鐵路車站調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控技術(shù)研究

馮 軍，趙 陽，尚麟宇

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

1 鐵路車站調(diào)車作業(yè)安全管理現(xiàn)狀

調(diào)車作業(yè)是鐵路運輸組織中的重要環(huán)節(jié)，保障調(diào)車作業(yè)安全是實現(xiàn)鐵路運輸生產(chǎn)穩(wěn)定高效運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。鐵路車站調(diào)車作業(yè)點多面廣，情況多變，始終是車站安全管理中的重點和難點問題，按作業(yè)機車類型不同劃分，可主要分為專用調(diào)車機車調(diào)車作業(yè)、本務(wù)機車調(diào)車作業(yè)、自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備調(diào)車作業(yè)3類。隨著近幾年無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)(STP)等技防裝備陸續(xù)安裝使用，專用調(diào)車機的作業(yè)安全得到了有效卡控[1]，調(diào)車作業(yè)常見的冒進信號和超速等造成的“沖、脫、擠”等慣性事故發(fā)生率明顯降低，對控制調(diào)車作業(yè)風險，減少調(diào)車事故對列車的干擾，減輕調(diào)車作業(yè)人員的勞動強度，提高調(diào)車作業(yè)效率發(fā)揮了重要作用。與此相比，本務(wù)機車和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備調(diào)車作業(yè)的安全卡控手段明顯缺乏，隨著貨運增量和“公轉(zhuǎn)鐵”行動的持續(xù)推進，在企業(yè)專用線陸續(xù)接入國家鐵路車站后，中間站的調(diào)車作業(yè)將明顯增加，對調(diào)車作業(yè)的安全和效率提出了更高的要求，本務(wù)機車和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備調(diào)車作業(yè)安全已逐漸凸顯，成為鐵路行車安全防護中的薄弱環(huán)節(jié)[2]。

本務(wù)機車的調(diào)車作業(yè)主要包括始發(fā)和終到的甩掛作業(yè)、依據(jù)運輸調(diào)車安排進行的甩掛調(diào)車作業(yè)及出入庫調(diào)車作業(yè)等。中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)現(xiàn)有近20000 臺本務(wù)機車，調(diào)車作業(yè)分散在全路近3000 個車站中，本務(wù)機車的調(diào)車作業(yè)多數(shù)是由對站場不熟悉的司乘人員完成，存在作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)區(qū)域多變、走行進路多變、配合人員多變、調(diào)車任務(wù)多變等特點，造成調(diào)車作業(yè)安全風險因素較多，時常發(fā)生“沖、拖、擠”事故。本務(wù)機車發(fā)生事故后影響正線列車的幾率高，觸及旅客安全紅線。現(xiàn)有本務(wù)機車調(diào)車安全主要依賴乘務(wù)員和調(diào)車組的人防為主，技防措施僅能通過LKJ 的“調(diào)車模式”和“出入庫模式”防止作業(yè)速度不超過最高限速，對調(diào)車信號機、站界、盡頭線等場景無法防護。

自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括在運營線上運行的軌道車及施工、維修專用車輛，在路料運輸、施工維護作業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。從自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的行車事故統(tǒng)計來看，調(diào)車作業(yè)事故占很大比重，安全風險主要來源以下方面。一是安全管理水平有待提高。自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備乘務(wù)員和調(diào)車指揮人員的技能培訓和安全管理主要由工務(wù)、供電單位承擔，在調(diào)車作業(yè)技能、現(xiàn)場添乘檢查、運行數(shù)據(jù)分析等方面的知識掌握有限。近年來工電系統(tǒng)持續(xù)推行自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的“機務(wù)化”運用管理，堅持“小車管理、大車標準”，但建立完善的安全管理制度仍是長期過程。二是調(diào)車作業(yè)流動性較大。由于自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的作業(yè)特點所決定，作業(yè)人員對站場、設(shè)備的熟悉程度較低，對規(guī)范制度的掌握執(zhí)行及對車站作業(yè)細則的掌握不夠，臨時性、不確定性問題突出。三是調(diào)車作業(yè)與施工維修穿插進行。由于自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備基本在站場施工和設(shè)備維修的天窗點內(nèi)穿插進行，受保正點開通、搶修搶險等外界因素影響，存在疲勞作業(yè)、簡化操作、聯(lián)控不到位等情況，經(jīng)常導致自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備調(diào)車作業(yè)中發(fā)生事故?，F(xiàn)有自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備調(diào)車作業(yè)也以人防為主，GYK 設(shè)備“調(diào)車模式”僅能進行固定最高限速防護，對調(diào)車信號機、站界、盡頭線等場景無法防護[3]。

