间内作为主设备实现对车辆的控制,增加了列车控制网络的可靠性。
孟加拉动车组网络设备VCU、HMI、TCN网关均采用热备冗余技术。
以VCU为例,网络控制系统在每辆动车内装有一个车辆控制单元(Vehicle Control Unit,简称VCU)。该装置具有动车组监测功能和动车监控功能,两个动车内的VCU监控功能相互冗余,一个工作在主模式,另一个工作在从模式。重联时,有司机的动车组VCU为列车主VCU,另一动车组VCU为列车从VCU。
默认配置为首先上电的VCU为主VCU,若同时上电,则Mc1车中的VCU作为主设备。
在下列情况下,实施VCU主从转换:
VCU的主要模块发生故障(如电源模块、处理器模块等)
VCU的MVB接口模块发生故障
在发生主从转换时,MVB通信中断时间不得超过6s。在MVB通信中断期间,底层控制装置使用默认值。
VCU作为总线主,在总线上主动地向各从设备发送信息,它可以给某个从设备发送权,以使该从设备在有限时间内发送一个从设备帧。
WTB和MVB均为带有冗余传输线的串行数据总线,传输介质为屏蔽双绞线,采用两路分离的电缆,中间跨接电缆也采用了两个独立连接器。传输速率:MVB为1.5 Mbit/s;WTB为1.0 Mbit/s。
WTB和MVB线路的冗余原理假定设备在A线和B线上同步发送相同的数据,而连接的设备只从其中的一条传输线接收数据,这条传输线称做信任线。同时连接设备也监视另外一条线,称做监视线。双线冗余连接的设备在互为冗余的两条传输线上同时发送数据帧,以保证两个输出信号之间的时滞(时间差)不超过T＿skew＿t的设定值。总线的布置应保证在总线的任何位置上从A线或B线接收的信号之间的时滞不超过T＿skew的设定值。
通过线路的冗余设计,数据在传输过程中可实现冗余传输,减少数据丢失率,增加数据传输的可靠行。
孟加拉网络控制系统采用网络和硬线相结合的控制方式,网络控制信号具有高优先级,即以网络信号为主,当网络出现故障时,可以自动切换到硬线控制模式,确保列车稳定运行。
2.3重联
孟加拉网络控制系统为分层网络构架,可实现列车级和车辆级通信控制,两列3辆编组动车组可以重联运行。
列车总线(WTB)具有可变的拓扑结构,能够自适应列车编组变化,主要用于经常互相联挂和解编的重联车辆。
列车重联时,列车进行初运行操作,网络上的每个设备被分配一个地址,如图2-3所示。
从总线主开始,方向1的节点按递减顺序编号,开始为63,最后的为底节点;
从总线主开始,方向2的节点按递增顺序编号,开始为02,最后的为顶节点[3]。
结语
孟加拉动车组网络控制系统根据功能需求,采用WTB和MVB总线连接,增加列车重联运行功能,网络设备尽量冗余设计,提高系统的可靠性,加强动车组安全及平稳运行。孟加拉网络控制系统也可以应用于城轨车的设计,具有较好的移植性。
参考文献
[1]张大勇.我国机车电传动技术的发展[J].机车电传动,2007(3):1-4.
[2]于敏,何正友,钱清泉.基于Markov模型的可维修双机热备系统可靠性分析[J].计算机工程与设计,2009,30(8):2040-2042.
[3]IEC61375-1.Electric Railway Equipment Train Bus Part1:Train Communication Net-work[S].2007.
列车网络控制系统 第7篇
长期以来列车制动问题的解算以力学为基础, 根据列车受力条件计算制动距离。但实际上, 影响列车制动过程的因素很多[1], 复杂性高, 很难从理论上推导出精确的计算公式, 在实践中只能采用近似的方法计算。而且列车制动过程复杂, 受多种因素影响, 如线路条件、环境因素、列车司机熟练操作程度等。在不同条件下, 列车制动特性会发生很大变化, 采取的控制策略也不相同[2], 这些差异很难通过牵引计算理论反映出来。所以基于牵引计算理论的传统控制方法不仅很难处理列车制动中的不确定性问题, 而且也很难适合我国铁路未来发展的需要。因此, 需要发展新的制动控制方法解决传统方法中存在的不足。
BP神经网络是1种多层前向神经网络[3], 不需要建立被控对象精确的数学模型, 具有很好的函数逼近能力, 它可将过程看成1个黑箱子, 通过测量系统输入、输出特性, 然后利用所得实际过程的输入、输出数据训练1个神经网络, 使其输出对输入的响应特性具有与被辨识的过程相同的外部特性。本文将BP神经网络控制技术应用于列车制动控制, 利用BP神经网络控制方法来模拟司机的操作进而改进列车制动控制, 从而达到列车安全停车的目的。
1 建立列车制动过程的BP神经网络模型
1.1列车制动过程的理论分析
列车制动过程是指由制动装置引起与运动相反外力迫使列车减速直至停车的过程[4], 在这个过程中走行的距离即为制动距离, 由空走距离和有效制动距离组成。
式中:Sb为走行过程总制动距离;Sk为空走距离;Se为有效制动距离;v0为制动初速度;tk为空走时间;vi、vi+1分别为第i区间和第i+1区间的速度;φh为换算摩擦因数;βc为列车制动系数;ω0为列车运行单位基本阻力;ij为加算坡道千分数;θh为列车换算制动率;r为列车管减压量, kPa;n为牵引辆数。
1.2确定BP神经网络模型的输入输出
从式 (1) 可见影响总制动距离Sb的参数主要有v0、r、n、ij、θh。为使模型简单, 下面对不同参数进行分析。
1) 对于1条具体的线路和1次实际的运行过程而言, 牵引辆数n是不变的。
2) 由于1条固定线路的坡道类型是有限的, 并且实际中列车进站制动的线路坡道一般较小, 因此加算坡道ij可视为一常量。
3) 换算制动率θh与制动系数β有一定的关系, 而制动系数β通常与列车管减压量r有相应联系的, 因此将换算制动率对制动控制的影响归属到列车管减压量对制动控制的影响。
