新型鐵路調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)

林曉軍

（中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250000）

隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)列車(chē)行車(chē)安全需求不斷提升，對(duì)行車(chē)安全裝備的要求也進(jìn)一步提高。我國(guó)鐵路采用中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS）[1]，使列車(chē)區(qū)間運(yùn)行安全得到設(shè)備保障，但在出入庫(kù)、中間站調(diào)車(chē)、區(qū)間調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中存在防護(hù)功能的薄弱環(huán)節(jié)，較多依賴司機(jī)人工操作，本務(wù)機(jī)車(chē)、軌道車(chē)調(diào)車(chē)作業(yè)事故時(shí)有發(fā)生，威脅列車(chē)運(yùn)行安全，因此調(diào)車(chē)安全作業(yè)防護(hù)需著力解決。

1 調(diào)車(chē)作業(yè)機(jī)控設(shè)備現(xiàn)狀分析

當(dāng)前機(jī)車(chē)、軌道車(chē)上均安裝相應(yīng)的運(yùn)行控制裝置：（1）機(jī)車(chē)上安裝列車(chē)運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）：提供車(chē)站、庫(kù)內(nèi)調(diào)車(chē)作業(yè)40 km/h 的頂棚限速控制；依據(jù)地面信標(biāo)實(shí)現(xiàn)土擋防護(hù)。（2）軌道車(chē)上安裝軌道車(chē)運(yùn)行控制設(shè)備（GYK）：提供車(chē)站、庫(kù)內(nèi)調(diào)車(chē)作業(yè)40 km/h 的頂棚限速控制。但上述2種設(shè)備在調(diào)車(chē)作業(yè)安全防護(hù)的功能比較有限。（3）針對(duì)駐站專(zhuān)用調(diào)車(chē)，安裝了無(wú)線調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)（STP）［2-5］，功能較完善但存在同時(shí)受控移動(dòng)設(shè)備有限、投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。STP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

STP系統(tǒng)由地面設(shè)備和車(chē)載設(shè)備組成。地面設(shè)備主要包括：地面主機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)、電務(wù)維護(hù)終端、車(chē)務(wù)維護(hù)終端、地面點(diǎn)式應(yīng)答定位器。車(chē)載設(shè)備主要包括：車(chē)載主機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)、應(yīng)答定位器接收模塊及天線、LKJ調(diào)車(chē)監(jiān)控接口盒（完成與LKJ設(shè)備通信）。

車(chē)載設(shè)備與地面設(shè)備通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)通信，地面設(shè)備從車(chē)站聯(lián)鎖獲取調(diào)車(chē)信號(hào)、道岔、軌道區(qū)段占用狀態(tài)和調(diào)車(chē)進(jìn)路等信息，結(jié)合車(chē)載設(shè)備發(fā)送的位置等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算列車(chē)防護(hù)控制曲線，實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能。STP系統(tǒng)選擇地面信標(biāo)進(jìn)行定位、通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)傳輸聯(lián)鎖信息和地面設(shè)備計(jì)算防護(hù)控制曲線的方案，增加了設(shè)備投資和站場(chǎng)安裝、施工的難度。直接采用STP系統(tǒng)用于機(jī)車(chē)及軌道車(chē)的調(diào)車(chē)防護(hù)，存在如下問(wèn)題：

圖1 STP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）STP系統(tǒng)主要針對(duì)特定站場(chǎng)和相對(duì)固定的專(zhuān)調(diào)機(jī)車(chē)，不同站場(chǎng)所用技術(shù)不統(tǒng)一，不同廠家不能互聯(lián)互通，不適應(yīng)于機(jī)車(chē)、軌道車(chē)大范圍多站場(chǎng)切換調(diào)用。

（2）STP系統(tǒng)車(chē)地通信采用數(shù)傳電臺(tái)一對(duì)一輪詢機(jī)制，每站只能5～8個(gè)車(chē)載設(shè)備在線運(yùn)用，編組場(chǎng)、區(qū)段站等車(chē)站機(jī)車(chē)、軌道車(chē)同時(shí)在線數(shù)量多，無(wú)法同時(shí)運(yùn)用。

（3）STP 系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備、地面設(shè)備投資較大，1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)站投資約60 萬(wàn)元，機(jī)車(chē)加裝費(fèi)用約20 萬(wàn)元，全路已加裝STP地面系統(tǒng)的車(chē)站大約10%，剩余車(chē)站如加裝則費(fèi)用巨大。

