0 引言

    魚雷罐的主要作用是運(yùn)輸鐵水, 對(duì)煉鐵,、煉鋼的生產(chǎn)起著銜接-匹配和協(xié)調(diào)-緩沖的作用^[1],，是鐵水運(yùn)輸工作中的重要工具。鋼鐵企業(yè)鐵水運(yùn)輸工作流程包括從高爐出鐵直至鐵水運(yùn)往煉鋼廠翻完罐,，空罐被運(yùn)回高爐等待出鐵水為止的全過程,，需要鐵水運(yùn)輸調(diào)度能夠及時(shí)響應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行的瞬息變化。然而鐵水調(diào)度工作因其工作強(qiáng)度異常大,、所需掌控信息量繁多,、業(yè)務(wù)流程復(fù)雜、生產(chǎn)波動(dòng)性大等原因,，一直是許多鋼廠信息化工作的難點(diǎn),，特別是對(duì)魚雷罐的實(shí)時(shí)跟蹤問題，更是難點(diǎn)中的重點(diǎn)^[2],。目前,，國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)車及車輛的準(zhǔn)確跟蹤定位主要有兩種方案，一是通過地面物流信息系統(tǒng)推斷車輛位置,，該方案需要大量人工干預(yù),，成本較低，但是無法準(zhǔn)確定位車輛位置,，對(duì)摘掛鉤數(shù)量出現(xiàn)錯(cuò)誤不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),；二是通過在地面軌道鋪設(shè)大量的無源標(biāo)簽，在每節(jié)車輛上安裝標(biāo)簽閱讀器及無線通信設(shè)備,，該方案雖然能較準(zhǔn)確地定位車輛的位置,，但造價(jià)成本極其高昂，只有在小型的企業(yè)鐵路站才有可能使用這種跟蹤定位方案,，無法進(jìn)行大規(guī)模推廣,。

    某鋼鐵企業(yè)魚雷罐車調(diào)度運(yùn)輸?shù)母鞣N過程數(shù)據(jù)信息分散于各個(gè)系統(tǒng)中，相關(guān)各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,，需要專業(yè)的魚雷罐跟蹤定位系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有信息進(jìn)行有效整合,，現(xiàn)有的鐵路物流跟蹤管理系統(tǒng)大部分是靠人工完成,，機(jī)車的位置通過GPS定位，而每個(gè)魚雷罐罐體是無源個(gè)體,，導(dǎo)致魚雷罐的位置和摘掛情況不明確,，不利于提高魚雷罐周轉(zhuǎn)率和減少人工操作。

    針對(duì)以上問題,，本文提出了一種基于電子掛接器和車列檢測(cè)器（自研設(shè)備）的魚雷罐跟蹤算法,。通過電子掛接器和車列檢測(cè)器把魚雷罐和機(jī)車聯(lián)系在一起，并使用電子掛接器的自動(dòng)摘掛算法和點(diǎn)名上傳算法把魚雷罐的當(dāng)前摘掛情況上傳給車列檢測(cè)器,，車列檢測(cè)器進(jìn)行點(diǎn)名信息整合，并上傳到機(jī)車內(nèi)信息平臺(tái),，機(jī)車信息平臺(tái)結(jié)合多次點(diǎn)名結(jié)果得到車列信息,，并定位到出故障的電子掛接器。再結(jié)合機(jī)車的位置信息,，推斷出魚雷罐的位置信息,，實(shí)現(xiàn)魚雷罐的跟蹤和摘掛故障自排查定位。使用C#的windows窗體應(yīng)用程序^[3]和MapInfo 9.5工具^[4]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)魚雷罐跟蹤系統(tǒng)仿真軟件,，以驗(yàn)證算法的正確性,，并找出算法中的不足之處加以修正，使魚雷罐自動(dòng)掛接和點(diǎn)名上傳過程更加形象地表現(xiàn)出來,。

