Realistic management information system for train technical operation time at station
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摘要: 研究列车在站技术作业时间查定与管理现状，立足实践，设计列车在站技术作业时间写实管理信息系统。基于现有的铁路技术作业相关流程及查定模式和C/S模式，采用面向对象的系统设计方法，提出“ 1主1辅3层次4应用”的系统总体结构与分层结构，详细设计了数据获取、数据汇总与处理、数据统计与分析等功能，阐述数据结构设计、分布式数据查询优化等系统关键问题的解决方法。该系统可解决部分列车习惯性晚点的问题，在一定程度上提升列车运行的正点率。Abstract: This paper studied the current situation of the determination and management of train technical operation time at the station, and designed a realistic management information system for train technical operation time at the station based on practice.Based on the existing railway technical operation related processes, determination mode and C/S mode, the overall structure and hierarchical structure of"1 main, 1 auxiliary, 3 levels and 4 applications system were proposed by using object-oriented system design method.In this paper, functions of data acquisition, data aggregation and processing, data statistics and analysis were designed in detail, the key problems of the system such as data structure design and distributed data query optimization were discussed.The design of this system can solve the problem of habitual delays of some trains, improve the punctuality rate of train operation to a certain extent.
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Keywords:
- train /
- technical operations /
- time standard /
- data management /
- system design
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近年来，我国动车组列车发展迅速，取得了举世瞩目的成绩，行驶速度不断刷新世界记录。随着《中长期铁路网规划》的颁布，我国高速铁路的总里程将达到4万 km，彰显出高速铁路在我国基础交通设施中的重要地位。随着民众生活水平的不断改进，出行方式也愈加多样化，加快了我国高速铁路的发展进程。高速铁路凭借其速度快、服务好、安全舒适等优势深受民众青睐。国内铁路客运量持续提升，应此需求，我国于2019年将“复兴号”17辆编组投入商业化运营。列车总长达440 m，最大可承载乘客数达1283人次。从我国传统电力动车组到当前正在商业运营的“复兴号”动车组，基本都采用8辆或16辆编组设计[1]。使用多功能车辆总线（MVB，Multifunction Vehicle Bus）[2]与绞线式列车总线（WTB，Wire Train Bus）[3]组成通信网络。本文研究“复兴号”17辆编组动车组列车总线网段的扩展方案，并测试“复兴号”17辆编组动车组列车的网络控制系统MVB及WTB通信质量。