（4）STP系統(tǒng)的車(chē)載及地面設(shè)備較多，施工和后期維護(hù)的工作量較大。

綜上所述，當(dāng)前安裝的列控設(shè)備（LKJ、GYK）只實(shí)現(xiàn)了有限的調(diào)車(chē)作業(yè)防護(hù)功能［6］，沒(méi)有覆蓋防護(hù)調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，如調(diào)車(chē)信號(hào)、固定地點(diǎn)、運(yùn)行徑路限速等場(chǎng)景的作業(yè)防護(hù)，而且當(dāng)前列控設(shè)備的技術(shù)體系中缺少獲取地面調(diào)車(chē)信號(hào)、車(chē)站聯(lián)鎖的信息接口和站場(chǎng)數(shù)據(jù)等，不具備調(diào)車(chē)防護(hù)的功能，只能交由司機(jī)人工防護(hù)，因此調(diào)車(chē)作業(yè)中會(huì)出現(xiàn)撞車(chē)擋、擠道岔、掉無(wú)電區(qū)、超速、闖藍(lán)燈、掉道、越站界等問(wèn)題。而STP 系統(tǒng)由于同時(shí)在線受控對(duì)象有限，STP 技術(shù)方案無(wú)法直接應(yīng)用于機(jī)車(chē)、軌道車(chē)上的調(diào)車(chē)作業(yè)防護(hù)，而且投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)，這也是STP 系統(tǒng)發(fā)展20余年仍未全面應(yīng)用的主要原因。

2 新型鐵路調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）技術(shù)應(yīng)符合安全、可靠、成熟、先進(jìn)的原則，充分利用既有設(shè)備，避免設(shè)備重復(fù)投資。

（2）適應(yīng)本務(wù)機(jī)車(chē)和軌道車(chē)調(diào)車(chē)作業(yè)安全防護(hù)的需求。

（3）遵循故障-安全原則，適應(yīng)鐵路運(yùn)輸安全發(fā)展的需要。

（4）與既有設(shè)備及操作方式兼容，便于維護(hù)管理以及司機(jī)操作。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 列車(chē)定位技術(shù)

目前鐵路列車(chē)定位普遍采用信標(biāo)、應(yīng)答器等定位方式，在鋼軌線路中間安裝地面設(shè)備，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)讀取地面設(shè)備信息完成定位。由于車(chē)站線路復(fù)雜，存在地面設(shè)備數(shù)量多、施工成本高、后期維護(hù)工作量大和車(chē)載定位不連續(xù)等問(wèn)題。隨著中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日益完善［7］，單點(diǎn)定位精度4～5 m，性能優(yōu)于全球定位系統(tǒng)（GPS），但仍不能滿足區(qū)分站內(nèi)不同股道的精準(zhǔn)定位，需要采用地基增強(qiáng)差分北斗定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。新型鐵路調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)在鐵路沿線建設(shè)地基差分增強(qiáng)站，向車(chē)載設(shè)備發(fā)送差分修正信息，由車(chē)載設(shè)備采取自主定位算法消除衛(wèi)星固有誤差，如星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、大氣層折射誤差、多徑誤差等，從而實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位（見(jiàn)圖2）。

圖2 差分定位示意圖

安裝北斗差分定位設(shè)備的機(jī)車(chē)、軌道車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)測(cè)處于載波相位差分技術(shù)（RTK）固定解狀態(tài)的差分定位精度結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)表明RTK 下的衛(wèi)星定位精度穩(wěn)定地保持在0.16 m 以下，精度能滿足調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)在站場(chǎng)里定位股道的要求。與其他技術(shù)相比，北斗衛(wèi)星差分定位技術(shù)作為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)不僅技術(shù)更新可持續(xù)跟進(jìn)、實(shí)施難度低、施工成本低和維護(hù)工作量小，而且定位精度高，可實(shí)現(xiàn)列車(chē)的連續(xù)定位，不受氣候影響。