1 算法中的物理模型和相關(guān)定義

1.1 電子感應(yīng)裝置

    電子掛接器(用字母S表示)：S是一種電子感應(yīng)裝置,，具有近距感知、遠(yuǎn)距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和廣播的射頻通信功能,，并可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)傳輸功能,。近距感知距離為0.5 m到2 m之間，遠(yuǎn)距傳輸距離大于50 m,。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,，對(duì)兩個(gè)掛接器遠(yuǎn)距模塊之間和近距模塊之間進(jìn)行通信測(cè)試，采用CRC校驗(yàn),，丟包率小于1%,。S平時(shí)處于休眠狀態(tài)，收到喚醒信號(hào)后,，轉(zhuǎn)為正常工作狀態(tài),，如果3個(gè)點(diǎn)名周期接收不到喚醒命令，就進(jìn)入休眠狀態(tài),，S進(jìn)入休眠狀態(tài)之后,，內(nèi)部保存的機(jī)車信息和掛接信息全部清空。

    車列檢測(cè)器(用字母J表示)：J也是一種電子感應(yīng)裝置,，具有遠(yuǎn)距傳輸和廣播的射頻通信功能,，它通過點(diǎn)名方式對(duì)所掛車輛進(jìn)行判斷,，自動(dòng)采集電子掛接器的掛接信息數(shù)據(jù)并最終形成一組車列信息，發(fā)給機(jī)車信息平臺(tái)以便實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車和魚雷罐的準(zhǔn)確定位,、跟蹤,。

    J和S信息傳遞過程如圖1所示。

    JCt.J表示機(jī)車t上安裝的車列檢測(cè)器編號(hào),。

    JCt.T.S表示機(jī)車t上靠近魚雷罐一端安裝的電子掛接器,。

    JCt.H.S表示機(jī)車t遠(yuǎn)離魚雷罐一端的S編號(hào)。

    CPi.H.S表示魚雷罐s上靠近機(jī)車一端安裝的S的編號(hào),。

    CPi.T.S表示魚雷罐s上遠(yuǎn)離機(jī)車一端安裝的S的編號(hào),。

    N(ij)是CPi.T.S和CPj.H.S通過近距感知方式形成的半雙工射頻通信鏈路。

    Fi是魚雷罐CPj上的CPj.H.S和CPj.T.S通過遠(yuǎn)距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形成的半雙工射頻通信鏈路,。

    其中每個(gè)魚雷罐和機(jī)車兩端的電子掛接器是完全一樣的,，只有在啟動(dòng)點(diǎn)名的時(shí)候，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸鏈路方式不同進(jìn)行標(biāo)識(shí),，把機(jī)車t靠近魚雷罐一端的S標(biāo)識(shí)為JCt.T.S,，魚雷罐j靠近機(jī)車的一端的S標(biāo)識(shí)為CPj.H.S，另一端安裝的S標(biāo)識(shí)為CPj.T.S,。一輪點(diǎn)名結(jié)束,，這些標(biāo)識(shí)清空。

1.2 算法中的相關(guān)定義

    定義1： N是近距感知通信鏈路,，N(i,，j)是CPi.T.S和CPj.H.S通過近距感知方式形成的半雙工射頻通信鏈路，感知距離為2 m,。N(i,，j)與N(j，i)指同一條鏈路,。

    定義2：F是遠(yuǎn)距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路,，F(xiàn)j是魚雷罐CPj上的CPj.H.S和CPj.T.S通過遠(yuǎn)距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形成的半雙工射頻通信鏈路，感知距離為20 m,。

    定義3：LM是在CPi.T.S的N(i,，j)和Fi出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行廣播射頻通信鏈路,，感知距離為50 m,。只用于點(diǎn)名信息的傳輸，且只有CPi.T.S具有LM,，CPi.H.S不具有,。

    定義4：CM是基于N鏈路的一種近距感知數(shù)據(jù)傳輸方式，其用于點(diǎn)名信息和掛接信息包的傳遞,。

    定義5：LS是基于F鏈路或者LM鏈路的一種遠(yuǎn)距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式,。

