淺談機車站場調車作業(yè)安全防護系統(tǒng)研究及意義

高 旭

(國能新朔鐵路有限責任公司 機務分公司 科技裝備中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

目前，擔當牽引任務的機車從出段至始發(fā)車站進行掛車作業(yè)，中間站執(zhí)行調車作業(yè)任務或終到車站摘掛至進入段內的過程中(包括出段/入段、進入/駛離車站、穿越車站股道、轉線等)，乘務員依據地面調車信號機的顯示(藍、白燈或紅燈)操縱機車運行。因受站場軌道電路等條件制約，地面信號機顯示藍燈或白燈時，以及出庫閘樓信號機顯示紅燈時，機車信號均為白燈狀態(tài)，當機車在上述場景下運行時，列車運行監(jiān)控裝置(LKJ)只具備防止超速運行功能，不能對調車關閉信號、股道存留車、盡頭線車擋等進行防護控制，安全防護完全由司機人工控制。所以在以上情況下，一旦司機操縱失誤，就可能導致發(fā)生冒出關閉信號、擠壞道岔、沖撞車擋、或與其他到發(fā)列車發(fā)生沖突的事故，是行車安全的重大安全隱患。

1 研究方向及目標

通過研究站場聯(lián)鎖信號設備接口技術、調車管理系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控車載設備通信技術，獲取進路狀態(tài)、站場狀態(tài)等各種地面線路狀態(tài)的方法和聯(lián)鎖信息的動態(tài)顯示，并實現(xiàn)車載和地面設備的信息交互。根據調車作業(yè)需求，研究既有專調機車的站場調車作業(yè)防護控制功能優(yōu)化方案，研究對調車信號、超速防護等控制功能的優(yōu)化。研究調車作業(yè)時站場平面信息顯示、站場狀態(tài)實時顯示、機車絕對位置顯示等的人機交互技術。研究機車運行作業(yè)遠程監(jiān)測技術、機車運行記錄數據遠程下載技術、系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測技術。研究機車區(qū)間作業(yè)(包括救援、路用作業(yè))的安全防護。實現(xiàn)調車作業(yè)防冒、防撞和防超、防沖撞道岔、防止越過盡頭線、防止越過接觸網終點標、區(qū)間作業(yè)(包括救援、路用作業(yè))防護等控制，解決目前機車調車作業(yè)缺乏有效技防手段的問題，降低調車作業(yè)安全風險；系統(tǒng)能夠通過接收地面控制服務器發(fā)送的車站聯(lián)鎖信息，實現(xiàn)地面調車信號在機車上的復示，解決因站場環(huán)境復雜、司機對站場不熟悉、瞭望條件有限等不利因素導致司機誤認調車信號的問題。將調車作業(yè)安全防護的信息集成在LKJ屏幕顯示器中進行顯示，根據司機調車作業(yè)所需的站場軌道區(qū)段占用/出清、道岔定位/反位、調車信號開放(白燈)/關閉(藍燈)，以及接觸網終點、站界等停車防護點位置和類型等信息以平面化的方式動態(tài)顯示，輔助司機調車作業(yè)的各種信息一目了然，便于司機操作。

2 系統(tǒng)方案研究

2.1 系統(tǒng)架構

機車站場調車作業(yè)安全防護系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)、地面監(jiān)測和分析子系統(tǒng)組成。

車載子系統(tǒng)負責機車狀態(tài)信息采集和地面控制信息接收，并根據北斗差分定位進行機車位置定位，實現(xiàn)調車作業(yè)和區(qū)間作業(yè)的安全防護，同時將防護信息在人機交互單元上進行顯示。地面控制子系統(tǒng)通過與聯(lián)鎖系統(tǒng)接口接收車站聯(lián)鎖信息，通過LTE網絡(或公網)或數傳電臺發(fā)送至車載設備。車地通信根據實際情況采用無線數傳電臺或LTE網絡(或公網)通信方式。

2.1.1 聯(lián)鎖信息接口技術

實現(xiàn)與站場聯(lián)鎖信號設備接口，獲取地面站場聯(lián)鎖系統(tǒng)的表示站場設備設施狀態(tài)的實時信息，主要包括列車信號機狀態(tài)、調車燈信號狀態(tài)、道岔開放方向、軌道區(qū)段占用和出清狀態(tài)等。接口采用隔離方式，信息的獲取不影響聯(lián)鎖信號設備正常工作。

2.1.2 基于通信的無線信號控制技術

實現(xiàn)調車管理系統(tǒng)與計算機聯(lián)鎖通信獲取進路狀態(tài)、站場狀態(tài)等各種地面線路狀態(tài)，同時通過無線通信網絡與車載設備相連，實時獲取列車的狀態(tài)，并結合地面情況，調車作業(yè)計劃編制遠程自動上傳，智能調度系統(tǒng)使調車作業(yè)運用管理更加直觀、實時和智能。

