無聯(lián)鎖區(qū)域調(diào)車進路確認裝置的研發(fā)

劉明翔，朱玉敏

（中國鐵路廣州局集團公司 廣州車務(wù)段 1、高級工程師 2、工程師 廣東廣州 510600）

1 問題的提出

在無聯(lián)鎖區(qū)域，道岔由人工扳動，進路上沒有允許行進信號，僅有道岔表示器，進路的安全性缺乏保證。為保障調(diào)車作業(yè)安全，運輸管理部門制定了“要道還道”操作規(guī)定，首先由調(diào)車員根據(jù)調(diào)車作業(yè)計劃向扳道員要道，然后扳道員人工扳動道岔、構(gòu)建調(diào)車進路，確認后用信號燈/旗向要道者回示，即為還道。調(diào)車人員在得到扳道員的還道信號后，也要確認道岔的定反位標志，判斷計劃指定的調(diào)車進路與所回進路相符。

在圖1所示的無聯(lián)鎖區(qū)域中，調(diào)車進路SE從始端S至終端E，需手工扳動道岔1、2、3、4至正確的方法。顯然，如果道岔被扳到錯誤的方向，就會構(gòu)成錯誤的調(diào)車進路。

圖1 調(diào)車場平面示意圖

無聯(lián)鎖區(qū)域調(diào)車進路的建立，完全依賴作業(yè)人員對視覺信號的人工確認。作業(yè)人員的精神狀態(tài)、可視距離、標志的好壞，都足以影響調(diào)車進路的正確開通與否。這種由人工來判斷多個道岔開通狀態(tài)的操作，極容易造成進路錯誤或未準備好進路就還道的情況。此時若車列移動，就會造成進錯異線與存車沖突、擠岔、脫線等調(diào)車作業(yè)事故。

據(jù)統(tǒng)計，廣州局集團公司2005年以來調(diào)車作業(yè)事故67%發(fā)生在無聯(lián)鎖區(qū)域，其主要表現(xiàn)形式是調(diào)車進路錯誤下盲目動車。這種情況在全路也很常見。如何經(jīng)濟、有效地消除無聯(lián)鎖區(qū)域調(diào)車進路人工確認的安全隱患，降低調(diào)車作業(yè)事故率，就成為一項具有很強現(xiàn)實意義的研究。

本文針對無聯(lián)鎖區(qū)域調(diào)車進路正確性確認問題，研制出經(jīng)濟合理的無聯(lián)鎖區(qū)域調(diào)車進路確認裝置，能在不進行大規(guī)模聯(lián)鎖改造情況下，正確及時地建立調(diào)車進路，消除人為因素帶來的安全隱患。

2 需求分析

在無聯(lián)鎖區(qū)調(diào)車進路建立和確認，必須在人工扳動道岔后，由設(shè)備及時判斷出進路上所有道岔的開通方向，迅速計算出當下調(diào)車進路的開通指向，及時準確地將進路最終指向發(fā)布給各崗位的調(diào)車作業(yè)人員。調(diào)車長或司機根據(jù)所回復的進路，確認與調(diào)車計劃匹配后，啟動調(diào)車機車進行作業(yè)。

無聯(lián)鎖區(qū)調(diào)車進路正確建立和快速確認，關(guān)鍵是不間斷監(jiān)測道岔的定、反位狀態(tài)，快速判定構(gòu)建的調(diào)車進路，充分利用已有的調(diào)車電臺，同時又不能違反既定規(guī)章。

實現(xiàn)該目標的一種方法是將無聯(lián)鎖道岔改造為電氣集中聯(lián)鎖道岔。但這種改造需要投入大量的資金，單個道岔改造費用平均需要30～60萬元。同時還需要對既有車站聯(lián)鎖系統(tǒng)進行同步升級，施工期間必須停止全站一切接發(fā)列車和調(diào)車作業(yè)，對運輸經(jīng)營極為不利。因此對于作業(yè)量較少、遠離信號樓的站場線路，將無聯(lián)鎖道岔改造為電氣集中聯(lián)鎖形式，在技術(shù)經(jīng)濟評價上是不經(jīng)濟的。目前全路還存在大量的無聯(lián)鎖區(qū)，這些區(qū)域調(diào)車進路建立，還完全由人工進行，調(diào)車脫線或進錯異線的風險因素依然存在。在這種情況下，研發(fā)低成本的無聯(lián)鎖區(qū)域調(diào)車進路確認裝置，就成為降低調(diào)車事故概率、提高作業(yè)效率的重要途徑。