    定義6：Waked_info是由JCt.J通過LM發(fā)出的用于喚醒S的喚醒信號(hào),。

    定義7：Named_info是由JCt.J發(fā)出在各個(gè)S之間進(jìn)行傳遞的點(diǎn)名信息。其格式是m_n,，m表示點(diǎn)名類型,，m=1代表確認(rèn)點(diǎn)名(通過CM或LS方式傳遞的點(diǎn)名信息)，m=2代表疑似點(diǎn)名（通過LM傳遞的點(diǎn)名信息）,。n表示發(fā)出點(diǎn)名信息的J所在機(jī)車ID,。

    定義8：I是指掛接信息包，I(i,，j)是CPi.T.S經(jīng)過N(i,，j)與CPj.H.S形成的掛接信息包，存儲(chǔ)在CPi.T.S內(nèi),。與其對(duì)應(yīng)的I(j,，i)是CPj.H.S經(jīng)過N(i，j)與CPi.T.S形成的掛接信息包,，存儲(chǔ)在CPj.H.S內(nèi)。每T1時(shí)間CPi.T.S與CPj.H.S進(jìn)行一次N(i,，j)握手鏈接,，如握手成功，則CPi.T.S和CPj.H.S各自內(nèi)部形成I(i,，j)和I(j,，i)，表明CPi(魚雷罐i)和CPj（魚雷罐j）物理上掛接在一起,。CPi.T.S與CPj.H.S經(jīng)過3次握手鏈接都失敗,，則更新掛接信息包為I(i，0)和I(j,，0),，表示CPj摘鉤作業(yè)離去。

    定義9：JC_info是指S從Named_info中提取的機(jī)車信息,。其格式是m_n,，其中m代表機(jī)車類型，m=1表示確認(rèn)機(jī)車（從確認(rèn)Named_info中提取出來的機(jī)車信息）,，m=2表示疑似機(jī)車（從疑似Named_info中提取出來的機(jī)車信息）,，n表示機(jī)車ID。一個(gè)S內(nèi)部可以保存兩個(gè)機(jī)車信息,。

2 算法設(shè)計(jì)與分析

2.1 魚雷罐跟蹤算法設(shè)計(jì)

    如圖2所示,，機(jī)車開動(dòng)后，J每0.2 s遠(yuǎn)距廣播一次Waked_info,，總共發(fā)送10次,，S收到Waked_info之后,，轉(zhuǎn)為喚醒狀態(tài)，并立即通過遠(yuǎn)距廣播轉(zhuǎn)發(fā)8次Waked_info,。J發(fā)送完Waked_info之后等待6 s再發(fā)送Named_info,。S接收到點(diǎn)名信息后，根據(jù)Named_info處理算法來處理Named_info,。Named_info經(jīng)過下傳Named_info算法向列車尾部傳遞下去,，直至車尾。同時(shí)I通過上傳I算法向列車頭部傳遞到J上,，J通過對(duì)I的處理,，得到車列信息,J將車列信息上傳至機(jī)車信息平臺(tái)，至此,，一個(gè)點(diǎn)名周期結(jié)束,。機(jī)車信息平臺(tái)結(jié)合幾次點(diǎn)名結(jié)果得到最終車列信息，并定位出出故障的S,。再結(jié)合機(jī)車的位置信息,，推斷出魚雷罐的位置信息，實(shí)現(xiàn)魚雷罐的跟蹤和摘掛故障自排查定位,。

2.2 點(diǎn)名算法設(shè)計(jì)

