一種調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)的研制

姚孝剛

（廣州鐵路（集團(tuán)）公司科學(xué)技術(shù)研究所，廣東廣州510100）

一種調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)的研制

姚孝剛

（廣州鐵路（集團(tuán)）公司科學(xué)技術(shù)研究所，廣東廣州510100）

介紹一種適用于對平面無線調(diào)車進(jìn)行防護(hù)的設(shè)備的研制。該設(shè)備由藍(lán)燈防護(hù)裝置、顯示終端、地面信號接收器、地面應(yīng)答器組成。機(jī)車進(jìn)入調(diào)車模式時(shí)，利用地面應(yīng)答器獲取信號機(jī)狀態(tài)、機(jī)車位置信息和線路坡度信息，根據(jù)牽引工況，計(jì)算出制動曲線和報(bào)警曲線，當(dāng)速度超過報(bào)警速度時(shí)報(bào)警，超過制動速度時(shí)緊急制動，防止機(jī)車超速、闖藍(lán)燈和擠道岔。

平面無線調(diào)車；藍(lán)燈；防護(hù)；應(yīng)答器；擠岔

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸發(fā)揮的作用越來越重要，因此鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的安全日益凸顯。在鐵路車站或調(diào)車場內(nèi)，為了保證在調(diào)車作業(yè)時(shí)不擠壞未開通的道岔，在道岔前設(shè)置信號機(jī)進(jìn)行提示。但這種無聲靜態(tài)的信號機(jī)，無法保證調(diào)車作業(yè)時(shí)不闖過藍(lán)燈狀態(tài)的信號機(jī)，擠壞道岔。而這種闖藍(lán)燈釀成事故的現(xiàn)象在全路各地時(shí)有發(fā)生，給鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)秩序帶來嚴(yán)重不良影響。目前全路采用兩種模式的調(diào)車系統(tǒng)對調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控。

（1）調(diào)車安全監(jiān)控系統(tǒng)。此模式適用于專調(diào)機(jī)車，將進(jìn)路、調(diào)車計(jì)劃（含車數(shù)、換長）、速度限制、動車距離限制等信息復(fù)示在機(jī)車的LKJ顯示屏上，通過LKJ的調(diào)車控車模式控制調(diào)機(jī)動作，能夠防止調(diào)機(jī)闖藍(lán)燈。因造價(jià)高，只在大的調(diào)車場中使用。

（2）平面無線調(diào)車系統(tǒng)。調(diào)車長手持無線終端（擴(kuò)展功能的無線對講機(jī)）與機(jī)車的無線電臺建立無線通信，由調(diào)車長手持無線終端控制調(diào)機(jī)車設(shè)備，通過進(jìn)入調(diào)車狀態(tài)監(jiān)控裝置進(jìn)行調(diào)車控制。此模式造價(jià)低，在小站場中廣泛使用。但需人工操作，存在不安全因素。如在調(diào)車作業(yè)中，由于電池等非人為因素造成電臺設(shè)備故障或者通訊故障，或司機(jī)及調(diào)車組人員誤判行車信號，停車不及時(shí)，從而造成調(diào)車闖藍(lán)燈擠道岔等事故。

因此，研制一種既安全可靠又造價(jià)相對低廉的設(shè)備，解決平面無線調(diào)車系統(tǒng)闖藍(lán)燈（以下簡稱調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)）問題是相當(dāng)重要的。

1 系統(tǒng)組成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)由車上設(shè)備和4個(gè)地面應(yīng)答器組成。車上設(shè)備包括一個(gè)藍(lán)燈防護(hù)裝置、2個(gè)顯示終端和一套地面信息接收器組成。

圖1 調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)燈防護(hù)裝置的主要作用，是防止機(jī)車在調(diào)車作業(yè)時(shí)越過藍(lán)燈狀態(tài)的地面信號機(jī)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，藍(lán)燈防護(hù)裝置需要獲得3個(gè)方面的信息，即機(jī)車的牽引工況、地面信號機(jī)的狀態(tài)和機(jī)車位置信息等。

地面信號機(jī)的狀態(tài)指機(jī)車運(yùn)行前方，最接近的地面信號機(jī)是白燈還是藍(lán)燈。白燈允許機(jī)車通過，藍(lán)燈則禁止機(jī)車通過。地面應(yīng)答器通過安裝在信號機(jī)內(nèi)的互感器，讀取并儲存藍(lán)燈和白燈狀態(tài)。當(dāng)安裝在機(jī)車的地面信息接收器通過應(yīng)答器的上方時(shí)，儲存在應(yīng)答器內(nèi)的信號機(jī)狀態(tài)信息、應(yīng)答器位置信息和線路坡度信息，便被讀取到機(jī)車上的藍(lán)燈防護(hù)裝置內(nèi)。