1 17编组网段扩展设计方案
1.1 MVB网段扩展测试设计方案
目前，“复兴号”16辆编组动车组每4辆车为1个牵引单元[4]，本文在第1个牵引单元内增加1辆车的线路及设备，验证MVB通信网络质量[5]和信号传输状况，并测试5辆车编组构成的MVB牵引单元网段实现的可能性。牵引单元网段扩展前后的网络拓扑结构，如图1、图2所示。
MVB网段扩展具体方案为：
（1）以1～4车牵引单元作为测试单元，在3车和4车间桥接一辆车辆总线（含设备）作为扩充网段；
（2）把原5车的中继器（REP）接入到3车和4车之间，原4车网段变更为5车网段，新接入的网段为4车网段；
（3）新的4车网段需要挂载相应设备来模拟真实的网络环境，为保证设备地址不发生冲突，对部分设备进行断电处理。新接入设备包括制动控制单元、牵引控制单元和轴温报警装置；
（4）通电后，完成所有系统设备初始化，把分析设备接入1车驾驶室等位置，进行MVB网络通信质量测试；
（5）由于MVB网段设计线路冗余，单线模式中并未出现帧丢失、错误帧等情况。
1.2 WTB网段扩展测试设计方案
把当前“复兴号”16辆编组动车组列车总线长度加长60 m，同时监测列车总线信号传输状况；在此基础上，测试拓展后的“复兴号”17辆编组动车组列车总线的通信网络情况与信号减弱过程。WTB网段扩展拓扑结构，如图3所示。
WTB网段扩展具体方案为：
（1）在1车WTB节点处外接约60 m长的WTB，并按原接口接入1车网关节点（1CCU2-GW）；
（2）在1车网关1（1CCU1-GW）和网关2（1CCU2-GW）间接入WTB分析仪；
（3）在1车网关2和WTB分析仪间接入示波器，显示WTB上各个网关节点的信号减弱程度。
2 17编组网段扩展测试
2.1 MVB网段扩展测试
2.1.1 扩展网段A线通信质量测试
MVB分析仪接入新增中继器的MVB接口处，将分析仪的线路模式设为A线，获得连接在通信网络中所有设备的状态帧状态。
利用MVB分析仪测试约200 s的总线数据帧，对数据进行过滤，查看通信质量。测试结果显示，连接在通信网络中所有设备的状态帧未出现异常，同时，分析仪未检测出错误帧、不合理帧丢失等情况。MVB网段扩展A线通信质量统计，如图4所示。
2.1.2 扩展网段B线通信质量测试
因MVB总线采用A、B线冗余模式[6]，不需要更换连接方式，将分析仪的线路模式设为B线，获得连接在通信网络中所有设备的状态帧状态[7]。
利用MVB分析仪测试约200 s的总线数据帧，对数据进行过滤，查看通信质量。测试结果显示，连接在通信网络中所有设备的状态帧未出现异常，同时，分析仪检测未出现错误帧、不合理帧丢失等情况。MVB网段扩展B线通信质量统计，如图5所示。
2.1.3 MVB网段扩展测试结论
在“复兴号”16辆编组动车组网络拓扑结构基础上，在1~4车牵引单元中增加1辆车，前5辆车为一个牵引单元，经过实验验证，通信质量未受影响，未出现错误帧、异常丢帧问题，测试结果满足IEC—61375标准，因此，MVB网段由4辆车增加为5辆车可行。
2.2 WTB网段扩展测试
2.2.1 16辆编组WTB网段测试
车辆总线扩展前，在“复兴号”的司机室接入分析仪，监测4辆车编组牵引单元信号减弱情况，用于与扩展后的网段做对比。
如图6所示，对于16辆编组，此时WTB网段数据帧信号最小峰值约为±2.71 V。按照1车、8车、9车和16车网关从左到右的数据帧信号情况，WTB总线各网关节点信号随距离增长而减弱。
如图7所示，对于16辆编组，此时WTB网段数据帧信号最大峰值约为±4.98 V。按照1车、8车、9车和16车网关从左到右的数据帧情况，WTB总线各网关节点信号随距离增长而减弱。
2.2.2 扩展后的17辆编组WTB网段测试
本文在“复兴号”16辆编组动车组基础上，扩展17辆编组动车组WTB总线，在1车网关节点接入示波器，监测WTB网段扩展后4个牵引单元信号减弱情况，并与扩展前的WTB网段信号减弱程度做对比。WTB总线采用A、B线冗余设计，连接器及总线均具备冗余功能，测试时不需要进行接口变更，设置示波器线路可分别监控。
（1）WTB网络A线扩展测试
如图8所示，WTB网络A线上的数据帧信号最小峰值约为±2.49 V，此时WTB网段A线数据帧信号最小峰值约是±2.71 V，信号减弱极值约为±0.2 V，从左到右依次为1车、8车、9车、16车网关数据帧发送情况。
如图9所示，WTB网络A线上的数据帧信号最大峰值约为±4.79 V，此时WTB网段A线数据帧信号最大峰值约为±4.98 V，信号减弱极值约为±0.2 V，从左到右依次为1车、8车、9车、16车网关数据帧发送情况。
