專用鐵路列車(chē)安全防護(hù)控制方案的研究

湯永 解培金 龍海卿

摘要：本文研究了專用鐵路的運(yùn)輸環(huán)境特點(diǎn)，針對(duì)專用鐵路的改造需求，分析其運(yùn)輸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并提出基于無(wú)線通信的控車(chē)模式。該方案能夠保證列車(chē)運(yùn)行的安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞：防護(hù)控制；安全制動(dòng)控制；精準(zhǔn)定位

1 引言

專用鐵路是指運(yùn)輸企業(yè)或其它管理單位專為系統(tǒng)內(nèi)部提供運(yùn)輸服務(wù)的鐵路，現(xiàn)階段大部分專用鐵路運(yùn)量大、運(yùn)輸效率低、作業(yè)流程多、功能配備復(fù)雜，其運(yùn)輸環(huán)境主要包含以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）運(yùn)輸線路復(fù)雜、道岔數(shù)量多；

2）閉塞分區(qū)距離短，一般在60～300米左右，普遍采用25Hz或50Hz的相敏軌道電路；

3）線路運(yùn)輸總長(zhǎng)一般在10～20公里左右；

4）機(jī)車(chē)采用司機(jī)目視行車(chē)的控制方式；

5）車(chē)輛運(yùn)輸小編組，一般是兩到四節(jié)；

6）運(yùn)輸日作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，一般在18～24小時(shí)；

專用鐵路落后的控車(chē)方式已影響到廠區(qū)運(yùn)輸?shù)男逝c安全，現(xiàn)有大部分專用鐵路改造需求已成為現(xiàn)階段迫切需解決的問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)思路

為優(yōu)化專用鐵路的系統(tǒng)性能，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸作業(yè)的環(huán)境，對(duì)既有專用鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原則主要包含以下幾點(diǎn)：1）新系統(tǒng)需兼容既有運(yùn)行控制系統(tǒng)，保證既有列車(chē)在新系統(tǒng)都能夠正常的運(yùn)行；2）新系統(tǒng)的施工安裝應(yīng)較少的影響線路運(yùn)輸；3）新系統(tǒng)在保障安全的基礎(chǔ)上，應(yīng)提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率；4）系統(tǒng)在減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度同時(shí)，應(yīng)盡量朝智能化、無(wú)人化的方向發(fā)展。

在考慮 “系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則”的同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)的常規(guī)改造方式，現(xiàn)給出兩種設(shè)計(jì)思路，1）從工程層面對(duì)線路進(jìn)行改造，緩解既有線路的運(yùn)輸壓力，提高系統(tǒng)整體運(yùn)輸能力；2）對(duì)列車(chē)控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)運(yùn)行控制方式的改變，來(lái)提升列車(chē)速度，保障運(yùn)行的安全。由于施工改造會(huì)影響專用鐵路的運(yùn)營(yíng)，所以工程改造只能是局部小規(guī)模的。車(chē)載安全防護(hù)控制系統(tǒng)作為列車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵控制子系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)好壞有利于整個(gè)系統(tǒng)安全與效率的提升，本文通過(guò)研究車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)，來(lái)改進(jìn)專用鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的性能。

3 車(chē)載安全防護(hù)控制設(shè)備的設(shè)計(jì)

車(chē)載安全控制設(shè)備也稱為車(chē)載安全防護(hù)控制設(shè)備，它是列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中保障其安全的重要設(shè)備，列車(chē)運(yùn)行防護(hù)主要是速度的監(jiān)控與防護(hù)，故而將車(chē)載安全防護(hù)也稱為“速度防護(hù)”或“超速防護(hù)”。車(chē)載安全防護(hù)控制設(shè)備的基本原理是根據(jù)速度傳感器的速度距離信息以及對(duì)標(biāo)信息來(lái)實(shí)時(shí)更新列車(chē)位置，另結(jié)合地面實(shí)時(shí)變化的路況信息以及前方運(yùn)行過(guò)程的障礙物信息來(lái)獲取移動(dòng)授權(quán)點(diǎn)，移動(dòng)授權(quán)為列車(chē)安全運(yùn)行的最大范圍，列車(chē)通過(guò)計(jì)算最不利的限速曲線，進(jìn)而控制列車(chē)運(yùn)行的安全。