一般而言, 停车控制主要以安全性和舒适性作为控制目标, 从符合实际的操纵上考虑, 通常司机根据距离进站信号机距离的远近以及当前的速度判断, 确定制动过程所需要的减压量大小。然而每个人的经验不同, 停车效果的好坏是不同的。对于货车而言, 只要保证其能够安全地在信号机前方停车便达到了主要控制目标。因此设计控制器的主要目标是能够安全停车。基于上述分析, 最终确定输入变量为当前速度v0和距离信号机的距离S, 输出的控制量是列车管的减压量r。因此列车制动过程的模型可以用公式 (4) 来描述。
式中:f为输入、输出间复杂的多变量非线性函数。
1.3列车制动过程BP神经网络模型结构
人工神经网络 (artificial neural net work, ANN) 是在人类对大脑神经网络认识理解的基础上构造的能够实现某种功能的神经网络。近年来, 学者们提出了很多神经网络模型, 其中应用最广泛的是基于BP算法的多层感知器 (BP网络) 。BP神经网络由输入层、 隐含层和输出层组成, 理论研究及实践证明:3层 BP网络可以逼近任意连续非线性函数。因此 BP神经网络可以看成一种普遍的非线性“黑箱”, 可以用它对非线性系统建立虚拟模型或通用函数逼近器。BP算法的基本思想包括信号的正向传播与误差的逆向传播 2个部分。正向传播时, 模式作用于输入层, 经隐含层处理后传向输出层。若未能得到期望的输出, 则转入误差的逆向传播将输出误差按照某种形式通过隐含层向输入层逐层返回, 并“分摊”给各层的所用单元, 从而获得各层单元的参考误差, 作为各单元权值修改依据。这种信号正向传播与逆向传播的各层权值修改过程周而复始的进行, 直到误差减小到可以接受的程度。用列车当前速度v0和列车距离信号机的距离S作为输入, 列车管的减压量r作为输出, 用 BP神经网络来拟合它们之间的非线性关系, 从而建立列车制动过程模型, 如图1所示。
2 实例研究
以DF4 (货) 型内燃机车 (1台) 牵引50辆M11型货车为例[6], 牵引重量G=35 000 kN, 其中重车40辆, 空车10辆, 车辆制动机为GK型。自重1 350 kN, 列车管定压为500 kPa, 加算坡道千分数ij=-0.001, 重车质量3 280 t, 空车质量220 t, 列车理论换算制动率为θh=0.33。
2.1数据预处理
由于测量的数据有着不同的工程单位, 各变量的大小之间在数值上也相差很大[5], 直接使用原始测量数据进行网络训练可能丢失信息和引起数值计算上的不稳定, 因此必须对输入和输出数据进行归一化处理, 将网络的输入数据限制在[0, 1]区间内, 利用式 (5) 进行数据归一化变换。
式中:Xi为未经处理的输入 (或输出) 值;
数据经归一化处理后, 选取其中47组数据作为训练样本, 另外35组数据作为测试样本, 储存于Matlab软件的Data矩阵中。
2.2选择最佳隐层单元数
根据Kolmogorov定理:给定任一连续函数f:Rr→Rm, f (X) =Y, f可以精确地用1个3层前馈网络来实现。随后的研究工作不断证明:只要选择合适数量的神经元, 神经网络可以以任一精度逼近任意1个连续函数。隐层神经元数目的选择是1个十分复杂的问题, 需多次试验来确定, 不存在1个理想的解析式来表示, 用式 (6) 作为选择最佳隐单元数时的参考公式。
式中:n2为隐含层的数目, n1为输入层的数目, m为输出层的数目, a=1～10。由此可以确定网络的隐层神经元个数应该在3～12之间, 并通过多次网络训练误差对比, 最终确定隐层神经元个数为11。
2.3关键代码
%建立相应的 BP网络
net=newff (minmax (P) , [11, 1], {’tansig’, ’purelin’}, ’trainlm’) ;
采用函数trainlm对网络进行训练是由于该训练函数的收敛速度很快。
%训练网络, 设定训练时间为1 000个单位时间, 训练目标的误差小于0.000 01
net.trainParam.epochs=1 000;
net.trainParam.goal=0.000 01;
在网络性能和训练时间允许的情况下把目标误差设置为较小的值, 尽可能地提高网络的逼近能力。
%对训练后的网络进行仿真
net= train (net, P, T) ;
y=sim (net, P) ;
3 仿真结果及分析
运用Matlab神经网络工具箱对建立好的列车制动模型进行仿真, 其训练拟合曲线、训练拟合相对误差、测试曲线、测试相对误差分别如图2～5所示。
图2～图4纵坐标是通过数据预处理后的结果, 为标量, 无单位。
从训练和测试的结果可以看到, BP网络建立模型的输出值能够较好地跟踪实际值的变化, 误差很小, 因而具有十分精确的逼近能力。完全满足列车制动的要求。因此 BP网络建模方法是十分有效可行的。
列车初始条件为v=50 km/h, S=600 m时开始制动, BP网络输出制动控制的减压量为63 kPa, 通过系统将其转换成对应的制动力, 系统根据列车所受合力计算仿真步长内列车所运行的距离, 整个过程形成了速度-距离曲线如图6所示。仿真结束后, 最终走行的距离之和S为615.3 m, 比实际距离600 m多15 m, 主要是由于整个列车仿真模型是基于离散化的动态运动方程, 并且列车制动力计算模型是近似的, 因而存在误差。然而从实际样本数据分析, 司机的实际操纵的减压量约60 kPa, 说明推理得到的结果还是可行的。这从侧面上也说明神经网络的算法用于列车制动控制的建模是基本有效的。
4 结束语