機(jī)車的運(yùn)行工況，如速度和運(yùn)行方向等，通過機(jī)車上的連線，直接引入裝置內(nèi)。列車編組信息等可通過優(yōu)盤輸入或顯示終端按鍵輸入。

藍(lán)燈防護(hù)裝置以獲得的上述各種信息作為依據(jù)，計(jì)算出機(jī)車運(yùn)行的制動曲線和報(bào)警曲線，送至安裝在司機(jī)臺上的顯示終端顯示，并根據(jù)制動曲線和報(bào)警曲線控制機(jī)車運(yùn)行，完成藍(lán)燈防護(hù)功能。

1.2 地面應(yīng)答器位置的確定

4個(gè)地面應(yīng)答器分別安裝在信號機(jī)前4根軌枕的中央，按圖2所示距離分布。

圖2 地面應(yīng)答器布置圖

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，列車制動距離計(jì)算公式如下：

Sk為列車空走距離，m；

Se為列車有效制動距離，m；

v0為制動初速，km／h；

θh為列車換算制動率；

ij為制動地段的加算坡度千分?jǐn)?shù)；

Φh為列車換算摩擦系數(shù)；

ω0為列車單位基本阻力，N／k N；

βc為常用制動系數(shù)；

v1，v2為制動時(shí)速度間隔的初速和末速，km／h；

tk為列車空走時(shí)間，s。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］列車在調(diào)車作業(yè)時(shí)，牽引運(yùn)行時(shí)限速40 km／h，推進(jìn)運(yùn)行時(shí)限速35 km／h。按制動初速v0＝40 km／h，分別計(jì)算（1）SS4，（2）SS7，（3）SS8，3種有代表性的機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時(shí)的緊急制動距離，其他機(jī)車可照此計(jì)算。平道取ij＝0，單機(jī)運(yùn)行時(shí)tk＝2.5 s，緊急制動時(shí)βc＝1。

表1 SS4機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時(shí)制動距離計(jì)算表

Se＝∑ΔS＝5.834＋18.393＋31.900＋46.106＝102.2（m）

Sz＝Sk＋Se＝27.8＋102.2＝130（m）

若機(jī)車運(yùn)行在－6‰的坡道上，ij＝－6，則可算出Se＝112.6 m，Sz＝140 m。

（2）SS7制動距離計(jì)算。SS7原閘瓦為鑄鐵，利用不同摩擦材料換算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)0.625，換算成高摩合成閘瓦。經(jīng)計(jì)算，Sz＝88 m。

若機(jī)車運(yùn)行在－6‰的坡道上，則Sz＝91.5 m。

（3）SS8制動距離計(jì)算。SS8原閘瓦為粉末冶金，利用不同摩擦材料換算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)0.8，換算成高摩合成閘瓦?？伤愠?，Sz＝120 m。

若機(jī)車運(yùn)行在－6‰的坡道上，則可Sz＝128 m。

下面是計(jì)算機(jī)車牽引列車時(shí)的緊急制動距離。

（4）SS7牽引G＝3 500 t的貨物列車，編組48輛，其中GK、120型制動機(jī)重車位42輛，空車位3輛，關(guān)門車3輛。運(yùn)行在平道上，計(jì)算以初速v0＝40 km／h時(shí)施行緊急制動的制動距離。

∑kh＝840＋42×250＋3×160＝11 820（k N）

列車換算制動率：

空走時(shí)間：

tk＝（1.6＋0.065n）（1－0.028ij）＝（1.6＋0.065×48）×（1－0.028×0）＝4.72（s）

空走距離：

Sk＝0.278v0tk＝0.278×40×4.72＝52.486（m）

后續(xù)計(jì)算過程見表2。

表2 SS7機(jī)車牽引3 500 t列車時(shí)制動距離計(jì)算表

S e＝ΣΔS＝4.66＋16.40＋28.53＋40.60＝90.20（m）Sz＝Sk＋Se＝52.486＋90.20＝143（m）。

若此列車運(yùn)行在－6‰的坡道上，則tk＝5.51 s，Sk＝61.27 m，Se＝98.18 m，Sz＝159 m。

（5）SS4牽引G＝3 500 t的貨物列車，編組50輛，其中GK、120型制動機(jī)重車位44輛，空車位3輛，關(guān)門車3輛。運(yùn)行在平道上，計(jì)算以初速v0＝40 km／h時(shí)施行緊急制動的制動距離。