本文提出并研發(fā)一種低成本電氣集中聯(lián)鎖替代系統(tǒng)，該系統(tǒng)模仿電氣集中聯(lián)鎖進路確認裝置，自動實現(xiàn)調(diào)車進路的建立和判別。從需求的角度，該系統(tǒng)應(yīng)能解決以下問題：

1）道岔狀態(tài)要能不間斷監(jiān)測，采集的數(shù)據(jù)必須準確無誤；無法獲取數(shù)據(jù)時，要及時向系統(tǒng)發(fā)出報警信息。我們使用雙冗余、數(shù)值相反的傳感器，確定道岔的定、反位和密貼狀況。

2）道岔開通數(shù)據(jù)要能快捷和不間斷上傳，其傳輸通道、傳輸方式、傳輸協(xié)議，要滿足扳道時間要求，數(shù)據(jù)的發(fā)收點要能識別和記錄，發(fā)生通訊問題，系統(tǒng)能及時報警。

3）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，要能判斷故障類型并示警，能及時準確地計算出調(diào)車進路開通方向，最后用計算機圖形將站場和開放的調(diào)車進路表示出來。

4）改造既有的無線調(diào)車燈顯設(shè)備，使參與調(diào)車作業(yè)的任一作業(yè)人員，按需要無線查詢調(diào)車進路裝置，該系統(tǒng)能將當下調(diào)車進路的開通指向，向全體人員廣播。

3 系統(tǒng)原理和構(gòu)成

3.1 道岔開通方向的判定 圖2為道岔示意圖。圖中粗線條為基本軌，細線條為尖軌部分。設(shè)道岔開通水平方向為定位(標識為1)，則開通下斜方向為反位(標識為0)。S1/S2為安裝在道岔上的傳感器，它是偵測道岔開向的關(guān)鍵基本器件。再設(shè)，基本軌和尖軌密貼時，傳感器輸出值為1，斥離時輸出值為0。則有：

若S1=1，由道岔的機械構(gòu)成知，則必有S2=1，道岔開通定位，即標識（S1，S2）=1，反之，道岔開通反位，即標識（S1，S2）=0。

圖2 道岔示意圖

3.2 進路建立的原理 按上述原則，由圖1可知，確定唯一開通的調(diào)車進路SE(粗線條)。則可用進路上所有道岔的開通標識序列0101表示調(diào)車進路SE，二者是對應(yīng)的。進路建立的原理表示見表1。

表1 進路建立的原理表示

數(shù)字序列10011……0，可唯一代表著由S端，經(jīng)由a、b、c、d、e……n到E端的唯一調(diào)車進路。

3.3 系統(tǒng)總成 進路確認裝置系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。系統(tǒng)由主機、采集分機、電臺分機、有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等幾部分構(gòu)成。關(guān)鍵部件為室外采集開關(guān)1(傳感器)、分機MCU單元2、電臺分機控制器6。

圖3 進路確認裝置的系統(tǒng)架構(gòu)

3.3.1 結(jié)構(gòu)說明 采集傳感開關(guān)1安裝在道岔上；分機MCU單元2，主要用作處理所轄區(qū)域傳感開關(guān)所采集的道岔開通和密貼程度數(shù)據(jù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，加密和校驗數(shù)據(jù)，防止傳輸過程的干擾；網(wǎng)絡(luò)單元按現(xiàn)場實際架設(shè)，可用有線/無線，也可混合組網(wǎng)，穩(wěn)定可靠并具一定經(jīng)濟性；系統(tǒng)核心單元安裝在工控機上，作用是根據(jù)道岔開通方向和密貼情況的數(shù)據(jù)，及時計算出調(diào)車進路的開通方向，并生成語音文本備查；電臺分機控制器6的作用是，使硬件充分兼容模擬、數(shù)字電臺，就近處理和傳遞數(shù)據(jù)，方便電臺語音通訊。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理流程 當?shù)啦戆鈩雍?，室外采集開關(guān)1(傳感器)會將道岔的開通方向和密貼程度，用連續(xù)或離散變量形式傳送到當?shù)氐牟杉謾C；采集分機對變量進行數(shù)字化，送LED7段數(shù)碼管顯示器顯示，扳道人員據(jù)此可知進路的開通方向。通過有線或無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，采集分機數(shù)據(jù)加密處理后送到系統(tǒng)的工控主機；工控主機8收集齊所有數(shù)據(jù)，依照無聯(lián)鎖區(qū)域上線路和道岔的拓樸關(guān)系，快速計算出調(diào)車進路最終的開通方向，并將結(jié)果存儲起來；調(diào)車作業(yè)人員需要時，操作手持電臺上的查詢按鈕，系統(tǒng)立即通過通訊網(wǎng)絡(luò)將調(diào)車進路開通安全數(shù)據(jù)發(fā)送到電臺分機；電臺分機進路數(shù)據(jù)合成語音向所有調(diào)車人員廣播出去。整個流程全方位記錄。

