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5G技术在铁路数字化货运场站的应用研究

黄敏珍, 林晓蕾, 李国华, 李楠

黄敏珍, 林晓蕾, 李国华, 李楠. 5G技术在铁路数字化货运场站的应用研究[J]. 铁路计算机应用, 2021, 30(5): 6-9, 14.
引用本文: 黄敏珍, 林晓蕾, 李国华, 李楠. 5G技术在铁路数字化货运场站的应用研究[J]. 铁路计算机应用, 2021, 30(5): 6-9, 14.
HUANG Minzhen, LIN Xiaolei, LI Guohua, LI Nan. Research on application of 5G mobile communication in digital railway freight yard[J]. Railway Computer Application, 2021, 30(5): 6-9, 14.
Citation: HUANG Minzhen, LIN Xiaolei, LI Guohua, LI Nan. Research on application of 5G mobile communication in digital railway freight yard[J]. Railway Computer Application, 2021, 30(5): 6-9, 14.

5G技术在铁路数字化货运场站的应用研究

基金项目: 国家重点研发计划课题(2019YFB1600401);北京经纬信息技术有限公司科研项目(DZYF20-25)
详细信息
    作者简介:

    黄敏珍,高级工程师

    林晓蕾,助理研究员

  • 中图分类号: U294.1 : TP39

Research on application of 5G mobile communication in digital railway freight yard

  • 摘要: 铁路货运场站数字化过程中需要接入各种移动终端和大量物联网(IoT,Internet of Things)设备,亟待实现高速度、低时延和低功耗的网络通信。针对数字化铁路货运场站的业务需求,利用5G网络切片、5G边缘计算、D2D通信、5G网络安全等关键技术,提出铁路数字化货运场站的总体方案,探讨5G技术在作业安全监控与管理、智能装卸作业、智能货检作业、货场资源管理、物流配送和无人驾驶货物运送等场景中的应用,以期推进铁路货运场站数字化和智能化发展,提升铁路货运场站运营效率,为客户提供更加高效、便捷的现代物流服务。
    Abstract: High speed network communication with low delay and low power consumption is indisposable for connecting various types of mobile terminals and lots of IoT devices in the digitalization process of a railway freight yard. To meet various business needs of a digital railway freight yard, a general scheme of the digital railway freight yard is proposed by utilizing 5G network slicing, 5G edge computing, D2D communication, 5G network security and other key technologies. In this scheme, the application of 5G mobile networks in such scenarios as supervision and management of operation safety, intelligent freight handling operation, intelligent cargo inspection operation, freight yard resource management, logistics and distribution, and driverless convey, are explored in hope of promoting the digital and intelligent development of railway freight yard, further improving its operation efficiency, and providing the customers with more efficient and convinient modern logistics services.
  • 信号平面布置图是城市轨道交通信号系统工程设计的重要技术基础图纸,包含信号机、转辙机、计轴、应答器、车地通信设备、站台设备等设计内容。目前,信号平面布置图的设计主要靠手工完成大量数据的处理、计算及绘图,设计任务繁重,导致大量重复劳动和人为错误。另一方面,各地信号系统设计图纸的图面布局、图元表示、画法排版也不尽相同,造成信号系统设计图纸的差异化。为提高设计效率和质量,有必要进行信号平面布置图设计软件的研究与开发。

    文献[1]和文献[2]研究基于ObjectArx实现AutoCAD二次开发成图方法,但需安装AutoCAD环境,通过输入命令完成制图;文献[3]和文献[4]研究通过AutoCAD二次开发轨道交通平面信号布置图绘制应用,但其底层数据仅支持信号布置图自动绘制,未考虑其它扩展功能。

    在充分调研的基础上,系统、全面地分析信号平面布置图设计软件的相关需求,提出信号平面布置图参数化设计软件(简称:设计软件)方案,所开发的设计软件已应用于多条城市轨道交通线路的信号系统工程设计项目。

    设计软件的主要用户是城市轨道交通信号工程参建单位的设计人员。除了满足信号平面布置图自动绘制的基本要求,设计软件需充分考虑兼容性,采用参数化设计方法,适用于不同信号系统方案的设计,兼容国内各地不同图元、图例、图幅布局要求,可脱离AutoCAD环境实现对DWG文件的读写操作[5];设计软件具有较强的可扩展性,其数据组织与存储设计应考虑对信号设备配线图、电缆径路图、联锁表图、工程量自动生成等后续扩展功能开发的支持[6];应具有适用性和易用性,符合信号平面设计图的一般设计流程,降低设计人员使用该设计软件的学习难度。