統(tǒng)計分析近年來各鐵路局集團公司調(diào)車安全事故，由本務(wù)機車和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備造成的調(diào)車事故占比不斷上升，已成為鐵路行車安全防護中的薄弱環(huán)節(jié)，建立覆蓋專用調(diào)車機、本務(wù)機、自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的調(diào)車安全防護體系已經(jīng)成為鐵路安全管理的迫切需求[4]。由于本務(wù)機和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備相比于專用調(diào)車機，具有存量機車數(shù)量大、同時作業(yè)機車多、作業(yè)站場隨機性強等突出特點，將STP 技術(shù)拓展至本務(wù)機和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備運用，需要在現(xiàn)有STP技術(shù)基礎(chǔ)上解決3 方面問題：一是優(yōu)化機車初始定位方式，減少站場和機車固定設(shè)備數(shù)量；二是實現(xiàn)存留車測距，解決現(xiàn)有STP 系統(tǒng)控制盲點；三是增加車地間無線通信通道帶寬，減少頻率干擾。此外，應(yīng)實現(xiàn)設(shè)備的簡單統(tǒng)一化設(shè)計，降低車載設(shè)備成本。因此，應(yīng)加強本務(wù)機和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備調(diào)車作業(yè)中采用STP 技術(shù)制約因素分析，探討鐵路車站調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)。

2 鐵路車站調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控制約因素分析

2.1 車列位置定位方式局限性

調(diào)車車列位置的定位和跟蹤是實現(xiàn)車站調(diào)車安全監(jiān)控的核心問題，現(xiàn)用STP 系統(tǒng)主要由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成，車地間通過專用無線通信設(shè)備進行信息交互，地面設(shè)備通過與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)信息交互獲得車站信號機、軌道電路、道岔等設(shè)備狀態(tài)，站場出入口安裝無源點式應(yīng)答定位器進行機車初始定位。該種方式需在站場地面安裝定位器設(shè)備，在機車上安裝應(yīng)答器接收裝置，設(shè)備組成較為復(fù)雜，運維工作量較大。同時該方式使用中也存在功能局限，當車列推進進入站場集中區(qū)作業(yè)時，只有當機車經(jīng)過應(yīng)答器時系統(tǒng)才能獲取初始定位信息進入控制模式，發(fā)揮安全防護作用，但因受進入集中區(qū)前無岔區(qū)段長度的限制，應(yīng)答定位器安全位置距離集中區(qū)第一架調(diào)車信號機一般不能超過200 m，推進作業(yè)時經(jīng)常發(fā)生調(diào)車機沒有進入控制模式，但推進車列的頭部已經(jīng)越過第一或多架信號機，甚至進入股道的情況，使整個推進作業(yè)過程喪失安全防護功能情況的發(fā)生[5]。車列推進進入站場作業(yè)風險示意圖如圖1 所示。