分析了影响建立列车制动过程BP神经网络模型的主要因素, 建立了BP神经网络的模型, 采用3层的神经网络结构对列车制动过程进行仿真。根据分析并比较实际和期望输出的曲线就可以看出, BP神经网络经过训练后, 可以准确地拟合列车管减压量的变化, 精度较高, 将其应用在列车制动过程是完全可行的。基于BP神经网络智能算法是可以用于列车制动的实时计算, 能够满足列车制动控制的安全性、准确性的要求, 结果也与实际比较符合, 具有一定的可行性。
参考文献
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[5]师黎, 王俊江.模糊控制在高速列车制动中的应用[J].微计算机信息, 2009, 25 (5) :28-30
铁路专用列车广播网络建设 第8篇
1网络拓扑结构
根据目前的情况列车广播网的主要任务是将车库广播、客运广播、调度及广播工区连入列车广播网, 构建列车广播网络的初步框架, 为以后网络规模的进一步扩展打下坚实的基础。
由于目前列车广播网的主节点放置在调度, 所以目前网络的拓扑结构呈星形, 即以调度为核心, 向车库广播, 广播工区, 客运广播辐射, 在调度放置一台Cisco Catalyst 1924C-EN交换机和一台Cisco 3620路由器, 与外网络相连, 同时也作为列车广播网络内部各VLAN之间数据交换的纽带。
2技术特性
12或24个10BaseT端口向个人用户或工作组提供专用的10Mbps带宽, 以便支持带宽密集型应用
2个100BaseT端口 (Catalyst 1924) 或1个100BaseT端口+1个100FX端口 (Catalyst 1924C) 提供了最大的高速配置和主干网灵活性。
1个附属设备接口 (AUI) 端口实现了与光纤、传统10Base2或10Base5网络的连接。
带3MB信息包缓冲区的共享存储器体系结构实际上消除了包丢失现象。
非阻塞的ClearChannel体系结构在所有端口上支持线速桥接, 提供最大为370Mbps的传送带宽和550 000pps的聚集吞吐量。
在交换型10BaseT和100BaseT端口上进行的自动协商的半双工和全双工操作向终端工作站、服务器以及交换机之间提供高达200Mbps的带宽。
拥塞挤控制选项支持要求无信息包丢失的应用:
在交换机缓冲区满时, 强化拥塞控制功能加速了信息包的传送;半双工以太网端口上的背压采用IEEE802.3第二层补偿算法调节网络传输;100BaseTX端口上的IEEE 802.3x信息流控制在交换机之间和交换机与服务器之间提供智能流管理;每端口都有的广播风暴控制可防止有故障的终端工作站因广播风暴而降低总体系统性能;开通式或存储转发式交换选择让管理员优化性能或故障检验能力。
2.1可扩展性
Cisco分组管理协议 (CGMP) 使交换机能够有选择地动态过滤并向目标多媒体终端站发送经过路由选择的IP多点广播, 从而为电视会议和IPTV等应用优化了带宽。
重叠的桥接组控制交换机内的广播, 以便管理带宽和提供更高的安全性。
2.2安全性和冗余性
路由信息协议 (RIP) 允许交换机自动发现路由器网关地址, 从而无需管理员人工重新输入路由器的IP地址。
IEEE 802.1d生成树协议、RIP和弹性链路支持可使交换机在中断后能够自动重新恢复联机状态, 改善了容错性能。
用户可以选择的地址学习能力简化了配置, 增强了安全性。
可选的Cisco600瓦冗余交流电源系统具有一个供4个设备使用的备用电源, 提高了容错性能, 延长了网络正常运行时间。
2.3灵活的网络配置
在Catalyst 1924交换机上分别支持1 024个MAC地址和8 192个地址, 允许交换机随着网络的发展而扩展。
可配置的网络端口支持用于主干网连接的无限MAC地址。
2.4全面的管理
基于Web的管理界面允许用户通过一个标准浏览器, 如Netscape Navigator或Microsoft Explorer等来配置和管理交换机。
简单网络管理协议 (SNMP) 、远程监视 (RMON) MIB和Telnet提供全面的频带内可管理性, 而且一个基于菜单的管理控制台提供深入的、频带外可管理性
域主机控制协议 (DHCP) 自动分配和重新定位IP地址, 而且域名服务 (DNS) 使本地名称分配成为可能, 从而简化了网络的管理。
嵌入式RMON软件代理支持4个适用于增强型通信管理、监视和分析的RMON组 (历史、统计数字、警报和事件) 。
通过采用一个Switch Probe分析仪, 对所有9个RMON组的支持允许采用一个网络分析仪或RMON探针监视一个端口、端口组或整个交换机上的通信。
Cisco发现协议 (CDP) 使一个Cisco Works网络管理站自动发现网络拓扑结构中的交换机。
在任何管理站上可以生成由一台交换机发射到任何目标设备上的“脉冲信号”, 从而帮助故障检修。
2.5 Cisco 3620路由器
Cisco 3600系列路由器, 主要用于局域网与广域网之间的连接、局域网内部各VLAN之间的数据交换、支持拨号接入局域网、充当局域网的第一层防火墙等。
Cisco 3620路由器具有两个扩充槽, 能够支持多达40余种的Cisco 3600系列接口模块, 以实现不同网络之间的互联, 也为网络的扩展提供了极大的方便。
3主要网络设备配置
3.1调度
1) Cisco 3620+NM-1FE1CE1B
即Cisco 3620路由器, 加配一个具有单口100M快速以太网接口和一个单口E1/ISDN接口的网络模块。100M快速以太网接口将与Catalyst 2916MXL相连, 以提供网内部各VLAN之间的数据交换;E1/ISDN接口为列车广播网接入外部网络提供了可能。
2) WS-C2916M-XL+WS-X2922-XL×2