    信号平面布置图是有关信号设备在线路平面上设置情况的图纸,是信号联锁关系、电缆径路、工程数量设计的基础。如图1所示,设计人员根据线路、行车、轨道、车辆、限界等前序专业资料,包括线路平纵断面、线路最高限速及站台限速、运营临时限速、车辆限速参数、道岔参数、曲线超高资料、限界警冲标等数据,进行牵引计算和列车运行模拟后,对联锁区进行划分,再依据信号设备布置规则,在合适位置上设置各类信号设备,绘制出信号平面布置图。

    图  1  信号平面布置图所需的前序专业相关资料

    信号相关的行车设备均应纳入信号平面布置图,便于地铁设计、施工、维护及相关人员使用;信号平面布置图包含的主要图元类型见图2所示。

    图  2  信号平面布置图的主要图元类型

    收集整理国内各地轨道交通信号图纸资料和数据,对各地信号系统工程图纸绘制要求进行研究分析,信号平面布置图设计软件的需求概要说明见表1

    表  1  信号平面布置图设计软件的需求概要说明
    类目需求内容
    功能需求软件数据输入快捷简便具有友好的数据输入交互方式
    数据正确性验证功能可对输入数据进行正确性校验
    兼容不同的信号系统方案CBTC系统方案
    点式ATC方案
    联锁系统方案
    兼容不同的图元图例可选择不同的备选标准化模板
    信号机、转辙机等轨旁设备图元可一键切换
    图幅布局、角标等可一键设置
    线路配线绘制可设置不同的车站配线形式
    信号设备布置
    根据不同的配线形式绘制线路
    根据信号机布置规则进行布置
    根据转辙机布置规则进行布置
    根据计轴布置规则自动布置
    ……
    可对设备布置进行增删
    改查操作
    增加相关设备图元
    删除相关设备图元
    修改相关设备图元
    查询相关设备图元
    自动生成CAD图纸可自动生成满足设计需求的CAD图纸
    非功能需求性能需求快速出图
    安全设施需求内部使用
    安全性需求注册验证方式
    扩展性需求预留配线图设计功能的开发条件
    预留电缆径路图设计功能的开发条件
    预留联锁表设计功能的开发条件
    预留工程量统计功能的开发条件
    可移植性需求兼容不同操作系统使用
    采用模块化设计,易维护
    软硬件或其它外部
    系统接口需求
    用户界面易学易用,提供图形化交互式用户界面和友好的操作提示
    硬件配置硬件配置要求适中
    接口需求可导出设备相关数据
    可导入设备相关数据
    兼容性要求无需安装AutoCAD环境
    兼容不同版本AutoCAD软件
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    设计软件主要通过信号平面布置图自动生成模块和信号平面布置图自动绘制模块2个功能模块完成信号平面布置图的设计,其具体操作流程见图3所示。

    图  3  信号平面布置图设计软件的操作流程示意

    (1)设计人员整理前序专业接口数据形成前序专业数据库,对其进行规范化处理,建立工程概况数据库,作为设计软件的基础数据源。

    (2)调研人员对收集到的国内各地图幅、图例、图元种类进行数据化处理,建立图幅/图例数据库和图形数据库。

    (3)设计人员抽取典型信号工程设计方案(例如CBTC、点式ATP、联锁信号系统)的设计要素,定义为各种类型的参数化模板,并在参数化模板数据库中进行配置,作为设计软件的设计构件。

    (4)设计人员对图幅/图例数据库和图形数据库中各类图元进行属性特征抽取,建立各种类型的参数化模板,作为设计软件的设计构件。

    (5)信号平面布置图自动生成模块根据具体信号系统工程设计项目的工程概况数据库、参数化模板数据库、图幅/图例数据库及图形数据库,基于信号平面布置图自动生成算法创建该项目信号平面布置图的所有图元对象,并将其存储在信号对象数据库中。

    (6)设计人员调用信号平面布置图自动绘制模块,从信号对象数据库中提取指定的信号系统工程设计项目所对应的所有图元对象实体数据,自动生成该项目信号平面布置图的DWG格式文件,可选择将信号平面布置图导出为不同版本的DWG格式文件。

