調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)車列定位技術(shù)的研究

徐慶標(biāo) 吳登陽

1 調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)概述

無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備二部分構(gòu)成。地面設(shè)備包括地面主機(jī)、調(diào)車車務(wù)終端、電務(wù)維護(hù)終端、數(shù)傳電臺和地面車列定位設(shè)備等;車載設(shè)備由車載主機(jī)、數(shù)傳電臺和車載車列定位設(shè)備等組成，車-地之間通過數(shù)傳電臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。地面主機(jī)接收計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)或TDCS/CTC信息采集設(shè)備的站場碼位信息，發(fā)送給車載主機(jī)、調(diào)車車務(wù)終端和電務(wù)維護(hù)終端，以站場圖形方式在終端顯示器和LKJ彩屏上實時顯示道岔、軌道區(qū)段、信號機(jī)和進(jìn)路狀態(tài);跟蹤并在站場平面圖上顯示作業(yè)車列的位置，顯示機(jī)車的工況、運行速度及限制速度等。車載主機(jī)接收地面主機(jī)的站場碼位信息、調(diào)車作業(yè)單、車列跟蹤計算結(jié)果和LKJ監(jiān)控裝置的機(jī)車運行信息，根據(jù)機(jī)車的運行信息和車列跟蹤計算結(jié)果，實時計算停車距離、限制速度，防止車列超速行駛、超速連掛，防止車列冒進(jìn)關(guān)閉的信號機(jī)、越過站場規(guī)定的停車點等。

無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于有調(diào)車作業(yè)的鐵路車站，有效防止了調(diào)車作業(yè)中車列越過阻擋信號機(jī)所造成的擠岔事故、超速行駛造成的沖突事故和脫軌事故，保證站內(nèi)調(diào)車作業(yè)安全。但系統(tǒng)控車所依賴的車列初始定位方法及跟蹤定位算法將直接決定系統(tǒng)對調(diào)車作業(yè)的監(jiān)控范圍、控制精度等，基于鐵路車站的技術(shù)現(xiàn)狀，并根據(jù)調(diào)車作業(yè)的特點，對各種車列定位技術(shù)進(jìn)行分析研究就顯得十分必要。

2 車列初始定位方法

調(diào)車作業(yè)機(jī)車要進(jìn)入調(diào)車監(jiān)控狀態(tài)有一個初始定位入網(wǎng)注冊過程，要求調(diào)車機(jī)車將機(jī)車號、機(jī)車所在的位置信息傳送到地面主機(jī)。機(jī)車位置信息可以通過安裝定位設(shè)備自動獲取，也可以人工輸入。

2.1 接收無線車次號系統(tǒng)的車次號信息

在TDCS系統(tǒng)全路全覆蓋的情況下，各鐵路車站均安裝了無線車次號系統(tǒng)，當(dāng)安裝有調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)車載設(shè)備的機(jī)車經(jīng)過車站出入口進(jìn)站時，無線車次號系統(tǒng)將機(jī)車的車次號等信息發(fā)送給TDCS系統(tǒng)，調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)地面設(shè)備通過與無線車次號系統(tǒng)的連接，同樣可獲取無線車次號信息，并通過車-地間的無線通信信道將車次號信息發(fā)送給車載設(shè)備，由車載設(shè)備再次將機(jī)車號、獲取車次號時的初始位置信息發(fā)送給地面主機(jī)，向地面主機(jī)申請入網(wǎng)注冊。機(jī)車入網(wǎng)注冊后，地面主機(jī)根據(jù)機(jī)車的當(dāng)前位置信息及接車進(jìn)路，跟蹤作業(yè)機(jī)車進(jìn)站，并將跟蹤結(jié)果實時地發(fā)送給車載設(shè)備。

對于沒有配備調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)車載設(shè)備的本務(wù)機(jī)車進(jìn)站停車后，可以將便攜式的車載設(shè)備擺放到位、上電工作，在本務(wù)機(jī)車由列車工作模式切換到調(diào)車工作模式時，地面主機(jī)將車列初始位置發(fā)送給車載設(shè)備，完成作業(yè)機(jī)車的入網(wǎng)注冊。