即一台Catalyst 2916MXL交换机, 加配两块具有两个100M光纤以太网接口的模块, 以便与广播工区和客运广播, 车库广播相连。使用两块模块 (共4个100M光纤接口) , 为系统扩展提供一定空间, 也可作为冗余备份。Catalyst 2916MXL本身的端口, 提供两台Catalyst 1924-EN的接入、路由器和服务器群的接入,
3) WS-C1924-EN×2
即两台Catalyst 1924-EN交换机, 共有48个10M以太网接口, 提供整个调度内部所有节点的连接。两台交换机分别通过各自的100M以太网端口和5类双绞线与Catalyst 2916MXL相连。
车辆部门, 广播工区
4) WS-C2916M-XL+WS-X2922-XL
即一台Catalyst 2916MXL交换机, 加配一块具有两个100M光纤以太网接口的模块, 并通过此模块与调度的Catalyst 2916MXL相连。
5) WS-C1924-EN×2
即两台Catalyst 1924-EN交换机, 共有48个10M以太网接口, 再加上Catalyst 2916MXL本身的14个端口 (除去两台Catalyst1924-EN的上连端口) , 可以提供整个车站广播内部所有节点的连接。两台交换机分别通过各自的100M以太网端口和5类双绞线与Catalyst 2916MXL相连。
3.2客运部门
1) WS-C1924C-EN
即一台Catalyst 1924C-EN交换机, 共有24个10M以太网接口, 可以提供整个内部所有节点的连接。通过本身的100M光纤以太网端口与调度的Catalyst 2916MXL相连。
为了实现这些应用, 自然需要选择稳定、可靠、处理能力强大的服务器。
4结论
南宁火车站的客运广播在刚交付的时候, 厂家将其广播分为了12路, 其功率分配如下:
第1路120W第2候车室30W*4
第2路120W第1候车室30W*4
第3路150W第4候车室20W*6=120W南天桥10W*3=30W
第4路120W第3候车室20W*6=120W北天桥10W*3=30W
第5路30W行包房5W*6=30W
第6路25W贵宾室20W出站口值班5W
第7路10W售票厅10W
第8路190W广厅45W*2=90W雨廊20W*4=80W出站口检票20W地道10W
第9路520W第1站台20W*26=520W
第10路300W第2站台30W*10=300W
第11路300W第3站台30W*10=300W
第12路100W中厅20W*4=80W站检5W*2=10W公安值班5W客运值班5W
总功率为2 015W, 其中并没有为广播工区留下通路。通信人员在计算每台广播机的输出功率与现有广播喇叭的负载功率值后发现完全还可以多带一套监听系统。于是将这套监听系统接入了客运广播的第12路。每天通信人员都对南宁站的客运广播和到发南宁站的列车广播进行检查。过去, 偶尔会因为雷雨天的影响, 或是外界嘈杂声过大而听不到列车终到的预告, 造成漏检的现象。可自从接入了监听系统, 通信人员不但完全消灭了漏检, 同时也降低了工作的强度, 轻松的完成对客运广播的监听工作。在广播工区与客运广播建立连接, 就产生了如此明显的好处, 如果把整个网络全部建立起来, 它的优势是不容置疑的。建立整个广播网络, 从经济的角度来看它的花费不是很大, 一次投资长期使用, 而目前的网络技术也已经发展到了相当的程度, 可提供有力的技术支持。随着计算机技术的普及和多年的职业教育, 员工的技术素质也不断在提高, 运行这样广播网络是完全可行的。新的网络使通信人员的工作任4务变得更清晰更有依据, 减少时延, 提高了工作的效率。
摘要：列车广播的维护工作是由多个部门来联合进行的, 过去的消息传递方式造成了大量的人力资源和时间的浪费, 它制约了劳动效率的提高。故此非常需要建立一个专用列车广播网络使部门间更协调, 工作任务更清晰。
关键词：列车广播,网络建设
参考文献
[1]杜思深, 刘晓琪, 柳渊, 付晓研.综合布线[M].1版.清华大学出版社, 2006, 1.
[2]王洪, 贾卓生, 唐宏.计算机网络应用教程[M].1版.机械出版社, 2006, 1.
高速列车GSM网络覆盖影响分析 第9篇
随着国内经济的迅猛发展, 我国铁路事业也在不断壮大, 铁路营业线路总延展里程已经达到13万公里, 且全国铁路连续6次提速后, 时速120公里及以上线路延展里程达到2.2万公里, 其中, 时速160公里及以上提速线路延展里程达1.4万公里, 分布在京哈、京沪、京广、京九、武九、陇海等干线;时速200公里线路延展里程达到6003公里, 分布在京哈、京沪、京广等干线, 其中京哈、京广、京沪、胶济线部分区段时速达250公里。
尤其最近几年随着城际铁路的开通, 我国的铁路速度达到300公里以上了, 传统的宏基站覆盖方式已经无法满足铁路速度的提高, 本文针对高速铁路的特点, 通过对多普勒效应、高速移动场景对呼叫和切换带来的影响等方面进行了论述, 并提出了解决高速铁路GSM网络覆盖中光纤拉远系统的建议。
2 高速列车带来的影响
到2009年为止, 我国建立很多了CRH (China Railway Highspeed) 干线, 自主创新研制300km/h动车组, 已经在全国使用, 成为我国高速客运的主力车型, 武广铁路的列车行驶速度更是达到350 km/h。
高速铁路所承载的顾客大多为商务人士, 语音和数据业务要求高、需求量大;高铁客车高速列车材质特殊, 密闭性好, 对信号的衰减性强;穿行环境更是包罗万象, 除了城市和平原, 还有高山、丘陵、戈壁、沙漠、桥梁和隧道, 可以说涵盖了几乎所有的无线通信场景。所以, 如何在高速移动环境下保持好的网络覆盖和通信质量, 是对现代网络通信技术的挑战。