2.2.1 Named_info處理算法

    一個(gè)S內(nèi)可以保存兩個(gè)JC_info,，記為m1_n1，m2_n2,。Named_info處理算法偽代碼如下：

    Begin（算法開始）

    輸入Named_info： p_q,；

    IF（m1_n1==0_0）則m1_n1=p_q，并下傳Named_info,，同時(shí)上傳自身的I,；End （算法結(jié)束）；

    ELSE IF(m2_n2==0_0)則m2_n2=p_q,，并下傳Named_info,，同時(shí)上傳自身的I；End（算法結(jié)束）,；

    ELSE IF（n1==q or n2==q）則下傳Named_info,，同時(shí)上傳自身的I；End （算法結(jié)束）,；

    ELSE IF(p==2)則拒絕此次點(diǎn)名,；End （算法結(jié)束）；

    ELSE IF(m1==1 and m2==1) 則拒絕該次點(diǎn)名,；End （算法結(jié)束）,；

    ELSE下傳Named_info，同時(shí)上傳自身的I,；End（算法結(jié)束）,。

2.2.2 下傳點(diǎn)名信息算法

    基本思想：當(dāng)S的N和F鏈路都正常時(shí),，Named_info被逐級(jí)向下傳遞，否則被廣播出去,。算法關(guān)鍵部分流程如圖3所示,。

    其中注意點(diǎn)是：S以廣播的形式接收到的Named_info時(shí)要保存廣播地址，以便上傳I的時(shí)候使用LS傳輸方式,。

2.2.3 上傳掛接信息包算法

    基本思想：當(dāng)S的N和F鏈路都正常時(shí),，I被逐級(jí)向上傳遞。否則通過LS將I廣播至源地址,，算法流程如圖4所示,。

2.3 算法中的關(guān)鍵點(diǎn)以及難點(diǎn)分析

    (1)當(dāng)N鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，廣播傳遞Named_info和上傳I的過程中特殊情況處理方案,。

    如圖5所示,，CPi與CPj之間的N(i，j)鏈路中斷,，CPi.T.S進(jìn)行廣播點(diǎn)名,，這樣能保證把點(diǎn)名信息繼續(xù)向下傳遞下去，CPj.H.S和CPj.T.S會(huì)收到Named_info,。但是,，CPm.H.S和CPm.T.S也會(huì)收到Named_info，若此時(shí) CPm.H.S和CPm.T.S滿足被點(diǎn)名條件,，則會(huì)接受此次廣播點(diǎn)名，下傳Named_info和上傳I(m,，0),、I(m，n),、I(n,，m)等掛接信息包，如圖6所示,。CPi.T.S不僅會(huì)收到I(j,，0)、I(j,，k),、I(k，j)等掛接信息包,還會(huì)收到I(m,，0),、I(m，n),、I(n,，m),。這些掛接信息包上傳至JCt.J，JCt.J會(huì)得到錯(cuò)誤的車列信息,。但是由于機(jī)車是一直處于向前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),，在第2輪或者第3輪點(diǎn)名過程中，CPm.H.S和CPm.T.S就不會(huì)被點(diǎn)到名,，所以要綜合多次點(diǎn)名結(jié)果來提取車列信息中的重復(fù)部分,，推算出最終的機(jī)車掛接信息隊(duì)列和是否到達(dá)車尾。

    (2)當(dāng)F鏈路出現(xiàn)故障時(shí),，廣播傳遞Named_info和I包的過程中特殊情況處理方案,。

    當(dāng)某個(gè)魚雷罐CPj的CPj.H.S和CPj.T.S之間的Fj出現(xiàn)中斷的時(shí)候，則通過N(i,，j)鏈路要求CPi的CPi.T.S進(jìn)行廣播點(diǎn)名,，接下來就與2.3.1中的處理方法一致了。