按（4）的計(jì)算可得Sz＝144 m。

若此列車運(yùn)行在－6‰的坡道上，則Sz＝161 m。

（6）SS4牽引G＝5 000 t的貨物列車，編組50輛，其中GK、120型制動機(jī)重車位44輛，空車位3輛，關(guān)門車3輛。運(yùn)行在平道上，計(jì)算以初速v0＝40 km／h時(shí)施行緊急制動的制動距離。

經(jīng)計(jì)算得Sz＝180.6 m。

若此列車運(yùn)行在－6‰的坡道上，Sz＝206 m。

從（1）至（3）的計(jì)算可以看出單機(jī)運(yùn)行時(shí)，各種機(jī)車在40 km／h初速下的制動距離是不同的，相差很大。最短的SS7，Sz＝88 m；最長的為SS4，Sz＝130 m。SS4機(jī)車的制動距離加算坡度千分?jǐn)?shù)后，達(dá)到140 m。

從（4）至（6）的計(jì)算可以看出，用不同的機(jī)車（由SS7改為SS4G）牽引，及牽引輛數(shù)稍許變化（從48變?yōu)?0），制動距離變化不明顯，從143 m變?yōu)?44 m，僅0.7%。當(dāng)在－6‰的坡道上運(yùn)行時(shí)，制動距離由159m變?yōu)?61m，也變化不大，僅1.26%。但牽引質(zhì)量由3 500 t增加到5 000 t時(shí)，制動距離增加很多。同是SS4G機(jī)車牽引，在平道上運(yùn)行時(shí)，Sz由144 m延長為180 m，在－6‰的坡道上運(yùn)行時(shí)，Sz由161 m延長為206 m。

3種機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時(shí)，制動距離最長的SS4，Sz＝130 m。在牽引3 500 t列車時(shí)，制動距離為144 m，制動距離有增加，但不多，僅10.8%。因此當(dāng)機(jī)車牽引列車時(shí)，制動距離受所牽引的列車質(zhì)量影響很大，牽引質(zhì)量增加會使制動距離增長。牽引列車后，制動距離有所增加，并且在下坡道中，制動距離會延長。

在－6‰的坡道上牽引5 000 t的列車，并以40 km／h的速度進(jìn)行調(diào)車作業(yè)是小型站場調(diào)車的極限情況了。以此計(jì)算得到的最大的制動距離206 m作為計(jì)算S1的基礎(chǔ)值。地面信息接收天線安裝在單節(jié)機(jī)車中部（雙節(jié)機(jī)車則安裝在頭部，各節(jié)車一套），因此再加上半個(gè)車長20 m×0.5得216 m。取整得S1＝220 m。S1即是1＃應(yīng)答器距離信號機(jī)的距離。對于短股道，S1取信號機(jī)到股道端頭的實(shí)際長度。機(jī)車運(yùn)行時(shí)，藍(lán)燈防護(hù)裝置可從1＃地面應(yīng)答器中讀取到S1的實(shí)際值，以此實(shí)際值進(jìn)行報(bào)警曲線和制動曲線的計(jì)算，對機(jī)車進(jìn)行防護(hù)。

4＃地面應(yīng)答器的作用是用來定位藍(lán)燈防護(hù)區(qū)的結(jié)束及感知機(jī)車反向進(jìn)入藍(lán)燈防護(hù)區(qū)。4＃地面應(yīng)答器也用來當(dāng)機(jī)車停在信號機(jī)前，因誤判白燈信號而起動機(jī)車的防護(hù)。此時(shí)機(jī)車剛起步，速度一般在5 km／h以下，以10 km／h來考慮。同樣以極限情況（6）來計(jì)算，在－6‰的坡道上，tk＝5.66 s，Sk＝15.73 m，Se＝6.32 m，Sz＝22 m，制動距離再加一半車長得32 m，取S4為35 m。當(dāng)股道較短時(shí)，S4可縮短至25 m（因制動初速由5 km／h放大到10 km／h，放大了一倍）。

2＃和3＃地面應(yīng)答器起輔助防護(hù)作用。一是校正機(jī)車根據(jù)速度計(jì)算距信號機(jī)的距離的誤差；二是在藍(lán)燈防護(hù)區(qū)內(nèi)，提早感知信號機(jī)行車信號的變化。當(dāng)股道較短時(shí)，可取消2?；?＃地面應(yīng)答器，或同時(shí)取消。2＃地面應(yīng)答器安裝在防護(hù)區(qū)的位置處。S＝（220－35）×

