高速鐵路防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案

孟德智

(中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100043)

1 概述

防災(zāi)預(yù)警信息是鐵路安全運(yùn)行的重要控制信息之一，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)預(yù)警信息快速準(zhǔn)確地車地傳輸一直是鐵路防災(zāi)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究工作。鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）已實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線風(fēng)、雨、雪和地震實(shí)現(xiàn)有效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，為調(diào)度指揮及維護(hù)管理提供報(bào)警、預(yù)警信息。如何將防災(zāi)預(yù)警信息快速、準(zhǔn)確、可靠地傳遞到正在行駛的列車上，實(shí)現(xiàn)列車的限速或停車，涉及防災(zāi)、信號(hào)和通信等多個(gè)專業(yè)，成為防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2 既有防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案

既有防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案是由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將防災(zāi)預(yù)警信息傳送至調(diào)度所相應(yīng)線路的調(diào)度員處，調(diào)度員收到防災(zāi)預(yù)警信息后，通過調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）設(shè)置限速或停車。通過CTC 或無線閉塞中心（RBC）將限速信息傳至車上，由司機(jī)確認(rèn)限速或停車。既有防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案處理流程如圖1 所示。

圖1 既有防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸流程圖Fig.1 Train-ground transmission flow chart of the existing disaster warning information

既有防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案存在的主要問題是防災(zāi)預(yù)警信息處理時(shí)間較長(zhǎng)，列車調(diào)度員的負(fù)擔(dān)較重，容易出現(xiàn)漏報(bào)。

3 改進(jìn)的防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案

針對(duì)既有防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案存在的主要問題，本文根據(jù)行車調(diào)度管理的實(shí)際需求，提出如下3 種可行的防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案。

3.1 方案一：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與CTC連接，通過CTC傳送防災(zāi)預(yù)警信息

該方案與既有防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案基本一致。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與CTC 系統(tǒng)通過接口服務(wù)器、防火墻等設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間互聯(lián)，防災(zāi)預(yù)警信息直接在CTC 調(diào)度員臺(tái)上顯示出來，列車調(diào)度員根據(jù)預(yù)警信息按照目前的方式由人工操作下達(dá)。實(shí)現(xiàn)本方案需要修改監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與CTC 接口協(xié)議、軟件及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。本方案防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸處理流程如圖2 所示。

本方案的主要優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化對(duì)預(yù)警信息的響應(yīng)時(shí)間和流程，對(duì)防災(zāi)預(yù)警相關(guān)的行車調(diào)度管理有了整體的把握。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與CTC連接，通過CTC送防災(zāi)預(yù)警信息流程圖Fig.2 Flow chart of transmitting disaster warning information by CTC connected to monitoring system

但是本方案需要修改CTC 的軟件及接口協(xié)議可能對(duì)列車控制造成影響，同時(shí)增加列車調(diào)度員控車的負(fù)擔(dān)。另外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與CTC 直接接口需要防災(zāi)廠家和CTC 廠家共同研究接口協(xié)議和開發(fā)相關(guān)軟件，時(shí)間周期較長(zhǎng)。

3.2 方案二：新設(shè)車載預(yù)警裝置，通過GP RS接口服務(wù)器傳送防災(zāi)預(yù)警信息

本方案由防災(zāi)GSM-R 通信服務(wù)器、既有GPRS接口服務(wù)器（GRIS）和新設(shè)的車載預(yù)警裝置（簡(jiǎn)稱“車載設(shè)備”）組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3 所示。