    (3)由于點(diǎn)名故障,，導(dǎo)致S內(nèi)部保存的JC_info出現(xiàn)問題的處理方案,。

    如圖4所示，當(dāng)CPm.H.S被兩次錯(cuò)誤點(diǎn)名之后,，再被其自身所在車列的機(jī)車廣播點(diǎn)名時(shí),，它就不會(huì)響應(yīng)。因?yàn)楦鶕?jù)Named_info處理算法,，其內(nèi)部保存了兩個(gè)JC_info,，不再響應(yīng)其他疑似Named_info，導(dǎo)致CPm.H.S不會(huì)被點(diǎn)名,。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí),，經(jīng)歷3次點(diǎn)名周期之后即可被解決，因?yàn)槊總€(gè)S在3個(gè)點(diǎn)名周期之內(nèi)不處理點(diǎn)名信息,，則進(jìn)入休眠狀態(tài),，內(nèi)部保存的JC_info和I(i，j)被清零,。這樣在經(jīng)過3個(gè)點(diǎn)名周期之后,，此CPm.H.S又可以重新接收Named_info了。

3 算法仿真

3.1 仿真軟件設(shè)計(jì)

    本算法仿真軟件是利用C#的Windows窗體應(yīng)用程序和MapInfo 9.5工具設(shè)計(jì)出魚雷罐跟蹤系統(tǒng)仿真軟件來進(jìn)行算法仿真,，鐵路鐵軌站場(chǎng)圖由MapInfo軟件繪制而成,，MapInfo 含義是“Mapping+Information（地圖+信息）”，即：地圖對(duì)象+屬性數(shù)據(jù)^[5],，是一種數(shù)據(jù)可視化,、信息地圖化的桌面解決方案^[6-8]。本軟件主要采用多線程技術(shù)^[9-10]來實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的互相傳遞。其系統(tǒng)功能如圖7所示,。

    算法仿真界面如圖8所示：圖中第一部分為S各個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示結(jié)果和Named_info的傳遞過程,；其中S編號(hào)的格式為r_c_t，其中r代表車輛類型,，r=1為此S安裝在魚雷罐上,，r=2為其安裝在機(jī)車上；c為S所在魚雷罐ID,，t為S接收點(diǎn)名時(shí)刻的位置編號(hào),，t=1為目前S在魚雷罐的H端，t=2為在T端,。如1_165_2號(hào)S為此S安裝在165號(hào)魚雷罐上,，目前處于魚雷罐的T端。故障信息格式為e_f,，e為故障類型,，e=1為N鏈路故障，e=2為F鏈路故障,，f為故障魚雷罐ID,。如故障信息2_165，為165號(hào)魚雷罐上的S出現(xiàn)F鏈路故障,。第二部分為系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)預(yù)留接口,，管理員可以為系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置各種值；第三部分為界面的開關(guān)控制,；第四部分為軟件的核心部分,，包括機(jī)車放置功能，機(jī)車掛接,、喚醒,、點(diǎn)名等命令發(fā)送控制；魚雷罐放置,、S障礙預(yù)設(shè)功能,。第五部分是點(diǎn)名結(jié)果實(shí)時(shí)顯示模塊,，這些點(diǎn)名結(jié)果是需要J向機(jī)車信息平臺(tái)上傳,。第六部分是機(jī)車和魚雷罐掛接過程在站場(chǎng)圖中動(dòng)態(tài)顯示部分。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 機(jī)車喚醒過程

    當(dāng)機(jī)車開動(dòng)后,，首先發(fā)起Waked_info,，Waked_info得到很快傳播，能使本列魚雷罐都處于喚醒狀態(tài),。仿真結(jié)果如圖9和圖10,，圖9是機(jī)車開動(dòng)之后JCt.J沒有發(fā)送Waked_info，各個(gè)S的狀態(tài),。圖10表示JCt.J發(fā)送完Waked_info之后,，各個(gè)S的狀態(tài),。從圖中可以看出，此時(shí)各個(gè)S的近距和遠(yuǎn)距感應(yīng)都正常,，說明每個(gè)S都已經(jīng)被喚醒,，且沒有出故障，N狀態(tài)為true時(shí),，N掛接信息即為S自身的I,，N狀態(tài)為false時(shí)， S自身的I為ID+0_000_0,；F掛接信息為參考作用,，不會(huì)上傳給車列檢測(cè)器。圖10中電子掛接器2_035_1的N狀態(tài)為false是因?yàn)榇穗娮訏旖悠魑挥跈C(jī)車車頭部位,，即不靠近魚雷罐的一端,。