2.2.2 站場(chǎng)狀態(tài)信息獲取

實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)信號(hào)的安全防護(hù)，需要獲取站場(chǎng)狀態(tài)信息，針對(duì)不同的信號(hào)來(lái)源可采用不同的方案。機(jī)務(wù)段（折返段）內(nèi)，可從機(jī)務(wù)段股道管理自動(dòng)化系統(tǒng)獲取站場(chǎng)狀態(tài)信息；在安裝有STP 系統(tǒng)的車(chē)站，可直接利用STP系統(tǒng)廣播的站場(chǎng)聯(lián)鎖信息，從車(chē)站聯(lián)鎖獲取的站場(chǎng)狀態(tài)信息具備實(shí)時(shí)性高、時(shí)延低等特點(diǎn)；對(duì)于區(qū)間通過(guò)車(chē)站或少量調(diào)車(chē)作業(yè)且未安裝STP系統(tǒng)的站場(chǎng)，可研究接入調(diào)度集中/列車(chē)調(diào)度指揮系統(tǒng)（CTC/TDCS），獲取車(chē)站聯(lián)鎖信息，用于車(chē)載調(diào)車(chē)安全防護(hù)和預(yù)警；對(duì)于智能移動(dòng)脫軌器的車(chē)站，系統(tǒng)可預(yù)留與脫軌器管理服務(wù)器接口。站場(chǎng)狀態(tài)信息采集方案示意見(jiàn)圖3。

圖3 站場(chǎng)狀態(tài)信息采集方案示意圖

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由車(chē)載子系統(tǒng)、站場(chǎng)地面子系統(tǒng)和運(yùn)用維護(hù)管理子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖4。

（1）車(chē)載子系統(tǒng)由調(diào)車(chē)防護(hù)裝置和LKJ組成，已安裝LKJ 的機(jī)車(chē)、軌道車(chē)可利用既有LKJ，只需加裝調(diào)車(chē)防護(hù)裝置。調(diào)車(chē)防護(hù)裝置具備無(wú)線調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)接收、無(wú)線調(diào)車(chē)燈顯信令接收、無(wú)線通信、北斗差分定位、調(diào)車(chē)防護(hù)控制計(jì)算和控車(chē)指令輸出等功能，調(diào)車(chē)防護(hù)裝置與LKJ進(jìn)行通信，通過(guò)LKJ完成人機(jī)交互功能、制動(dòng)指令輸出和記錄等功能。

（2）站場(chǎng)地面子系統(tǒng)包括站場(chǎng)狀態(tài)采集接口和北斗差分基站設(shè)備。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（3）運(yùn)用維護(hù)管理子系統(tǒng)通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)與車(chē)載子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)鐵路安全傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)接入鐵路專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程更新及換裝［8］、BDS 差分信息采集處理及轉(zhuǎn)發(fā)、車(chē)載設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)［9］和回放、生成管理報(bào)表等功能。

2.4 車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)

車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑，可采用的方式有GSM-R、數(shù)傳電臺(tái)和移動(dòng)公網(wǎng)（3G/4G）。

GSM-R 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是專(zhuān)門(mén)為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專(zhuān)用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)［10］，適用于鐵路通信特別是鐵路專(zhuān)用調(diào)度通信，安全性高；數(shù)傳電臺(tái)通信廣泛應(yīng)用于鐵路無(wú)線列調(diào)、平調(diào)燈顯設(shè)備、列尾設(shè)備、STP等系統(tǒng)中，采用專(zhuān)用頻率，不易受其他設(shè)備的干擾，具備數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)短、實(shí)時(shí)性高、通信覆蓋距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)；移動(dòng)公網(wǎng)通信（3G/4G）網(wǎng)絡(luò)采用常規(guī)蜂窩組網(wǎng)方式，具有傳輸速率高、兼容性好、通信質(zhì)量高、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用擴(kuò)展性。

系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備配置數(shù)傳電臺(tái)/GSM-R 和移動(dòng)公網(wǎng)通信設(shè)備，在配置STP 的車(chē)站通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)與站場(chǎng)地面子系統(tǒng)通信，在GSM-R 覆蓋的車(chē)站通過(guò)GSM-R 網(wǎng)與地面站場(chǎng)子系統(tǒng)通信，其他車(chē)站通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)（3G/4G）與站場(chǎng)地面子系統(tǒng)通信。各種車(chē)地通信方案對(duì)比見(jiàn)表1。