列車出庫(kù)前，車載設(shè)備通過GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)GROS 服務(wù)器。列車出庫(kù)后，根據(jù)收到的GPS/北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，車載設(shè)備判斷其所對(duì)應(yīng)的GRIS，并向該GRIS 發(fā)送注冊(cè)申請(qǐng)，申請(qǐng)一個(gè)專屬IP 地址。GRIS 收到申請(qǐng)后，返回確認(rèn)注冊(cè)信息，并給車載設(shè)備分配IP 地址。車載設(shè)備完成注冊(cè)后，在屏幕上應(yīng)能顯示當(dāng)前區(qū)間并初始化所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)、等待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)列車行駛到其他GRIS 管理區(qū)域后，車載設(shè)備向新GRIS 發(fā)送注冊(cè)申請(qǐng)，同時(shí)將前一個(gè)GRIS 的注冊(cè)注銷。

GRIS 與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過電路連接，并接收防災(zāi)預(yù)警信息。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只發(fā)送超過門限的數(shù)據(jù)給GRIS。GRIS 接收到防災(zāi)預(yù)警信息后，在本地存儲(chǔ)，并將防災(zāi)預(yù)警信息通過GSM-R/GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到注冊(cè)在該GRIS 上的所有車載設(shè)備上。預(yù)警數(shù)據(jù)包40 字節(jié)/包，連發(fā)3 次，每次間隔1 s。當(dāng)無預(yù)警信息時(shí)，防災(zāi)通信服務(wù)器以每15 min（可設(shè)置）一次、每次40 Byte 向注冊(cè)的車載設(shè)備機(jī)車發(fā)送活動(dòng)性檢測(cè)數(shù)據(jù)包。

圖3 方案二系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.3 Schematic diagram of system composition of scheme two

車載設(shè)備接收到預(yù)警數(shù)據(jù)后，應(yīng)能根據(jù)GPS/北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，判斷列車當(dāng)前位置并計(jì)算本列車與預(yù)警信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與列車間的距離來確定是否需要發(fā)出預(yù)警信息，若需要發(fā)出預(yù)警信息，車載設(shè)備將實(shí)時(shí)播報(bào)預(yù)警信息，提示司機(jī)預(yù)警區(qū)段列車的安全行駛速度。

列車在隧道或在地下車站無GPS/北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，車載設(shè)備應(yīng)根據(jù)列車進(jìn)隧道時(shí)的速度及時(shí)間，估測(cè)當(dāng)前的列車位置，進(jìn)而計(jì)算本列車與預(yù)警信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與列車間的距離來確定是否需要發(fā)出預(yù)警信息。

本方案防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸處理流程如圖4所示。

圖4 新設(shè)車載預(yù)警裝置，通過GPRS接口服務(wù)器傳送防災(zāi)預(yù)警信息流程圖Fig.4 Flow chart of transmitting disaster warning information from newly set onboard warning device through GPRS interface server

方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：除防災(zāi)GSM-R 通信系統(tǒng)服務(wù)器外，對(duì)既有其他設(shè)備無影響，在小范圍內(nèi)使用方便；可以通過提前預(yù)警機(jī)制消除GPRS 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的不利影響，提高系統(tǒng)的可靠性。

方案的缺點(diǎn)是：高鐵動(dòng)車組司機(jī)室空間有限，車載設(shè)備幾乎無處安裝；當(dāng)有預(yù)警信息時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要將預(yù)警信息發(fā)送到所有在該服務(wù)器注冊(cè)的列車上，距離災(zāi)害位置較遠(yuǎn)的列車沒必要接收；GRIS傳送調(diào)度命令、車次號(hào)校核和進(jìn)路預(yù)告等與行車安全有關(guān)的信息，傳送防災(zāi)預(yù)警信息不符合中國(guó)鐵路總公司統(tǒng)一規(guī)劃。

3.3 方案三：利用既有機(jī)車綜合無線設(shè)備，通過監(jiān)測(cè)信息GPRS接口服務(wù)器傳送防災(zāi)預(yù)警信息

本方案由既有機(jī)車綜合無線設(shè)備（CIR）、防災(zāi)GSM-R 通信服務(wù)器和監(jiān)測(cè)信息GPRS 接口服務(wù)器（M-GRIS）組成，如圖5 所示。