（2）WTB网络B线扩展测试
如图10所示，WTB网络B线上的数据帧信号最小峰值约为±2.50 V，此时WTB网段B线数据帧信号最小峰值约为±2.71 V，信号减弱极值约为±0.2 V，从左到右依次为1车、8车、9车、16车网关数据帧发送情况。
如图11所示，WTB网络B线上的数据帧信号最大峰值约为±4.89 V，此时WTB网段B线数据帧信号最大峰值约为±4.98 V，信号减弱极值约为±0.1 V，从左到右依次为1车、8车、9车、16车网关数据帧发送情况。
2.2.3 WTB网段扩展测试结论
在16辆编组动车组基础上扩展为17辆编组动车组WTB总线时，WTB数据帧信号幅值减弱较小，满足IEC—61375标准要求，WTB网络通信正常，具备将16辆编组的WTB网段扩展为17辆编组的WTB网段的能力[8]。
3 结束语
本文在16辆编组动车组MVB及WTB网段基础上进行了17辆编组的网段扩展测试，测试结果均符合IEC—61375及GB/T—28029相关标准，数据帧信号的减弱及通信质量均正常，理论上可以满足将16辆编组动车组扩充至17辆编组动车组的网络系统设计要求。但在实验过程中所有动车组均停靠在站台，处于采用蓄电池供电的工况，因此动车组在实际运用中可能受到多设备同时在线、长大交路运营、电磁干扰及外界环境等影响，测试结果会存在一定误差，所以编组扩充需在动车组实际运用考核中进一步验证。
动车组编组扩展在满足站台长度、检修库长度、总线长度要求的情况下，可显著提升客运动车组的载客量。网络系统总线网段的扩展，使动车组编组形式更加灵活多样，增加动车组附加价值，提高利用率。
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表 1 数据汇总层级及其对象
功能层次 数据汇总对象 铁路局级 各站列车在站技术作业全过程时间数据、各站各单项技术作业时间数据 车站级 本站列车在站技术作业全过程时间数据、各单项技术作业时间数据 
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表 2 不同级别用户对应的查询范围表
用户权限信息 车站基本信息 行车基本信息 用户基本信息 单项技术作业时间写实数据 在站技术作业全过程时间数据 历史报表数据 铁路局管理员 √ √ √ √ √ √
（注：限本单位）车站管理员 √ √ √
（注：限本级及以下）√ √ √
（注：限本单位）车间（科室）用户 √ √ √
（注：限本级及以下）√
（注：限本工种）√
（注：限本单位）操作员 √
（注：限本级）√
（注：限本工种）
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表 3 不同层级的本地查询与环比查询对象
层级 本地查询对象 环比查询对象 铁路局 各站单项技术作业时间数据、各站各列车在站技术作业全过程时间数据、报表数据 车站 本站各单项技术作业时间数据、本站各列车在站技术作业全过程时间数据、报表数据 局内其它站各列车在站技术作业全过程时间数据、各单项技术作业时间数据 车间（科室）与操作员 本工种的技术作业时间数据、报表数据 局内其它车站同工种的技术作业时间数据
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表 4 不同层级单位业务报表的具体内容
层级 核心任务 具体内容 备注 铁路局 跟踪列车在局内各站的技术作业全过程时间 按车次、按同种性质列车(即同一技术作业类型)统计其(在固定时段内)在站技术作业全过程时间 按车次统计的结果能以车站为横轴、以技术作业时间平均值为纵轴生成曲线图, 按列车性质统计的结果能以车站为横轴、以技术作业时间平均值为纵轴生成柱状图, 以便管理员更加直观的参考 车站 (1)统计分析该站各工种的技术作业时间;
(2)统计分析该站各列车在站车技术作业全过程时间(1)统计各工种(在固定时段内)技术作业时间的平均值、方差;
(2)按车次、性质统计各列车在站技术作业全过程时间的平均值、方差平均值用于衡量技术作业的水平, 方差用于评价技术作业的稳定性。 车间（科室） 统计分析该工种技术作业时分 按员工(工号)、车次统计(在固定时段内)平均值、中位值、极值、方差 按工号统计的结果可生成柱状图、按车次统计的结果可生成曲线图, 以便管理员更加直观地对员工作业质量进行评估。
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