車(chē)載安全防護(hù)控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮其現(xiàn)有復(fù)雜環(huán)境特征、企業(yè)的系統(tǒng)需求以及未來(lái)的發(fā)展方向，同時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程需保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性、可擴(kuò)展性以及可維護(hù)性等多方面的性能要求。考慮到車(chē)載安全防護(hù)控制系統(tǒng)從無(wú)到有過(guò)程開(kāi)發(fā)工作量太大，本文參考既有車(chē)載安全防護(hù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及未來(lái)運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展方向，選擇在既有車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)載安全防護(hù)控制設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的改造。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

車(chē)載安全防護(hù)控制系統(tǒng)為保障運(yùn)行列車(chē)的安全，需獲取以下接口數(shù)據(jù)信息，1）列車(chē)運(yùn)行的精準(zhǔn)速度信息；2）列車(chē)移動(dòng)授權(quán)信息；3）列車(chē)精準(zhǔn)位置信息；4）影響列車(chē)安全的設(shè)備狀態(tài)信息；5）實(shí)時(shí)變化的線路狀態(tài)信息。

列車(chē)在專用鐵路運(yùn)行速度相對(duì)偏低，車(chē)輪發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行的概率較小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程可以忽略雷達(dá)速度傳感器而只采用輪軸速度傳感器，且頭尾各設(shè)置一套；另外線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精準(zhǔn)定位難道大，線路可采用固定應(yīng)答器實(shí)時(shí)精確列車(chē)位置；由于現(xiàn)有專用鐵路大部分都采用相敏軌道電路，無(wú)法與既有鐵路一樣，通過(guò)地面移頻軌道電路實(shí)現(xiàn)移動(dòng)授權(quán)信息的獲取，另外考慮到系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)，如果采用可變應(yīng)答器傳輸移動(dòng)授權(quán)信息，現(xiàn)有線路需進(jìn)行施工修改設(shè)計(jì)，涉及面較廣，不利于方案實(shí)施，所以移動(dòng)授權(quán)通過(guò)無(wú)線通信傳輸?shù)姆绞将@取較為合理，它覆蓋面廣，系統(tǒng)施工過(guò)程簡(jiǎn)單，信息的獲取也能夠保證實(shí)時(shí)性?，F(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境、功能需求以及與外部系統(tǒng)的通信接口方式，列舉其組件以及相互連接關(guān)系，具體如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)有專用鐵路的用戶需求以及車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需求，可使用基于無(wú)線傳輸控制的車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，再進(jìn)行功能改進(jìn)，具體原因如下：1）基于通信的車(chē)載安全防護(hù)控制設(shè)備的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)與圖1設(shè)計(jì)的功能結(jié)構(gòu)大體相同；2）現(xiàn)有專用鐵路由于其運(yùn)輸特點(diǎn)決定了軌道電路選型大多未采用移頻軌道電路，如果采用現(xiàn)有大鐵路車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備，如LKJ、200型ATP，外部系統(tǒng)接口發(fā)生較大改變，軟件代碼大面積修改，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度增加。

3.2 系統(tǒng)功能方案設(shè)計(jì)

在既有專用鐵路運(yùn)輸條件下，車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)必須利用現(xiàn)有軌旁設(shè)備以及新增的線路設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要包括1）列車(chē)在線路上的精準(zhǔn)定位；2）列車(chē)安全制動(dòng)曲線實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 列車(chē)精準(zhǔn)定位

專用鐵路運(yùn)輸線路復(fù)雜，線路限速要求較多，所以精準(zhǔn)定位的要求較高。列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備可通過(guò)速度傳感器的測(cè)速信息來(lái)累加計(jì)算列車(chē)每周期的運(yùn)行距離，由于速度傳感器存在位移累加誤差，列車(chē)可通過(guò)線路固定應(yīng)答器來(lái)獲取應(yīng)答器的ID，車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備通過(guò)查詢車(chē)載數(shù)據(jù)便可知經(jīng)過(guò)的應(yīng)答器的位置，從而校正列車(chē)在線路中的位置，保證列車(chē)精準(zhǔn)定位。