隨著高鐵的發(fā)展，越來越多的信息需要通過GSM-R 網(wǎng)絡(luò)傳送到列車上，列車上也有一些監(jiān)測(cè)信息需要實(shí)時(shí)傳回地面，如機(jī)車信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、DMS 業(yè)務(wù)、TCDS 業(yè)務(wù)、活動(dòng)性檢測(cè)業(yè)務(wù)和工務(wù)晃車業(yè)務(wù)等。針對(duì)越來越多的需求，原鐵道部頒發(fā)《GSM-R 數(shù)字移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)條件第九冊(cè)：數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用接口及設(shè)備》（鐵運(yùn)[2012]288 號(hào)），規(guī)劃在各路局新設(shè)（M-GRIS）專門傳送與行車安全無關(guān)的業(yè)務(wù)，與行車安全有關(guān)的業(yè)務(wù)由GRIS 傳送。

在CTCS-2 列控區(qū)段，CIR 在每經(jīng)過一個(gè)閉塞區(qū)間時(shí)都通過GRIS 向CTC/TDCS 系統(tǒng)發(fā)送車次號(hào)校核信息，車次號(hào)校核信息內(nèi)容包含機(jī)車的位置信息（CTCS-2 列控區(qū)段包含公里標(biāo)和GPS/北斗信息，CTCS-3 列控區(qū)段只包含GPS/北斗信息）、車次號(hào)、機(jī)車號(hào)。在CTCS-3 區(qū)段，CIR 每隔30 s發(fā)送一次車次號(hào)校核信息。

圖5 方案三系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.5 Schematic diagram of system composition of scheme three

本方案與方案二業(yè)務(wù)流程類似。本方案需要修改CIR 的軟件，使CIR 把車次號(hào)校核信息同時(shí)發(fā)給GRIS 和M-GRIS，M-GRIS 將以上信息轉(zhuǎn)發(fā)給災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠掌握列車的實(shí)時(shí)位置。根據(jù)列車位置信息，在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算各列車距離災(zāi)害地點(diǎn)的距離，以判斷把防災(zāi)預(yù)警信息發(fā)給哪些列車。災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將防災(zāi)預(yù)警信息通過GSM-R/GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)列車的CIR 上。

本方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：使用M-GRIS 設(shè)備傳送防災(zāi)預(yù)警信息滿足中國(guó)鐵路總公司規(guī)劃；利用既有CIR 設(shè)備實(shí)現(xiàn)防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸，不新增SIM 卡，可實(shí)施性強(qiáng)；可以通過提前預(yù)警機(jī)制消除GPRS 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的不利影響，提高系統(tǒng)的可靠性；可通過升級(jí)防災(zāi)GSM-R 通信服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)雨、雪等其他防災(zāi)業(yè)務(wù)預(yù)警信息車地傳輸?shù)男枨蟆?/p>

本方案缺點(diǎn)是：下發(fā)預(yù)警信息和上報(bào)車次號(hào)校核信息時(shí)延長(zhǎng)了占用區(qū)間小區(qū)GSM-R 無線信道的時(shí)間；預(yù)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)限速范圍和提前預(yù)警范圍仍需進(jìn)一步的研究明確。

4 總結(jié)

高速鐵路速度的提升對(duì)風(fēng)、雨、雪和地震等災(zāi)害情況時(shí)的處理速度提出更高的要求。既有的防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案對(duì)防災(zāi)預(yù)警的響應(yīng)時(shí)間較差，列車調(diào)度員的負(fù)擔(dān)較重，容易出現(xiàn)漏報(bào)。本文提出3 種新的高速鐵路防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸方案，通過分析比較，方案三符合中國(guó)鐵路總公司的統(tǒng)一規(guī)劃，可實(shí)施性最好，投資也較少。因此，高速鐵路防災(zāi)預(yù)警信息車地傳輸建議采用方案三，但需要進(jìn)一步研究具體的接口及實(shí)施方案。