    信号专业设计人员从建筑、线路、轨道和车辆等前序专业获取相关资料和数据,利用标准模板完成数据的规范化处理[7]。设计软件的数据库设计包括工程概况数据库、参数化模板数据库、图幅/图例数据库、图形数据库和信号对象数据库。

    (1)工程概况数据库:存储描述信号设计工程概况的相关基础数据,包括工程名称、各车站配线形式、车站名称、车站里程、车辆编组、道岔参数、工程名称等。设计软件通过前序专业提供的相关资料进行规范化处理后,建立工程概况数据库。

    (2)参数化模板数据库:参数化模板数据库是参数化设计的核心,存储平面布置图的图层、线型、颜色等参数化模板数据,不同线路车站配线形式的参数化模板数据,不同信号系统方案的参数化模板数据,以及不同图形符号、编码规则的参数化模板数据。信号平面布置图的这些构成要素被抽象定义为参数化模板后,设计人员可以根据具体设计项目的要求,在交互式用户操作界面上选用合适类型的模板,通过参数设置来实现设计意图,定制生成该项目的信号平面布置图。

    (3)图幅、图例数据库:存储用于生成图纸布局的大小、位置、角标、坐标、图例说明等布局个性化设置数据。对调研收集到的国内各地信号平面布置图的图幅、图例等进行规范化处理, 建立图幅、图例数据库,对其属性特征进行抽象,建立参数化模板。

    (4)图形数据库:调研人员收集国内信号平面布置图中要素的各种图形种类,进行规范化处理后,建立存储信号平面布置图所需的各种信号设备图元数据(如信号机、转辙机、计轴、应答器等)及其它类别图元(如列车运行方向、警冲标、防淹门等)数据的图形数据库;图形数据库中存储的图元种类应可满足国内各地信号平面布置图的图形样式设计要求;在此基础上,将图形数据库中各种图元的属性特征进行抽象,定义为各种类型的参数化图元模板。

    (5)信号对象数据库:存储信号平面布置图设计软件运行过程中生成的所有信号对象数据,包括信号对象ID、类型、位置、属性及其它扩展数据;信号对象数据库是软件和设计人员对图元进行增删改查操作的基础,保存设备属性和设备间连接关系。

    各类图元的形状虽存在较大差异,但有些属性和操作是相同的,如名称、颜色、坐标等基本属性,以及显示、移动、缩放等基本操作。

    以信号机为例,说明图元类型定义与实例化方法,信号机类的属性定义见表2。在设计软件中,任何一个信号机对象都是通过信号机类实例化得到的,具有表2的基本属性定义。图形数据库中存储有多种信号机类的块定义,信号机类的实例化通过块参照操作来实现。设计软件自动为一个信号机类的实例化对象分配一个唯一标识ObjectId,完成该信号机对象的属性赋值后,将其存储到信号对象数据库中,通过ObjectId或信号机名称检索该信号机对象实体,对其进行增、删、改操作。

    表  2  信号机类的属性定义
    定义说明
    ObjectId对象ID
    position3d信号机在视图中的位置
    signalType信号机类型
    signalName信号机名称
    signalNameId信号机名称的ID
    signalNumber信号机编号
    stationNumber信号机所归属的车站编号
    realPosition3d信号机在轨旁的位置
    Track信号机内方区段
    signalOrientation信号机方向
    callOn引导功能
    CBTCorNonCBTC是否为CBTC
    pointToBeLocked保护区段锁闭的道岔
    下载: 导出CSV 
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    设计软件采用开放设计联盟(Open Design Alliance)提供的函数库进行开发。该函数库的数据结构与AutoCAD的数据结构一致,可脱离AutoCAD环境实现DWG文件的解析,支持直接创建和读写不同版本DWG格式文件。

    DWG文件解析后可视为一个数据库[8],该数据库包括命名对象字典、块表、层表、字体样式表、标注样式表、线型表、视口表、UCS表、注册应用表等对象实体,其结构如图4所示。

    图  4  DWG文件的对象结构示意

    图幅/图例数据库、图形数据库在创建和完成配置后,调用该函数库可保存为DWG文件;所保存的DWG文件,调用该函数库读入后,解析为设计软件的内部数据;再调用该函数库加载绘图模块,创建绘图驱动器,即可在界面上显示图形。

    参数化模板数据库是在工程概况数据库、图幅/图例数据库、图形数据库的基础上,通过参数化设计方法创建的信号平面图设计构件的集合。参数化设计将图元、典型信号设计方案、设计规则等信号平面设计图的构成要素抽象为各种类型的参数化数据模板:

    (1)对于工程概况数据库,主要将不同线路车站配线形式进行参数化处理,定义为不同类型的车站配线数据模板;

    (2)对于图幅/图例数据库,主要将图纸大小、图纸布局、图例形式等进行参数化处理,定义为不同类型的图幅、图例数据模板;

    (3)对于图形数据库,主要各种不同种类设备的图元进行参数化处理,定义为不同类型的图元数据模板;

    (4)对于信号系统典型设计方案、设备编码规则、联锁区划分规则等,抽取其结构特征进行参数化处理,定义为不同类型的设计方案和设计规则数据模板。

    采用参数化设计,设计人员可根据设计项目的具体设计要求,在参数化模板数据库中选用合适类型的数据模板,通过对数据模板的参照和实例化设置,快速实现设计意图,生成定制的信号平面布置图。

    从数据处理的角度,信号平面布置图自动生成即为信号对象数据库构建的过程。信号平面布置图自动生成算法主要是生成所有信号设备图元的图形显示信息及设备属性信息:按照信号设备布置规则,生成信号设备图元类实例,为其分配唯一标识Objcet Id,设置该图元在视图中的位置、列车运行方向方向、缩放比例、颜色等图形显示信息;设置信号设备图元在信号平面图中的轨旁编号、位置、列车运行方向、功能参数、设备间关系等轨旁设备属性信息。

    将信号设备图元的图形显示属性数据与设备属性数据分离,同时将不同的设备编码规则、图形符号、典型信号系统设计方案定义为参数化模板。按照信号设备布置规则、联锁区划分规则[9],在构建完数据库后,设计软件自动计算信号平面布置图中各图元的布置信息及图元之间的关系,完成信号对象数据库的构建。信号平面布置图自动生成算法流程如图5所示。

    图  5  信号平面布置图自动生成算法流程

    (1)信号设计人员按规范整理录入工程概况数据,根据设计要求,选用合适的参数化模板,并进行参数设置。

    (2)设计软件根据用户设置的参数,按照信号平面图设计规则,自动计算生成信号设备布置数据,建立信号对象数据库。

    (3)设计人员根据用户设计要求,进行交互式设计图修改,直到满足设计要求。

    (4)将生成的信号平面图导出为指定版本的DWG文件。

    基于设计软件现有数据基础,后续可进一步开发以下扩展功能:

    (1)信号平面布置图的所有图元均储存在对象数据库中,通过ObjectId或设备名称可检索所有图元,据此可开发工程数量统计功能;

    (2)信号平面布置图是联锁表生成的基础,依据计算机联锁表技术条件等规范,可开发联锁表自动生成功能;

    (3)配线图数据中包含有设备之间的配线关系,可开发配线图自动生成功能;

    (4)信号平面布置图包含设备间逻辑位置关系,是电缆径路图设计的基础,可开发电缆径路图自动生成功能。

    设计软件采用微软Visio Studio 2010集成开发环境进行开发,编程语言为C#,基于.Net的Panel实现交互式设计的用户操作界面,如图6所示。

    图  6  设计软件主操作界面

    设计软件的数据输入和输出为Excel和DWG格式文件,无需安装AutoCAD环境即可实现DWG格式文件的创建和读写,生成的信号平面布置图可导出保存为多个版本的DWG格式文件。

    目前,设计软件已应用于洛阳市轨道交通2号线、郑州机场至许昌市域铁路等多个工程项目的正线信号室外平面布置图设计,可满足不同信号系统工程的设计要求,自动化程度达到预期。

    全面调查分析信号平面布置图设计软件的用户需求,研究开发了信号平面布置图参数化设计软件,可兼容不同设备编码规则、图形符号等,将信号平面布置图的多种构成要素定义为可配置的参数化模板,通过对模板的参照和实例化设置来实现设计意图。该设计软件提供图形化交互式用户操作界面,易学易用,无需安装AutoCAD环境,设计结果可导出保存为不同版本DWG格式文件,设计过程自动化程度较高,可显著提高设计效率和设计质量,加快信号系统工程项目的设计进度,在适用性、兼容性、可维护性、可扩展性方面均具有一定优势。

    今后将结合更多信号系统工程项目的应用,继续优化和完善设计软件,逐步推进扩展功能开发。

  • 图  1   5G移动通信网络+铁路数字化货运场站总体架构

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  • 期刊类型引用(3)

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-29
  • 刊出日期:  2021-05-24

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