高速移动状态下的通信相比静止状态或低速状态下的通信面临更多的问题, 主要面临以下几个问题:
2.1 多普勒频率偏移
所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时, 接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同, 这种现象称为多普勒效应, 接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。在无线通信中多普勒效应引起频率变化的关系可以通过下面的公式求出:
频移=f*v*cos (θ) /c
式中:f为基站载波频率, θ为终端移动方向和信号传播方向的角度, v为移动台的移动速度, c为电波传播速度 (设为3*108m/s)
从公式可以看出, 在用户移动过程中, 多普勒频移随着用户位置的变化而变化, 当用户移动方向和电波传播的方向相同, 即θ=0时, 多普勒频移最大。完全垂直时, 是没有多普勒频移的。以下为几种典型频率的最大多普勒频移表 (θ=0°) :
从以上表看出当频率越高时, 频率偏移越大, 并且多普勒频移对移动通信系统的影响最大是两倍频率频移。
对于我国现有GSM系统来说, 当列车速度达到400km/h, 频移的最大影响达为1333.4Hz (中心频率为1800 MHz时) , 根据GSM系统移动台与基站收发信台的调制性能, 1333.4 Hz的频偏, 是没有超出接收机的调制性能范围, 但对于接收机接收性能有一定的影响。因此普勒频移对2G系统有一定影响, 但影响并不严重, 系统仍可以正常工作。主要还是接收终端会产生一定性能影响, 所以减少频移还是有必要的。
2.3 小区选择及重选的影响
首先让我们先了解下小区重选的过程, 在空闲模式下, 接收体将一直监听BCCH分配表 (BA) 中所有载频的电平情况, 并在5秒至Max{5, (5×N+6) div 7) ×BS_PA_MFRMS/4}时间内, 对每一接收到BCCH电平值进行平均。
其中, N是BA表中载频的数量, 按网络的通常设置, BA表中的载频就是邻区的BCCH频点, 因此N的最大值是32。BS_PA_MFRMS表示小区中的寻呼信道被分配成的寻呼子信道数, 取值范围为2~9, 该值的大小取决于寻呼负载, 本处取中间值6。可计算得出最大的平均处理时延为约为35.57s。
按照小区选择和重选的规定, MS至少每隔5s计算并判断一次服务小区和非服务小区的C1和C2参数, 如果满足判决条件, 马上启动小区重选。MS同步BCCH载频的最大时延是0.5s, 同步后解调BCCH数据的最大时延是1.9s, 即重选一次小区的最大时延是7.4s。
从上面的分析我们看出, 在35.57s中, 小区重选已进行了5次, 按照时速300km/h来计算, 通过距离都达到3km, 所以当火车速度很快时, 如果没有足够的小区连接, 就很容易使得移动终端无法小区选择, 造成脱网。同时, 建议小区的BA列表中的频点也就是载频的数量尽量少做。
2.3 快衰落的影响
在高铁覆盖场景下, 移动终端和基站间一般存在直射路径, 故接收端信号电平主要受路径损耗影响较大, 而受由多径效应产生的快衰落影响较小, 所以呼叫所产生的距离尤为重要。
一般来说, 从移动端开始起呼, 占上SDCCH后到成功捕获TCH, 呼叫建立时长平均为2s左右。在此时间内, 如果信号发生快速衰落, 那么本次呼叫将失败。目前高铁速度350km/h小时计算, 移动端在一次呼叫建立的时间内将移动大约194.44米。而对于这样一段距离, 传播环境变化快, 发生信号快速衰落是可能性是存在的。
2.4 动车组本身影响
动车组通常包括两侧各一个车头在内共的8个车厢, 列车为全封闭车厢列车, 车身由铝合金和不锈钢材料组成, 车窗也采用特殊材质制成, 密封性能很好, 因此相对于普通列车, 动车组列车车厢电波的穿透损耗要高出很多, 而车厢的穿透损耗直接会影响车厢内的终端的接受信号强度, 从而影响到铁路沿线小区的覆盖范围。
3 解决方案探讨
从上面的分析来看, 首先, 高速铁路列车采用全铝质外壳和安全玻璃, 对信号屏蔽比较大;其次, 地面发射台和行政区域信息的频繁更新, 可能导致通话中断;再次, 电磁波在空间传播会引起信号强度突变, 有时幅度比较大, 并且随着速度的提高, 发生的概率也显著提高, 使得手机通话会出现时断时续的情况, 影响通话质量;最后, 多普勒效应在列车时速达到300公里以上的时候, 对移动通信开始产生可感受的影响, 会大大降低数据业务的速率, 部分通信制式如不采取应对措施几乎无法正常工作。
我们建议采用光纤拉远覆盖方式扩大小区的覆盖范围, 减少地面发射台的切换次数, 提升覆盖场强, 优化覆盖模型 (线状覆盖) , 同时, 采用分集接收的方式克服信号的突变。解决高速移动的列车内的信号问题, 必须想办法将其与现有的网络分开。目前有已京信通信为代表的BTS+GRRU组网方案, 也有华为中兴为代表的BBU+RRU的组网方案, 这两种方案中, 同一小区内的天线下面不存在切换, 通过相应的基带处理, 单小区可以跨越多个 (G) RRU覆盖区, 并可以根据容量的需求, 来合理规划小区的覆盖范围。
4 结论
对城轨列车辅助供电系统的探讨 第10篇
摘要：本文通过对集中和分散供电系统的对比分析，能够看出采用并网供电技术的集中供电系统会更有优势，所以，在城轨列车辅助供电系统的设计与应用中，如果对列车的安全、稳定运行要求更高一些，则采用冗余度更高的分散供电系统；如果对列车的检修维护和节能降耗要求高一些，那么则采用集中供电且冗余度较高的并网供电系统。