全部過程均按故障導向安全的原則建立，其中任一環(huán)節(jié)發(fā)生問題，系統(tǒng)都會記錄并發(fā)出警示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 組網(wǎng)技術(shù)及選擇 道岔開通方向數(shù)據(jù)采集后，必須迅速傳遞到數(shù)據(jù)處理中心，由系統(tǒng)計算出調(diào)車進路的開通指向，并回答調(diào)車人員的隨時查詢，其時間滯后不大于15 s。

1)有線組網(wǎng)方法有：422、485總線網(wǎng)、局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)輸送通過電纜和光纖，其抗干擾能力很強，速度取決于信號處理設(shè)備。建設(shè)難點是鋪設(shè)過程要挖溝和過軌，不但費用高而且還需要協(xié)調(diào)工務(wù)、電務(wù)及通訊部門。

2)無線組網(wǎng)方法有：數(shù)傳電臺總線網(wǎng)、GPRS、ZigBee、Lora等，這種方法的建設(shè)難點，在于要考慮數(shù)據(jù)傳輸過程中的抗干擾能力，以及數(shù)據(jù)處理的時效性。

各種組網(wǎng)方案優(yōu)缺點分析如下：

422總線網(wǎng)可以實現(xiàn)雙向四線雙工通信，速度快，數(shù)據(jù)可靠，傳輸距離不長，線材成本高；485總線網(wǎng)是異步單工通信比較成熟的總線網(wǎng)，速率高，通信可靠，最長距離可達1.2 Km；局域網(wǎng)優(yōu)點很多，但布網(wǎng)成本很高；數(shù)傳電臺總線網(wǎng)采用輪詢方式單工通信，數(shù)據(jù)延時小，但傳遞的數(shù)據(jù)量??；GPRS，穩(wěn)定可靠，但數(shù)據(jù)的安全性難以保證，延遲也無法控制，且使用需要付費；ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)自動入網(wǎng)、自動修復連接等功能，但同樣存在數(shù)據(jù)延遲；Lora組網(wǎng)技術(shù)具有低功耗，遠距離的優(yōu)勢，目前剛開始在國內(nèi)應(yīng)用。無線路由組網(wǎng)，前期投資和維護成本相當高。

考慮到在鐵路站場環(huán)境下，移動車輛對無線信號的干擾較大，而可靠的通信是保障系統(tǒng)安全的前提，所以在建立數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)時，應(yīng)優(yōu)先選擇有線方式。在建設(shè)不便時，可以選擇獨立組網(wǎng)，避免使用公網(wǎng)。至于是選擇數(shù)傳電臺還是ZigBee組網(wǎng)、或者Lora組網(wǎng)，則取決于無線傳輸距離和成本核算。

4.2 進路計算方法 這里作兩條假設(shè)，并仍以圖1為例進行說明：

1）調(diào)車進路數(shù)目有限假設(shè)。針對具體的站場，即使考慮到平行進路和共用軌道區(qū)段，所有的調(diào)車進路都是有限的，且是可窮舉的。

2）調(diào)車進路標準構(gòu)型假設(shè)。即所有調(diào)車進路的構(gòu)成情形，都可以抽象統(tǒng)一為如圖1所示的標準構(gòu)型。對于多調(diào)機作業(yè)的站場，實際作業(yè)是要分區(qū)的，跨區(qū)作業(yè)必須申請和歸還，視為一區(qū)作業(yè)；對于一區(qū)內(nèi)存在平行進路的站場，可通過切割或增加進路數(shù)，總是可以將所有的調(diào)車進路的構(gòu)成情形，統(tǒng)一為圖1的布置形式。