3.2.2 Named_info處理過程

    如圖11和圖12中的JC_info欄所示，在不設(shè)定故障的時(shí)候,，按照Named_info處理算法,，JC_info正常處理Named_info。若接收這次點(diǎn)名就把Named_info加入JC_info里面,。

3.2.3 Named_info下傳過程

    給系統(tǒng)預(yù)設(shè)一些在實(shí)際運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的故障,，這些故障主要包括魚雷罐T端S近頻故障和遠(yuǎn)頻故障、H端S近頻故障和遠(yuǎn)頻故障,。這些故障出現(xiàn)后,，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)下傳Named_info算法和上傳I算法中的故障處理方法進(jìn)行處理。

    如圖11所示,，在不設(shè)定故障時(shí),，Named_info一步步向下傳遞。如圖12所示,，在設(shè)定故障時(shí),，提前設(shè)定1_034_1近頻感知故障， 1_165_2會(huì)出現(xiàn)N鏈路故障,，進(jìn)而廣播點(diǎn)名,，點(diǎn)名信息變成2_035，當(dāng)1_034_2收到廣播點(diǎn)名時(shí),，繼續(xù)向下傳遞Named_info,。

3.2.4 掛接信息包上傳過程

    如圖13所示，正常點(diǎn)名時(shí),，I經(jīng)過JCt.J處理顯示車列信息,，圖中表明035號(hào)機(jī)車掛接165號(hào)魚雷罐，165號(hào)魚雷罐掛接034號(hào)魚雷罐，034號(hào)魚雷罐掛接078號(hào)魚雷罐,，078號(hào)魚雷罐掛接132號(hào)魚雷,，132號(hào)魚雷罐是車尾。但是當(dāng)點(diǎn)名過程中,，與車輛所在軌道并列的軌道上放置的車輛被車尾廣播點(diǎn)名點(diǎn)到后,，傳回來的I經(jīng)過JCt.J處理顯示車列信息如圖14所示，此時(shí)應(yīng)結(jié)合多次點(diǎn)名結(jié)果來得到車列信息,。

    在點(diǎn)名的過程中設(shè)置078號(hào)魚雷罐H端S近頻感知故障,，導(dǎo)致1_078_1號(hào)電子掛接器和1_034_2號(hào)電子掛接器N鏈路故障，處理后的點(diǎn)名結(jié)果如圖15所示,。當(dāng)N鏈路出現(xiàn)故障時(shí),，得到的掛接信息包如圖16所示，得到的車列信息也可能是與魚雷罐所在軌道并列的軌道上放置的魚雷罐被車尾廣播點(diǎn)名點(diǎn)到后造成的,，所以通過幾次點(diǎn)名結(jié)果就可以推斷出車列信息,。經(jīng)過測(cè)試電子掛接器的丟包率為1%，電子掛接器的傳輸為高頻通信,，機(jī)車信息平臺(tái)處理掛接信息包的時(shí)間基本上不用考慮,，所以每個(gè)點(diǎn)名周期都是秒級(jí)的，基本上可以實(shí)現(xiàn)魚雷罐的實(shí)時(shí)跟蹤,。

4 結(jié)語

    本文結(jié)合電子掛接器和車列檢測(cè)器的各種射頻通信方式,，提出了一種魚雷罐跟蹤算法，并設(shè)計(jì)仿真軟件以驗(yàn)證算法的正確性,。本文算法不僅能得到列車信息,，還可以自動(dòng)排查、定位電子掛接器通信故障和掛摘故障,，節(jié)省了人力,，使鐵水運(yùn)輸更加方便快捷。列車員實(shí)時(shí)得到車列信息后,，可以對(duì)魚雷罐實(shí)施合理調(diào)度,，提高魚雷罐周轉(zhuǎn)率。目前該算法正在某鋼廠大力推廣使用中,，運(yùn)行穩(wěn)定,。

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