关键词：城轨列车；辅助供电；集中供电；分散供电
供电系统的列车辅助供电系统主要包括交流和直流电源。交流供电系统主要由辅助变流器、辅助设备电机、电热器等交流负载设备组成，由辅助变流器供电；直流供电系统主要由充电机、蓄电池、直流用电设备组成，由充电机和蓄电池供电。
1 城轨列车辅助供电系统概述
城轨列车为辅助供电负载。辅助供电负载主要由交流负载和直流负载组成。
1.1 交流负载
1.1.1城轨列车的HVAC系统：城轨列车的每节车厢设置二个空调单元，其交流能耗设备主要是：（1）空调压缩机；（2）冷凝风机；（3）通风机；（4）司机室通风机。假如在寒冷地区，还要增加加热器。由于空调单元的加热与制冷不会同时工作，并且设备在制冷时的功率往往是大于设备加热时的功率，所以，我们在负载计算时一般只需考虑设备在制冷时的功率就行。正常情况下，所有的辅助逆变器都呈正常工作状态时，列车的HVAC系统也就会正常工作；假如辅助逆变器出现故障，那么则根据故障程度，采取对相应空调压缩机或者是空调机组进行切除的方法。
1.1.2HVAC系统空气压缩机：城轨列车的每列车，都安装两个空气压缩机，负责整列车厢的空气供风制动系统。当风压低于规定设定值时，两台压缩机自动启动；当风压高于规定设定值时，则只启动一个就可以；当车厢的主风缸压力已经高于规定的最高设定值时，则必须关闭两台空气压缩机。
1.1.3HVAC系统牵引通风机：牵引通风机主要负责给HVAC系统牵引逆变器进行强迫风冷，而对于非强迫风冷的牵引箱，则不存在牵引通风机。
1.1.4HVAC系统制动电阻风机：HVAC系统在电阻制动时会消耗大量的能量，导致HVAC系统的制动电阻温度会呈急剧升高状态，那么就需要通过系统的制动电阻风机来进行强迫通风，以达到散热降温的目的，从而保护系统制动电阻。不过对于自然冷却的动电阻，则不需要启动制动电阻风机。
1.1.5HVAC系统交流220V负载：负载包括：方便插座、客室普通照明（AC220和DC110V供电制式都有）、显示屏（AC220和DC110V供电制式都有）等。
1.2 直流负载
直流DC110V和DC24V负载：主要包括控制电路、应急照明、旅客信息系统等。
2 辅助供电系统供电方式
根据不同种类的城轨列车辅助供电系统，负载的数量与功率也不同。以下是对某B型六节编组的地铁列车的辅助供电系统的分析负载参数。
2.1 辅助电源交流负载负荷统计表
因为辅助电源系统（交流电源）的最大负载工况是在夏季，故只对夏季负载进行计算和分析。
冬季负载，夏季中不适用。
交流（AC380V/AC220V）负载容量：从辅助电源负荷统计表中看到，正常工作状态下，辅助供电系统最大交流負载为夏季负载304.8kVA。
2.2 列车集中供电方式
在每列列车的集中供电系统中，设置两台辅助逆变器，辅助逆变器的运行是通过系统的三相输出接触器分别向3节车厢供电。供电电路可以是并联供电、扩展供电。如果是集中供电的扩展供电方式，在正常工作状态下，M车上的三相母线接触器处于断开状态，两个单元各自独立工作；如果是集中供电的并联供电方式，列车的交流供电母线是贯通的，两个辅变单元共同向列车负载供电。
每台辅助逆变器的容量通常设计为220kVA左右，如果采用的是集中供电的扩展供电方式，当某个辅助逆变器出现故障时，首先断开输出接触器，将其与供电母线隔离，同时，通过系统的闭合扩展供电接触器，及时将非故障电流引入发生故障单元，以保障故障单元的正常工作。由于集中供电系统采用的是并联供电方式，这使得单个辅助逆变器无法满足整列车正常运转的负载要求，因此，需要及时切除相应的负载功能。负载重新分配时将保留Mc车和M车的牵引风机和制动电阻风机。以保证有一台空气压缩机的正常工作。系统功率减少一半后，需要切除系统内功率消耗大的空调设备。此时整列车的负载功率为228kVA，一台辅助逆变器的容量可以满足要求。
2.3 分散供电
列车的分散供电系统在每节车箱上都安装有一台辅助逆变器，通过系统的三相输出接触器，向380V交流的列车母线供电。一般辅助逆变器的设计为73kVA，这使得整列列车的交流供电系统的总装机容量就达到438kVA，保证了整列列车的负载。这样，即使有一、两台辅助逆变器出现故障。容量为365kVA和292kVA的辅助逆变器仍然能够满足列车的正常运行。当出现三台辅助逆变器发生故障时，则只需切除一半的空调压缩机就能保证列车所有通风机组的正常工作，列车仍然能保证安全、无限速的运行。假如出现四台或者是五台辅助逆变器发生故障，则必须切除所有空调设备，以保证列车正常运行到最近站点，组织旅客换乘其他列车。
2.4 两种供电方式的分析比较
目前，列车的集中供电系统运用比分散并网系统在辅助逆变器设备的数量上要少，其检修以及维护的成本要低；不过分散供电系统的故障冗余能力比较强，但列车布线更复杂、检修维护成本要更高。现在，集中供电系统多数采用扩展供电方式，每个单元的运作是独立的，即使出现负载波动，也只影响本单元，而分散供电多数采用的是并网供电形式，其抗负载冲击能力比集中供电系统更强。集中供电系统所装备的辅助逆变器箱每个约1400kg，这样整列车重量就仅为2800kg。但是分散并网供电系统的辅助逆变器箱不带充电机时约875kg，带充电机时约为965kg，整列车重量是5430kg。使用集中供电系统比分散供电系统整列车要轻2630kg，地铁列车运行单位对整列车的单位能耗非常的在意，列车减重也是所有车辆制造厂努力的方向，采用集中供电系统的列车要比采用分散供电系统的列车更节能，因此新生产的城轨车辆比较倾向于采用集中并网供电系统。
参考文献：
[1]彭驹，莫坚.深圳地铁1号线续建工程车辆辅助系统设计[J].电力机车与城轨车辆，2009，（4）.