3.2.2 列車(chē)安全制動(dòng)曲線

車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備采用連續(xù)的速度-距離安全制動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)列車(chē)安全速度計(jì)算，防止列車(chē)超速，確保列車(chē)不越過(guò)移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)。車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備根據(jù)安全制動(dòng)模型和線路限制速度計(jì)算速度-距離曲線，并實(shí)時(shí)監(jiān)督列車(chē)運(yùn)行，列車(chē)安全制動(dòng)距離曲線圖如下所示。列車(chē)安全制動(dòng)距離曲線的生成主要需考慮以下因素：1）移動(dòng)授權(quán)信息；2）列車(chē)位置及定位信息；3）線路數(shù)據(jù)信息。前面3.2.1章節(jié)已經(jīng)對(duì)列車(chē)位置以及定位信息的獲取進(jìn)行了總結(jié)與分析，現(xiàn)主要分析移動(dòng)授權(quán)信息的獲取。

由于專用鐵路運(yùn)輸?shù)木€路條件已決定通過(guò)無(wú)線通信列車(chē)控制技術(shù)獲取移動(dòng)授權(quán)信息較為合理。為滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)給出兩種移動(dòng)授權(quán)的獲取方式，第一種是把進(jìn)路信息直接通過(guò)無(wú)線方式傳輸給車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)，具體如圖3所示。此方式可以減少地面控制設(shè)備，加強(qiáng)系統(tǒng)的集成能力。但車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備需增加移動(dòng)授權(quán)距離計(jì)算的功能，另外地面控制設(shè)備無(wú)法對(duì)所有車(chē)輛設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，系統(tǒng)整體架構(gòu)不利于系統(tǒng)后續(xù)向智能化與無(wú)人化的技術(shù)擴(kuò)展。

第二種是參考現(xiàn)有CBTC無(wú)線通信的列車(chē)控制技術(shù)，地面控制設(shè)備根據(jù)運(yùn)行線路的狀態(tài)信息以及線路運(yùn)行的所有車(chē)輛設(shè)備狀態(tài)信息來(lái)實(shí)時(shí)智能綜合考慮影響列車(chē)運(yùn)行的因素，計(jì)算列車(chē)移動(dòng)授權(quán)距離，最后再通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信傳輸給車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)列車(chē)安全制動(dòng)曲線的生成，具體傳輸流程如圖4所示。使用第二種方式，車(chē)載防護(hù)控制設(shè)備功能修改范圍小，系統(tǒng)智能化程度高，地面設(shè)備相應(yīng)增加，但系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，有利于后續(xù)系統(tǒng)改進(jìn)。

4 系統(tǒng)性能分析

本系統(tǒng)與“現(xiàn)有司機(jī)目視行車(chē)”的方式相比，系統(tǒng)首先保證在閉環(huán)的控制信息傳輸?shù)倪B續(xù)性；另外系統(tǒng)在保證自動(dòng)化等級(jí)提升的同時(shí)，系統(tǒng)可靠性與可用性方面都較既有較大提升；最后系統(tǒng)為較少的工程改造投資同時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)傳輸線路狀態(tài)信息以及前后方列車(chē)狀態(tài)信息提升運(yùn)輸效率，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

和現(xiàn)有點(diǎn)式控車(chē)的方式相比，應(yīng)答器車(chē)地通信傳輸?shù)姆绞街挥性诹熊?chē)經(jīng)過(guò)可變應(yīng)答器時(shí)，才能獲取前方線路狀況信息，一旦應(yīng)答器編碼信息錯(cuò)誤，系統(tǒng)運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)故障，影響列車(chē)的運(yùn)行安全。采用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)地通信的傳輸，傳輸采用的是冗余網(wǎng)絡(luò)控制的方式，保證系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及可靠性。所以系統(tǒng)相比于點(diǎn)式控車(chē)或司機(jī)目視控制的方式都有較大性能提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)專用鐵路系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析其車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并證明其可行性。但專用鐵路控車(chē)的方式較既有控車(chē)環(huán)境有所不同，后續(xù)地面軌旁設(shè)備為適應(yīng)新系統(tǒng)需求，需對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行部分修改，以滿足系統(tǒng)技術(shù)要求。

根據(jù)前面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)功能方案設(shè)計(jì)，車(chē)載防護(hù)控制系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行系統(tǒng)功能與安全測(cè)試，系統(tǒng)有望在后續(xù)市場(chǎng)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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（作者單位：中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司）