2＋35＝158.3（m），取整S2＝160 m。3＃地面應(yīng)答器安裝在防護(hù)區(qū)的位置處。S＝（220－35）×＋35＝

396.7（m），取整S3＝100 m。S2和S3可根據(jù)股道在長短進(jìn)行調(diào)整，甚至不安裝2?；?＃地面應(yīng)答器。當(dāng)只安裝其中一個(gè)時(shí)，位置取在藍(lán)燈防護(hù)區(qū)的中間。

1.3 硬件結(jié)構(gòu)

車上的硬件連接如圖3。

圖3 車上接線圖

1.3.1 藍(lán)燈防護(hù)裝置

藍(lán)燈防護(hù)裝置是系統(tǒng)的核心硬件，負(fù)責(zé)地面應(yīng)答器信號的接收、機(jī)車運(yùn)行工況信息的獲取、列車編組信息的讀入、顯示終端和喇叭信息的輸出、根據(jù)所獲取的信息計(jì)算出報(bào)警曲線和制動曲線，并進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警和制動。裝置的內(nèi)部框圖如圖4所示，裝置的實(shí)物如圖5所示。

圖4 藍(lán)燈防護(hù)裝置內(nèi)部框圖

圖5 藍(lán)燈防護(hù)裝置車上安裝圖

1.3.2 地面信息接收器

地面信息接收器負(fù)責(zé)與地面應(yīng)答器的通訊，由地面信息接收天線、CPU單元、RAM、電源模塊和通訊接口單元組成。上電后，接收器向車底發(fā)送查詢信號。當(dāng)車底有地面應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器收到查詢信號，便把儲存的信息，發(fā)送回地面信息接收器。接收器通過485通訊口，把收到的信息發(fā)送到藍(lán)燈防護(hù)裝置。接收器由藍(lán)燈防護(hù)裝置供給DC 12 V電源。接收器的實(shí)物安裝圖見圖6。地面信息接收器可在機(jī)車以200 km／h速度運(yùn)行時(shí)，完成地面應(yīng)答器信息的讀取。

1.3.3 地面應(yīng)答器

地面應(yīng)答器由天線、射頻標(biāo)簽蕊片WM72016、低功耗單片機(jī)C8051F930及外圍電路和藍(lán)燈白燈信號接口組成。如圖7所示。虛線框內(nèi)的白燈互感器和藍(lán)燈互感器安裝在站場的信號機(jī)內(nèi)，通過接口電路為地面應(yīng)答器供電，并獲取信號機(jī)內(nèi)是藍(lán)燈點(diǎn)亮還是白燈點(diǎn)亮。地面應(yīng)答器功耗極低，DC 5 V 6 m A即可正常工作。地面應(yīng)答器的現(xiàn)場安裝見圖8。

圖6 地面信息接收器安裝圖

圖7 地面應(yīng)答器原理圖

圖8 地面應(yīng)答器安裝圖

1.3.4 顯示終端

顯示終端安裝在司機(jī)臺上，顯示報(bào)警曲線、制動曲線和機(jī)車實(shí)際運(yùn)行曲線，輸入列車編組信息，見圖9。藍(lán)燈防護(hù)裝置通過485接口與顯示終端通訊。用作報(bào)警的嗽叭也安裝在顯示終端內(nèi)。

圖9 顯示終端安裝圖

2 工作原理

在給定的牽引工況和線路條件下，根據(jù)制動距離Sz計(jì)算公式，可做出緊急制動距離與制動初速v0的關(guān)系曲線，稱為制動曲線。緊急制動距離減20 m后與制動初速v0的關(guān)系曲線，稱為報(bào)警曲線。見圖10。