2.5 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)基于LKJ安全運(yùn)算平臺(tái)，通過(guò)采集站場(chǎng)地面聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)信息（調(diào)車(chē)信號(hào)、道岔狀態(tài)、軌道區(qū)段狀態(tài)），結(jié)合車(chē)載設(shè)備中存儲(chǔ)的站場(chǎng)和區(qū)間線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行速度等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)、軌道車(chē)調(diào)車(chē)作業(yè)的實(shí)時(shí)防護(hù)控制。主要功能如下：

表1 車(chē)地通信方案對(duì)比

（1）調(diào)車(chē)作業(yè)輔助及安全防護(hù)。司機(jī)在進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中，需要掌握線路、地面信號(hào)和當(dāng)前車(chē)列狀態(tài)，系統(tǒng)能提供站場(chǎng)情況、地面信號(hào)、限速等信息，并以顯示、語(yǔ)音等方式提示給司機(jī)，輔助司機(jī)在惡劣天氣、復(fù)雜站場(chǎng)和夜間行車(chē)視覺(jué)不易觀察時(shí)進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)，減少人為失誤。實(shí)現(xiàn)站界、盡頭線、牽出線、機(jī)待線、接觸網(wǎng)終點(diǎn)位置、固定脫軌器和道岔、特殊限速地段等固定點(diǎn)防護(hù)，以及調(diào)車(chē)信號(hào)機(jī)防冒、軌道車(chē)區(qū)間作業(yè)、區(qū)間救援等場(chǎng)景的防護(hù)控制，采取“機(jī)控”替代“人控”，防止調(diào)車(chē)作業(yè)安全事故。

（2）調(diào)車(chē)作業(yè)安全管理。通過(guò)提供調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)記錄、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和回放功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)司機(jī)調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)督，為提高作業(yè)效率和事故分析提供技術(shù)支撐。

2.6 故障-安全設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按照故障-安全的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)獲取的聯(lián)鎖信息、系統(tǒng)定位信息以及系統(tǒng)通信狀態(tài)等條件，設(shè)置不同的調(diào)車(chē)防護(hù)控制策略。系統(tǒng)故障后工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換見(jiàn)圖5。

當(dāng)系統(tǒng)判斷調(diào)車(chē)防護(hù)控制功能故障時(shí)會(huì)退出調(diào)車(chē)防護(hù)控制狀態(tài)，LKJ按照調(diào)車(chē)目視模式控制，同時(shí)輸出語(yǔ)音提示指令，LKJ屏幕顯示器彈出提示信息；輸出語(yǔ)音提示指令7 s 內(nèi)得到司機(jī)按鍵應(yīng)答信息的，LKJ 解除輸出語(yǔ)音提示指令；輸出語(yǔ)音提示指令時(shí)間達(dá)7 s 未得到司機(jī)按鍵應(yīng)答信息的，LKJ輸出緊急制動(dòng)指令，確保系統(tǒng)在故障狀態(tài)下導(dǎo)向安全側(cè)。

圖5 系統(tǒng)故障后工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3 優(yōu)勢(shì)分析

該系統(tǒng)與STP系統(tǒng)相比，利用最新的地基增強(qiáng)北斗差分定位+STP 廣播信息，結(jié)合移動(dòng)通信技術(shù)，增加了對(duì)CTC/TDCS 系統(tǒng)站場(chǎng)狀態(tài)接口，采取車(chē)載調(diào)車(chē)防護(hù)主機(jī)計(jì)算防護(hù)功能并與LKJ深入融合的方案，簡(jiǎn)化了地面設(shè)備、增加了同時(shí)在線控制的機(jī)車(chē)、軌道車(chē)數(shù)量。該系統(tǒng)在功能、性能、適應(yīng)性、兼容性等方面更具優(yōu)勢(shì)，具體對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 新型鐵路調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)與STP系統(tǒng)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

2017年6 月，由中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司組織成立新型鐵路調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)研究課題組，至2019年底已完成機(jī)車(chē)、軌道車(chē)的運(yùn)行試用考核。試用考核期間，系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、LKJ既有各項(xiàng)控制功能正常、調(diào)車(chē)防護(hù)控制功能正常，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求，有效解決了機(jī)車(chē)和軌道車(chē)調(diào)車(chē)作業(yè)人工操作存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了鐵路調(diào)車(chē)作業(yè)的安全性。