列车网络控制系统 第11篇
目前货运列车车号识别系统[1⁃2]主要是基于RFID技术实现的,但是,由于该系统的准确性依赖于列车底部安装的RFID标签,而RFID标签容易损坏、丢失,因此,此类系统无法保证车号识别的准确性。为此,研究者开发了基于图像的货运列车车号识别系统,系统根据视频采集到的图像,利用模糊集合论[1⁃2]、人工神经网络[3]、支持向量机[4]以及隐马尔可夫模型[4]等技术进行车号字符的识别。但是,由于货运列车车号存在因喷涂方式而导致的单个字符断裂,或者列车长期的野外运行导致的车厢污损,车号字符的残缺等现象,这使得目前的基于图像的货运列车车号识别系统的鲁棒性与识别率还有待进一步提高。
Le Net⁃5[5⁃7]是由Yann Lecun等人提出的一种专门用于二维图像识别的卷积神经网络,该网络避免了人工提取特征依赖于主观意识的缺点,只需要将归一化大小的原始图像输入网络,该网络就可以直接从图像中识别视觉模式。Le Net⁃5把特征提取和识别结合起来,通过综合评价和学习,并在不断的反向传播过程中选择和优化这些特征,将特征提取变为一个自学习的过程,通过这种方法找到分类性能最优的特征。Le Net⁃5已经成功应用于银行对支票手写数字的识别中。
为此,本文将卷积神经网络Le Net⁃5应用于列车车号字符的识别中,为了使之适用于列车车号字符的识别需求,去除掉了Le Net⁃5中的一些针对手写字符识别而特别设计的连接方式及参数,并在此基础上,改变网络中各层特征图的数量以形成新的网络模型。
1 Le Net⁃5的改进
卷积神经网络可以从很多方面着手改进。诸如多层前馈网络,可以考虑在误差函数中增加惩罚项使得训练后得到趋向于稀疏化的权值,或者增加一些竞争机制使得在某个特定时刻网络中只有部分节点处在激活状态等。本文主要从卷积神经网络的层次化以及局部邻域等结构上的特点入手,考虑卷积神经网络中各层特征图数量及大小对网络训练过程及识别结果的影响。
以Le Net⁃5结构为基础,去除掉Le Net⁃5中的一些针对手写字符识别而特别设计的连接方式及参数,得到改进后的神经网络。在此基础上,改变网络中各层特征图的数量以形成新的网络模型。定义一种新的网络模型,将其命名为Le Net⁃5.1,该网络结构与Le Net⁃5基本相同,主要做出以下改变:
(1)将原先Le Net⁃5所采用的激活函数由双曲正切函数修改为Sigmoid函数,此时,网络中所有层的输出值均在[0,1]区间内,输出层的最终结果也将保持在[0,1]区间内。
(2)省略掉F6层,将输出层与C5层直接相连,连接方式为全连接,而不是原Le Net⁃5中所采用的径向基函数(RBF)网络结构。
(3)简化原Le Net⁃5中的学习速率。原Le Net⁃5网络中采用的学习速率为一个特殊的序列,而在本网络中将学习速率固定为0.002。
(4)输入数据原始尺寸为28×28,采取边框扩充背景像素的方法将图像扩充至32×32。
之所以做以上相关改动,是因为原始的Le Net⁃5就是专门为手写字符识别任务而特殊设计的,这就造成了Le Net⁃5网络中相关的预处理及参数的选择过程或多或少均带有一些针对特定问题的先验知识。例如激活函数f(x)=a tanh(bx)中参数的选择,学习速率中特定的速率序列以及数据预处理中特殊的填充方式等,这些特定的设计使得Le Net⁃5在其他任务的识别过程中并不一定适用,或者需要进行长期的观察实验以选得一组针对特定任务的较好的值,造成了Le Net⁃5不能快速的应用于除手写字符外其他的识别任务中。
2 改进后的网络对列车车号字符的识别
车号经过分割之后为一个个的单字符图像,采用边框扩充背景像素的方法将其归一化为32×32,如图1所示。
由图1中可以看出,待识别的字符图像质量不高,有的数字字符出现残缺、断裂或者严重变形。这都给识别任务提出了一定的挑战。
本文采集到的车号图像来自于不同型号的货运列车。从中选取400幅图像作为训练集,另外选取400幅图像作为测试集。用上一节提出的Le Net⁃5.1网络进行训练,误分类率曲线如图2所示。可以看出,在Le Net⁃5.1训练过程中,训练MCR(Misclassification Rate)和测试MCR的变化过程相对稳定,验证了改进后网络结构的合理性。在经过16次的迭代之后,测试MCR降至最低(5.75%),之后基本保持稳定,即16次迭代之后,网络达到了当前的最佳训练效果,达到了收敛状态。这时,训练MCR为0.5%,测试MCR是5.75%。
而针对相同的数据,采用原始的Le Net⁃5进行训练和测试后,误分类率如图3所示。从图3中可以看出,Le Net⁃5经过了18次的迭代后,测试MCR才达到相对稳定的状态,降至6%,最终的训练MCR为1%。相比之下,经过简化和改进的Le Net⁃5.1,由于改进了原始的Le Net⁃5中专门为手写字符识别任务而特殊设计的一些预处理及函数选择等固定模式,并且精简了网络结构,使得Le Net⁃5.1在列车车号的识别方面具有了更快的训练速度和收敛速度,另外,最终达到的准确度也有所提升。
在证明了改进后的Le Net⁃5.1网络的合理性之后,增加训练图像的规模,采用10 000幅车号数字字符图像用来训练,5 000幅用来测试。为了与其他方法进行比较,采用相同的训练数据对车号识别中常用的三层BP网络进行训练和测试,这里采用的BP网络隐含层节点数量为450,学习速率采用0.01。实验结果比较如表1所示。从表1可以看出,改进后的Le Net⁃5.1网络的识别率比BP网络的识别率高出4.62个百分点,在识别速度方面,Le Net⁃5.1也明显优于传统的BP神经网络。
3 针对车型号字母识别而改进的神经网络及其结果
货运列车车号的组成是由车型号与车号共同组成的,因此还需要对车型号进行识别,车型号中除了有阿拉伯数字字符之外,还有很多表示车种及车厢材质等属性的英文字母,这些英文字母同样采用卷积神经网络来识别。由于车型号很多,初期针对若干常用型号的列车进行识别,以测试网络的性能,后期对全车型进行识别。
3.1 常用列车车型的识别