圖10 制動曲線和報(bào)警曲線

當(dāng)藍(lán)燈防護(hù)裝置上電后，有優(yōu)盤插入時(shí)，更新列車的編組信息。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行，收到1＃應(yīng)答器內(nèi)的位置信息、坡道信息和藍(lán)燈狀態(tài)后，若白燈亮，則不防護(hù)，只儲存好信息；否則進(jìn)行防護(hù)，計(jì)算報(bào)警曲線和制動曲線，并根據(jù)當(dāng)前速度是否超過報(bào)警速度或制動速度進(jìn)行報(bào)警或制動。當(dāng)收到2＃應(yīng)答器內(nèi)的信息時(shí)，若白燈亮則取消防護(hù)；否則對距離、報(bào)警曲線和制動曲線修正，繼續(xù)防護(hù)。同樣，當(dāng)收到3＃應(yīng)答器內(nèi)的信息時(shí)，若白燈亮則取消防護(hù)；否則對距離、報(bào)警曲線和制動曲線修正，繼續(xù)防護(hù)。當(dāng)收到4＃應(yīng)答器內(nèi)的信息時(shí)，若白燈亮則取消防護(hù)；否則跳主斷，并緊急制動。當(dāng)機(jī)車反向進(jìn)入防護(hù)區(qū)域時(shí)，先收到4＃應(yīng)答器內(nèi)的信息，裝置不進(jìn)行防護(hù)，只儲存了信息。再依次收到3＃、2＃、1＃應(yīng)答器內(nèi)的信息都做同樣處理。若收到以上任一應(yīng)答器內(nèi)的信息后，機(jī)車改變運(yùn)行方向，則根據(jù)儲存的信息和運(yùn)行距離，計(jì)算報(bào)警曲線和制動曲線，進(jìn)入防護(hù)狀態(tài)，直到退出防護(hù)區(qū)。

3 改進(jìn)過程

樣機(jī)制作完成后，在廣州站裝車試驗(yàn)。在廣州站10道D60信號機(jī)前安裝了1＃，2＃，3＃，4＃應(yīng)答器，在廣州站專調(diào)機(jī)車DF51387上安裝了藍(lán)燈防護(hù)裝置車上設(shè)備。經(jīng)過運(yùn)行考驗(yàn)，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)應(yīng)答器與信號機(jī)的有線連接，在現(xiàn)場施工時(shí)，工作量比較大，因此做如下改進(jìn)。

取消應(yīng)答器與信號機(jī)的有線連接，應(yīng)答器改為無源標(biāo)簽，只存儲位置信息、坡道信息和前方調(diào)車信號機(jī)標(biāo)識信息，不再獲取藍(lán)燈和白燈狀態(tài)信息。藍(lán)燈和白燈狀態(tài)信息由安裝在信號機(jī)內(nèi)的無線模塊發(fā)送到機(jī)車內(nèi)。機(jī)車上安裝對應(yīng)的無線模塊和天線。當(dāng)機(jī)車收到應(yīng)答器信息，進(jìn)入防護(hù)區(qū)時(shí)，激活前方信號機(jī)的無線模塊；當(dāng)機(jī)車收到應(yīng)答器信息，退出防護(hù)區(qū)時(shí)，使當(dāng)前信號機(jī)的無線模塊休眠。信號機(jī)內(nèi)的無線模塊激活后，向機(jī)車發(fā)送一次藍(lán)燈和白燈狀態(tài)信息。當(dāng)機(jī)車詢問或藍(lán)燈和白燈狀態(tài)變化時(shí)，再次向機(jī)車發(fā)送一次藍(lán)燈和白燈狀態(tài)信息。

這樣，整套調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)成為一套易于施工，易于安裝，可靠實(shí)用的防護(hù)設(shè)備。

［1］ 張中央，列車牽引計(jì)算［M］.中國鐵道出版社，2009.

［2］ 中國鐵路總公司，鐵路技術(shù)管理規(guī)程［M］.北京：中國鐵道出版社，2014.

［3］ 蘇 桃.列車牽引計(jì)算與操縱［M］，北京：中國鐵道出版社，2008.

［4］ GB／T 25340－2010.鐵路機(jī)車車輛自動識別設(shè)備技術(shù)條件［S］.

Development of a Shunting Protection System

YAO Xiaogang
（Institute of Science and Technology，Guangzhou Railway（Group）Corporation，Guangzhou 510100 Guangdong，China）

This paper introduces the research and development of a protective equipment suitable for plane wireless shunting.The equipment consists of the blue light protective device，display terminal，ground signal receiver and ground transponder.During shunting mode，locomotive gets the signal status，the locomotive position information and line gradient information through ground transponder，then calculates the braking curve and alarm curve according to the traction condition，and alarms when the speed exceeds the alarm speed or brakes urgently when the speed exceeds braking speed，which can prevent the locomotive from overspeed，crossing blue light and splitting switch.

plane wireless shunting；blue light；protection；transponder；switch split

U268.2

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.13

1008－7842（2016）06－0049－05

7—）男，高級工程師（

2016－05－05）