圖1 車列推進進入站場作業(yè)風險示意圖Fig.1 Risk of train pushing operation into the station

2.2 股道存留車位置準確獲取

存留車位置的探測技術(shù)是實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)安全速度聯(lián)掛的技術(shù)關(guān)鍵，現(xiàn)用STP 系統(tǒng)無法準確測量車列與股道或區(qū)段內(nèi)存放車輛間的距離，當車列前方進入存車距離未知股道后系統(tǒng)進行報警，但無法實現(xiàn)“距離－速度”模式的安全防護，存在作業(yè)安全風險。當調(diào)車機進入股道連掛停留車后如繼續(xù)推進，STP 系統(tǒng)雖進入前方信號距離未知報警模式，但司機如果連續(xù)盲目按警惕鍵操作，車列仍可繼續(xù)推進，存在冒進股道另一側(cè)防護信號機的風險。當這種情況發(fā)生時，一旦臨線股道排列進出股道的調(diào)車或列車進路，很可能造成破壞進路或側(cè)沖事故的發(fā)生。從多年應(yīng)用經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，隨著調(diào)車作業(yè)司乘人員對STP 設(shè)備的長時間使用，對設(shè)備的依賴程度會不斷提高，“只報警不控車”所引發(fā)的安全風險會愈發(fā)突出[6]。存車距離未知聯(lián)掛作業(yè)風險示意圖如圖2 所示。

圖2 存車距離未知聯(lián)掛作業(yè)風險示意圖Fig.2 Risk of unknown distance of coupling propulsion operation

2.3 無線信息交互運用需求

機車與地面間快速、及時、準確的無線信息交互是實現(xiàn)車站調(diào)車安全監(jiān)控的基礎(chǔ)條件，在用STP 系統(tǒng)車地通信主要采用無線數(shù)傳電臺的半雙工雙向通信方式，當一站多車時使用逐車輪詢通信模式，實現(xiàn)一套地面設(shè)備對多臺調(diào)車機的安全控制，最大可承載5 臺機車的控制需求?？捎猛ㄐ蓬l段包括450 MHz，400 MHz，230 MHz 等，系統(tǒng)使用4 ～ 6 個頻點，各站地面設(shè)備按交替循環(huán)方式進行配置，車載設(shè)備依據(jù)作業(yè)站場切換至與地面設(shè)備一致頻點。但隨著安裝車站數(shù)量的增多，頻率資源的匱乏日益凸顯，尤其在樞紐地區(qū)干擾現(xiàn)象多發(fā)，影響設(shè)備使用效果，無法滿足本務(wù)機車和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的應(yīng)用需求。在國鐵集團課題支持下，部分車站進行了基于GSM-R 的電路域?qū)崿F(xiàn)STP 車地通信的研究和試驗，一臺機車需與地面通信基站建立一個電路連接，多臺機車需建立多個電路連接，當同時作業(yè)車輛較多時占用頻率資源較多，GSM-R 數(shù)據(jù)傳輸速率低，帶寬窄，尤其GSM-R承載業(yè)務(wù)已趨近飽滿，很難滿足作業(yè)繁忙站場多臺調(diào)車機車、本務(wù)機車、自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備對于車地通信的無線通信資源需求。

3 鐵路車站調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)優(yōu)化車列定位方式

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是中國自主研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，能夠提供全天時、全天候的高精度、高可靠的定位和速度信息，采用差分方式定位精度可達分米級。在機車上安裝的北斗衛(wèi)星信號接收機實時向車載主機傳送衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合LKJ 提供的相關(guān)信息與車站聯(lián)鎖條件進行綜合判斷，能夠解決機車或車列的初始定位問題。利用北斗定位技術(shù)代替應(yīng)答定位器定位，可以簡化車載設(shè)備結(jié)構(gòu)，站場無需安裝應(yīng)答定位器。該方式定位速度快、無累計誤差、通用性強、減少設(shè)備維護工作量，可以滿足多臺機車同時作業(yè)的定位需求。車站北斗定位系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 車站北斗定位系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of Beidou Positioning System in the station

為減少因各種外界因素影響給衛(wèi)星定位結(jié)果造成的誤差，采用RTK (Real Time Kinematic)實時動態(tài)定位技術(shù)來提高定位精度，選取車站周邊的開闊地帶建立衛(wèi)星參考站，參考站將自身的地理坐標信息和觀測到的載波相位測量值通過有線/無線通信網(wǎng)發(fā)送至地面BDS 差分服務(wù)器，BDS 差分服務(wù)器綜合接收到的多個參考站的數(shù)據(jù)，通過站場的無線通信網(wǎng)向車載衛(wèi)星接收機提供VRS (虛擬參考站)信號，衛(wèi)星接收機對接收到的衛(wèi)星信號和VRS 信號進行聯(lián)合運算，采用差分方式減少機車位置觀測數(shù)據(jù)中的誤差，獲得分米級定位結(jié)果，滿足鐵路站場機車定位的運用需求。