4.2.1 枚舉算法 枚舉算法道岔定反位與進路開通的關(guān)系見表2。

表2 枚舉算法道岔定反位與進路開通的關(guān)系

①S到貨1的調(diào)車進路，可有1×2×2×2=8個數(shù)字序列表示，即其中任一序列就可判定為調(diào)車進路為S到貨1。標記為進路序列1～8；

②S到貨2的調(diào)車進路，可有1×1×1×2=2個數(shù)字序列表示，即其中任一序列就可判定為調(diào)車進路為S到貨2。標記為進路序列9～10；

③S到貨3的調(diào)車進路，可有1×1×1×1=1個數(shù)字序列表示。標記為進路序列11；

④S到貨4的調(diào)車進路，可有1×1×1×1=1個數(shù)字序列表示。標記為進路序列12；

⑤S到貨5的調(diào)車進路，可有1×1×2×2=4個數(shù)字序列表示，即其中任一序列就可判定為調(diào)車進路為S到貨5。標記為進路序列13～16；

則可用16個數(shù)字序列表示5條調(diào)車進路，但可保證每個數(shù)字序列只能對應(yīng)一條調(diào)車進路開通。

通過遍歷站場內(nèi)所有道岔的定反位數(shù)據(jù)，可獲得一個數(shù)字序列，將該序列與所有的進路序列表比對，如果完全相符，即可確定唯一開通的調(diào)車進路。

4.2.2 拋棄算法 通過分析道岔開通方向與調(diào)車進路間的對應(yīng)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)當某道岔處于某一狀態(tài)(1/0)時，對應(yīng)的某一進路無法建立。此時定義該道岔開通方向與對應(yīng)進路的關(guān)系為否，標注為0。比對計算中，如果遇到這樣的情況，則可以不再繼續(xù)比對開通這一線路的進路序列表，從而極大地減少了計算工量，提高了算法效率。

根據(jù)表2列出的數(shù)據(jù)，可演算出道岔定反位與進路開通的關(guān)系如表3所示。

表3 拋棄算法道岔定反位與進路開通的關(guān)系

當連續(xù)搜索道岔的定反位時，不再比對的數(shù)字列表可持續(xù)增加。如相繼搜索到1、2號岔均為反位時，則不需比對數(shù)字列表1～12，可放棄的計算量更多。4.2.3 一般算法 算法流程如圖4所示。

圖4 一般算法流程圖

當站場道岔數(shù)量多，連結(jié)復雜，且進路較多時，采用拋棄算法對計算效率的提高非常顯著。

4.3 電臺查詢技術(shù)方案 無線調(diào)車燈顯設(shè)備系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線通話、控制機車起停和速度。中國鐵路總公司相關(guān)文件嚴格規(guī)范和限制了電臺上信令按鈕的設(shè)置和使用，使用者必須遵守。本文研發(fā)的替代系統(tǒng)既不能改變調(diào)車作業(yè)方法，又不能增加作業(yè)人員負擔，還要適應(yīng)電臺由模擬向數(shù)字制式的轉(zhuǎn)換。對于模擬電臺，受調(diào)車電臺組合鍵的啟發(fā)，這里定義了側(cè)面通話鍵組合的協(xié)議，在規(guī)定時間內(nèi)斷續(xù)按壓幾次，即可發(fā)出查詢指令。對于數(shù)字電臺，如果電臺廠家開放了側(cè)面鍵通訊協(xié)議，則可在此基礎(chǔ)上開發(fā)側(cè)面鍵查詢功能；如果電臺廠家不開放側(cè)面鍵通訊協(xié)議，則可采取增加原有信令板通訊功能的方法并將其連接側(cè)面鍵，供進路查詢使用。

5 推廣與應(yīng)用

無聯(lián)鎖區(qū)域調(diào)車進路確認裝置目前已在廣州局集團公司近30個車站運用，并推廣到上海局、昆明局部分車站。該裝置使用效果良好。以廣州車務(wù)段為例，應(yīng)用該裝置后，基本上消除了調(diào)車事故的發(fā)生。

使用本裝置，改造一付道岔的花費只需6～8萬元，且可利用調(diào)車間隙施工，對日常調(diào)車作業(yè)影響極小；同時不增加調(diào)車人員所攜帶的燈顯設(shè)備。與電氣集中改造每付道岔要30～60萬元的投入相比，本裝置的經(jīng)濟效益非常明顯，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。