2.2 接收地面無源應(yīng)答器預(yù)存的位置信息

通過在車站的出入口安裝無源應(yīng)答器、在作業(yè)機(jī)車上安裝相應(yīng)的查詢主機(jī)和應(yīng)答器查詢天線，使作業(yè)機(jī)車以列車模式壓過無源應(yīng)答器進(jìn)站時，車載設(shè)備接收到無源應(yīng)答器預(yù)存的位置信息，向地面主機(jī)申請注冊;地面主機(jī)收到入網(wǎng)注冊申請信息后，跟蹤作業(yè)機(jī)車進(jìn)站，并實時地將作業(yè)機(jī)車所在的當(dāng)前區(qū)段號送給車載設(shè)備，由車載設(shè)備計算作業(yè)機(jī)車所在區(qū)段的具體位置。但對于工作在調(diào)車模式的機(jī)車由非集中區(qū)進(jìn)入集中區(qū)、壓過無源應(yīng)答器時，調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)無法確認(rèn)作業(yè)車列是牽引、還是推送進(jìn)入集中區(qū)的，可根據(jù)集中區(qū)和非集中區(qū)間的走行線長度、防護(hù)信號機(jī)外方軌道電路長度和狀態(tài)，設(shè)計相應(yīng)的防護(hù)方法。

2.3 解算定位點的GPS定位信息

通過預(yù)先測量各出入口定位點的GPS定位信息、并預(yù)存與定位點相對應(yīng)的位置信息，當(dāng)安裝GPS接收機(jī)的調(diào)車機(jī)經(jīng)過這些定位點時，如果GPS接收機(jī)獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過校準(zhǔn)解算后的定位信息與預(yù)先測定的數(shù)據(jù)一致，調(diào)車機(jī)車就可以將對應(yīng)于該定位點的位置信息發(fā)送給地面主機(jī)，向地面主機(jī)申請入網(wǎng)注冊?；谛l(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實現(xiàn)的作業(yè)機(jī)車初始入網(wǎng)注冊方式，無需安裝地面無源應(yīng)答器設(shè)備、無需改造站場、無室外設(shè)備維護(hù)工作。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)除提供定位點的GPS定位信息外，還可以提供連續(xù)的定位信息。可結(jié)合軌道區(qū)段絕緣節(jié)、設(shè)定的防護(hù)點等處的GPS定位信息，修正并消除由于站場碼位信息傳輸時延、輪滑、空轉(zhuǎn)等造成的誤差，以提高系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)軌道電路故障影響進(jìn)路跟蹤定位時，可借助車載設(shè)備提供的故障處GPS定位信息，及時修正車列前端的位置，以提高系統(tǒng)的可用性。

2.4 人工輸入車列初始位置信息

當(dāng)調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)無法通過自動獲取車列初始位置信息申請入網(wǎng)注冊時，系統(tǒng)提供了在車載設(shè)備由司機(jī)輸入車列初始位置信息、地面操作人員進(jìn)行人工確認(rèn)的入網(wǎng)注冊方式。

根據(jù)以上4種獲取作業(yè)車列初始位置信息申請入網(wǎng)注冊方式的分析，在作業(yè)站場內(nèi)，衛(wèi)星可見度滿足定位要求的前提下，調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用通過無線車次號系統(tǒng)和GPS定位信息2種入網(wǎng)注冊方式，并保留人工輸入入網(wǎng)注冊方式。一方面充分利用了TDCS系統(tǒng)現(xiàn)有的信息資源，并由GPS定位信息入網(wǎng)注冊方式做冗余備份，確保自動入網(wǎng)注冊成功;另一方面，采用GPS定位信息入網(wǎng)注冊方式，除了能提高系統(tǒng)控制精度和可用性，還可以使系統(tǒng)在作業(yè)站場內(nèi)的任何地方具備“人工輸入”入網(wǎng)注冊功能;另外，采用GPS定位入網(wǎng)注冊方式優(yōu)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可降低工程施工的復(fù)雜度，減少了系統(tǒng)的后期維護(hù)費用。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)資源日益豐富，衛(wèi)星導(dǎo)航定位的可用性、定位的精度也將會得到進(jìn)一步的提高。

3 進(jìn)路跟蹤

列車從站外進(jìn)站或車列在咽喉區(qū)進(jìn)行調(diào)車作業(yè)時，在站場平面圖上表現(xiàn)為進(jìn)路的鎖閉、防護(hù)信號機(jī)的開放、從接近區(qū)段到信號機(jī)內(nèi)方區(qū)段先后占用、出清、信號關(guān)閉和區(qū)段解鎖的過程。進(jìn)路跟蹤基于實時的站場信號設(shè)備狀態(tài)變化，根據(jù)進(jìn)路上軌道區(qū)段的占用先后，將作業(yè)車列的機(jī)車號從接近區(qū)段傳遞到進(jìn)路末端的區(qū)段上，保證在作業(yè)過程中機(jī)車號不丟失。車列跟蹤算法流程圖如圖1所示。

進(jìn)路跟蹤算法說明如下。

1．機(jī)車號有實際 (監(jiān)控、非監(jiān)控)和臨時機(jī)車號2種。

2．軌道區(qū)段狀態(tài)有鎖閉、占用和出清，每次循環(huán)更新軌道區(qū)段狀態(tài)將記錄狀態(tài)的保持時間，以便判斷進(jìn)路上軌道區(qū)段狀態(tài)變化的先后順序。