3.2 采用雷達和視頻技術(shù)實現(xiàn)存留車位置探測

汽車自動駕駛技術(shù)正在如火如荼發(fā)展，在自動駕駛技術(shù)中通常利用視頻識別和雷達探測技術(shù)實現(xiàn)周圍環(huán)境的智能感知和識別。針對調(diào)車作業(yè)特點開發(fā)了一套由小型攝像頭、激光雷達測距儀、LTE傳輸模塊、衛(wèi)星定位模塊組成的距離探測器裝置。距離探測器放置在車列前端自動識別調(diào)車作業(yè)進入集中區(qū)的第一架信號機，也可放置在股道存車距離未知的兩端車輛上識別探測距推進車列及前方信號機的距離。距離探測器裝置組成結(jié)構(gòu)如圖4 所示。通過無線通信通道將信號機和距離信息發(fā)送至STP系統(tǒng)車載設(shè)備，實現(xiàn)STP 系統(tǒng)對進入集中區(qū)第一架信號機和股道存車距離位置的安全防護，實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)信號安全控制模式的全覆蓋[7]。

3.3 采用LTE無線通信技術(shù)解決信息傳輸瓶頸

《鐵路信息化總體規(guī)劃》(鐵總信息[2017]152號)中明確，到2020年車站(場)寬帶無線覆蓋率達到60%以上，涵蓋編組站、貨運站、客運站、動車段所和集中箱中心。《鐵路站場寬帶無線接入系統(tǒng)總體技術(shù)要求(暫行)》中規(guī)劃在站場無線通信中采用1.8GHz 頻段LTE 技術(shù)，該方式具有通信安全穩(wěn)定、抗干擾性能好、設(shè)備可靠穩(wěn)定等優(yōu)勢，可使用一張網(wǎng)綜合承載站場列檢、貨檢、調(diào)車、車號、客貨運等語音、數(shù)據(jù)、圖像的通信業(yè)務(wù)需求[8]。

STP 系統(tǒng)可采用LTE 基于IP 分組數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)點對點的通信，滿足STP 系統(tǒng)對車地通信實時性高，不間斷的需求，可有效解決拓展至本務(wù)機車及自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備使用的瓶頸問題。隨著國家無線電管理委員會關(guān)于450 M 頻段無線數(shù)傳設(shè)備逐步退出使用規(guī)劃的實施，以及2025年后G 網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商停止對GSM-R 設(shè)備的升級和技術(shù)支持，開展STP 系統(tǒng)適用LTE 通信制式的應(yīng)用技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗可有效應(yīng)對通信技術(shù)和裝備的升級換代，為建立覆蓋全路各類機車的調(diào)車安全防護技術(shù)和裝備提供充足的車地傳輸通信資源空間。

圖4 距離探測器裝置組成結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of distance detector

4 結(jié)束語

STP 技術(shù)及裝備作為我國鐵路調(diào)車安全防護技術(shù)裝備創(chuàng)新的核心成果，已逐步成為調(diào)車作業(yè)安全防護的關(guān)鍵技術(shù)裝備，在現(xiàn)有STP 技術(shù)基礎(chǔ)上，對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行深化研究，建立覆蓋各類機車的調(diào)車安全防護系統(tǒng)已成為未來技術(shù)發(fā)展方向。目前，已在中國鐵路西安局集團有限公司隴海線進行了利用衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)機車定位試驗，在中國鐵路太原局集團有限公司煤炭企業(yè)車站進行了存留車位置探測試驗，在中國鐵路哈爾濱局集團有限公司進行了LTE 通信的試驗室仿真試驗，滿足本務(wù)機車和自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的調(diào)車安全防護運用需求，有效解決鐵路調(diào)車安全薄弱環(huán)節(jié)，補齊安全防護裝備短板，不斷完善我國鐵路安全技術(shù)體系和裝備現(xiàn)代化。