在试运行阶段主要识别的车型局限于7种主要的车型:C64K,C64H,C70A,C70E,C80,C62AK和C62BK。由于车种都为敞篷车(第一个大写字母C),主要对后面代表该车型载重量的两位数字以及最后代表车厢材质等属性的字母进行识别。考虑到车型号字符串的固定模式,如图4所示,可以分别建立两个不同的卷积神经网络分别用来识别数字和字母,由于之前已经解决了数字的识别问题,接下来主要进行字母的识别。要识别的代表车厢材质的字母共有6个:K,H,A,E,A和B,为了尽可能的避免因字母分割问题而导致的识别错误,把AK和BK分别作为一个整体来识别,那么需要识别的字符组合变为:K,H,A,E,AK和BK。由于识别种类的减少,可以对网络模型Le Net⁃5.1进行相应的简化,命名该模型为Le Net⁃5.2。
Le Net⁃5.2是在Le Net⁃5.1的基础上进行改动而得到的:
(1)卷积层C1的特征图由6个减少为4个,相应地,S2层的特征图也由6个减少为4个。
(2)卷积层C3的特征图由16个减少为11个,相应地,S4层的特征图也由16个减少为11个。
(3)卷积层C5的特征图个数由120个减少为80个。
(4)输出分类的数目由10个减少为6个。
另外,卷积层C3层与次抽样层S2层的连接情况如表2所示。
表2的连接方式采用与表1相同的思想,每一列都说明了C3层中的一个特征图是由S2中的那几个特征图结合而成。卷积层C3中第0个至第5个特征图分别与次抽样层S2中的两个特征图相连接,一共6种组合。C3中的这6个特征图负责抽取上一层中某两个特征图所潜在的特征。C3层中第6个至第9个特征图中每个特征图分别对应上一层中的3个特征图的组合,而C3层中最后一个特征图则与上一层中所有的特征图相连接。这样卷积层C3中的特征图就包含了次抽样层S2中多个特征图的所有组合,这样使得卷积层C3抽取到的特征比S2层更抽象、更高级,同时,相对于输入数据,C3层相比S2层具有更好的对位移、扭曲等特征的不变性。
相比Le Net⁃5.1,Le Net⁃5.2将网络层中的特征图数量做了相应的削减,减少了网络中可训练参数的数量。
实验数据来自以上提到的7类常用车型。经过前面过程的定位和分割之后,将分割之后代表车厢材质等属性的字母图像收集起来。本实验中,共收集到6种代表不同车厢材质属性的字母共800幅,其中400幅用作训练数据,另外400幅用作测试数据。
图5为Le Net⁃5.2使用以上数据训练过程中得到的MCR曲线图。由图5中可以看出,在经过13次迭代之后,测试MCR达到最低的3.25%,并且在随后的迭代过程中基本保持稳定,而对应的训练MCR为0.75%。
3.2 全车型识别
经过对铁道行业标准《铁路货车车种车型车号编码》(TB2435⁃93)里面包含的所有车型号进行统计,除了10个阿拉伯数字外,包括了除O,R,V,Z四个字母外所有的大写英文字母,总共有32类字符。
针对车型号的识别需求,本文在Le Net⁃5.1的基础上提出了一种新的网络模型,称之为Le Net⁃5.3。与Le Net⁃5.2相反,Le Net⁃5.3是在Le Net⁃5.1的基础上对网络中各层的特征图数量进行扩充:
(1)卷积层C1的特征图由6个增加至8个,相应地,S2层的特征图也由6个增加至8个。
(2)卷积层C3的特征图由16个增加至24个,相应地,S4层的特征图也由16个增加至24个。
(3)卷积层C5的特征图个数由120个增加至240个。
(4)输出层神经元的个数由10个增加至32个。
其中卷积层C3层与次抽样层S2层的连接情况参考Le Net⁃5.2所采用的原则,使卷积层C3中的特征图包含次抽样层S2中多个特征图的主要组合。
与Le Net⁃5.1相比,Le Net⁃5.3需要有更多的输出类别,各层的特征图数量也做了相应的增加,以增加整个网络的识别性能。为了验证改进后的Le Net⁃5.3的性能,收集了大量真实列车车厢图片,经过车号定位和分割之后,将单个的数字字符或者大写字母字符图像尺寸依次归一化为32×32,分别建立训练图像库和测试图像库。
由于Le Net⁃5.1各层的特征图数量多,因此该网络涉及到的可训练参数也大大增加,这也意味着需要更多的数据样本用于网络训练。若训练集和测试集规模依然采用跟前面实验中一样的各400幅,训练过程中的误分类率曲线如图6所示,图6中的曲线变化非常不稳定,波动较大。测试MCR达到最低点后又突然升高,不能获得稳定的分类结果,训练过程无法收敛。
网络训练过程中无法收敛的主要原因在于相比网络中过多的需要训练确定的权值,数据集规模过小,已然不能满足学习的要求。从特征图角度来看,网络无法通过不充足的训练样本学习到稳定而有效的特征图组合,从而导致了网络不收敛。要解决这个问题需要加大测试样本的数量。
为了训练和测试Le Net⁃5.3,对数据集进行了扩充:训练图像库包含字符图像4 000幅,测试图像库包含字符图像2 000幅。训练过程中的误分类率曲线如图7所示。从图7中可以看出,经过32次迭代之后网络趋于收敛,并且达到了较好的识别率。
4 结语
本文针对货运列车车号识别的难题,提出了基于卷积神经网络Le Net⁃5改进后的识别方法,主要对卷积神经网络中各层特征图数量及大小进行了改进。且与传统的BP网络进行了比较,从实验结果可以看出,改进后的卷积神经网络无论在鲁棒性还是识别率以及识别速度上都优于BP网络,可以很好地胜任列车车号识别任务。
摘要：针对货运列车车号字符识别,提出了基于卷积神经网络Le Net-5的改进识别方法,考虑到卷积神经网络的层次化以及局部领域等结构特点,对网络中各层特征图的数量及大小等参数进行相应的改进,形成了适用于货运车号识别的新网络模型。实验结果表明,该方法对车号的断裂、污损等问题的解决有较强的鲁棒性,达到了较高的识别率,为整个车号识别系统的精确性提供了保障。
关键词：列车车号,车号识别,卷积神经网络,LeNet-5
参考文献
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