3．進(jìn)路跟蹤程序初次運行時，所有占用的無岔區(qū)段都賦予非監(jiān)控機(jī)車號;機(jī)車入網(wǎng)注冊后，非監(jiān)控機(jī)車號更改為監(jiān)控機(jī)車號。

4．當(dāng)清除與無岔區(qū)段相鄰區(qū)段上的機(jī)車號時，需根據(jù)進(jìn)路方向決定是否清除仍然處于占用狀態(tài)的無岔區(qū)段上的機(jī)車號 (下次循環(huán)時該無岔區(qū)段會賦予新的非監(jiān)控機(jī)車號)。

5．通過搜索開放的防護(hù)信號機(jī)及進(jìn)路上的所有軌道區(qū)段、并賦予臨時機(jī)車號，防止區(qū)段狀態(tài)變化不連續(xù)而造成機(jī)車號跟蹤失敗 (機(jī)車號丟失)。

6．跟蹤結(jié)果隊列僅保存監(jiān)控機(jī)車的位置信息。

圖1 車列跟蹤算法流程圖

4 跟蹤定位

進(jìn)路跟蹤僅給出了作業(yè)車列所在的軌道區(qū)段，至于車列前部距軌道區(qū)段絕緣節(jié)的距離，將由車載設(shè)備根據(jù)車列移動的速度和位移進(jìn)行跟蹤定位。影響車列前部跟蹤定位的因素有如下幾點。

1．站場碼位信息傳輸時延不固定。不同的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)生產(chǎn)廠家有不同的信息傳輸協(xié)議，站場規(guī)模的大小對信息傳輸?shù)臅r延也會有影響。

2．軌道電路故障。車列前部的下一區(qū)段占用、而車載設(shè)備沒有走完當(dāng)前區(qū)段，或者車載設(shè)備走完了當(dāng)前區(qū)段、而車列前部沒有占用下一區(qū)段。

3．輪滑造成車載設(shè)備跟蹤的位置落后于車列前部實際位置。

4．車輪空轉(zhuǎn)造成車載設(shè)備跟蹤的位置超前于車列前部實際位置。

5．車-地間信息傳輸時延有差異。車列越靠近無線基站作業(yè)時無線傳輸時延會越小。

當(dāng)選用GPS定位信息入網(wǎng)注冊時，在整個作業(yè)過程中，車載設(shè)備可實時解算出機(jī)車的具體位置，利用機(jī)車的位置信息來修正跟蹤定位算法。通過對地面設(shè)備和車載設(shè)備所能提供的車列位置信息進(jìn)行綜合分析，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，最大限度地解決了車列位置跟蹤誤差偏大、以至錯誤而影響系統(tǒng)的可用性問題。在判斷軌道電路故障時，要結(jié)合整個進(jìn)路上所有區(qū)段的狀態(tài)變化 (占用、出清的先后順序)情況，獲取2種或以上的車列位置信息對故障進(jìn)行分析、確認(rèn)。當(dāng)車列越過防護(hù)信號機(jī)、壓入信號機(jī)后方的軌道區(qū)段后，出現(xiàn)軌道區(qū)段占用不正常時，在進(jìn)路跟蹤算法中通過預(yù)先保存臨時機(jī)車號的方法，保證了機(jī)車號的正常傳遞。

5 后期展望

調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)已逐步在鐵路有調(diào)車作業(yè)的車站推廣使用，各生產(chǎn)廠家普遍選用地面應(yīng)答器入網(wǎng)注冊方式，監(jiān)控的范圍僅限定在作業(yè)站場的集中區(qū)，而對于調(diào)車作業(yè)頻繁、裝備條件簡陋的非集中區(qū)更需要對調(diào)車作業(yè)過程進(jìn)行安全防護(hù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為解決非集中區(qū)調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)問題帶來了希望。采用GPS定位技術(shù)可以實現(xiàn)對作業(yè)機(jī)車位置進(jìn)行動態(tài)跟蹤，通過獲取車列的編組長度信息、采集非集中區(qū)道岔的狀態(tài)，可以搜索出車列前方的“進(jìn)路”，監(jiān)視非集中區(qū)調(diào)車作業(yè)過程，并最終實現(xiàn)集中區(qū)和非集中區(qū)調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控的統(tǒng)一。

［1］ 運基信號［2004］73.無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件(暫行).鐵道部，2004.

［2］ GB/T7178．1～9.鐵路調(diào)車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

［3］ 蘭州鐵路局、卡斯柯信號有限公司、株洲電力機(jī)車研究所等.ZDK型中間站調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)報告［R］.2009，1.

(責(zé)任編輯:張 利)