2.1.3 站場調車作業(yè)防護控制技術

實現(xiàn)既有專調機車的站場調車作業(yè)防護控制需求，并結合機車站場調車作業(yè)的特征和司機操作的實際需求，研究適應機車站場調車作業(yè)防護控制模式。主要研究以下內容。

2.1.3.1 調車信號處理。車載設備接收站場聯(lián)鎖信息后，根據機車所在位置，實時計算處理機車運行前方的調車進路信息以及前方調車信號狀態(tài)。

2.1.3.2 調車防超速控制。對機車在軌道區(qū)段、道岔區(qū)段、特殊限速區(qū)段、牽引推進狀態(tài)等不同位置和調車作業(yè)狀態(tài)下的防超速控制需求進行分析，研究適應機車站場調車作業(yè)的防超速控制模式。

2.1.3.3 調車防冒進控制。對機車在調車信號機、盡頭線車擋、存留車股道的存留車等防護點前的控制需求進行分析，研究適應機車站場調車作業(yè)的防冒進控制模式。

2.1.4 調車作業(yè)時的人機交互技術

對機車在站場調車作業(yè)時，機車運行和司機操縱的特點進行分析，實現(xiàn)適應機車站場調車作業(yè)LKJ人機交互技術，主要包括：①站場平面信息顯示。研究人機界面單元屏幕顯示器顯示區(qū)域的劃分、信息布置與色彩運用規(guī)范，按照人機工程學原理提高顯示、提示信息的辨識效率，降低辨讀難度，提升用戶體驗。②站場狀態(tài)實時顯示。研究實時顯示站場股道、軌道區(qū)段、道岔、信號機等設備設施工作狀態(tài)。③機車絕對位置顯示。研究站場調車作業(yè)時，機車絕對位置的實時動態(tài)顯示，以便于司機操縱和瞭望。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 地面子系統(tǒng)

2.2.1.1 調車管理系統(tǒng)。 調車管理系統(tǒng)主要由中心應用服務器、調度工作站、車站服務器、車站工作站、通信接口服務器等設備組成；調車管理系統(tǒng)通過串口通信方式實現(xiàn)了與聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口。其主要功能包括：站場圖信息顯示、信號控制、列車運行描述及控制、機車運用管理和報警/事件管理、調車作業(yè)計劃編制遠程自動上傳；以及進行列車的跟蹤及識別，監(jiān)控車載設備等功能。

2.2.1.2 定位基站。 系統(tǒng)在站場建立定位基站，用于長期連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號，定位基站根據自身已知坐標和各衛(wèi)星的坐標，求出差分修正值，實時發(fā)送給定位服務器。

2.2.2 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)應以LKJ為基礎增加擴展單元，擴展單元應具備無線調車機車信號接收、無線調車燈顯信令接收、無線通信、BDS定位、調車防護控制計算等功能。擴展單元應具備BDS定位、3G/4G通信和數傳電臺功能，通過BDS定位模塊獲取軌道車的衛(wèi)星定位信息，通過數傳電臺模塊或3G/4G通信獲取站場調車信號和進路信息、站場圖數據等，結合自身的機車位移、方向等信息生成控車和顯示信息發(fā)送到LKJ。LKJ擴展增加調車防護的核心控制計算以及顯示和報警功能。

2.2.3 系統(tǒng)通信網絡

系統(tǒng)網絡通信負責各子系統(tǒng)間以及子系統(tǒng)內部各設備間的數據交互，通信是整個系統(tǒng)的基礎保障。車地通信根據實際情況采用無線數傳電臺或LTE網絡(或公網)通信方式。

3 系統(tǒng)功能研究

系統(tǒng)應包括的調車作業(yè)功能包括：①白燈限速防護、禁止信號控制、無接觸網區(qū)防護、土擋防護、道岔防護、區(qū)段限速控制、存留車股道限速控制等，調車防護場景齊全；②具備區(qū)間作業(yè)(包括救援、路用作業(yè))防護控制模式功能，特別是對于救援作業(yè)反向運行的控制起到安全保障；③具備機車運行作業(yè)遠程監(jiān)測、記錄數據遠程下載、運行記錄數據分析和回放功能。對調車和區(qū)間作業(yè)的過程實現(xiàn)了安全防護，保障了機車行車安全。

3.1 調車作業(yè)安全防護

3.1.1 白燈限速防護

調車作業(yè)運行前方調車信號機顯示為白燈時，監(jiān)控機車以不超過調車限速的速度越過該調車信號機。

3.1.2 禁止信號控制

運行前方調車信號機為禁止信號時，以該信號機為控制目標點，監(jiān)控機車在該信號機前停車。

3.1.3 無接觸網區(qū)防護

當電力機車在段場內運行，前方進路存在無接觸網區(qū)的，以無接觸網區(qū)控制起點為停車的控制目標點，監(jiān)控機車在目標點前停車。

3.1.4 土擋防護

前方進路為盡頭線車擋時，系統(tǒng)監(jiān)控機車以不超過規(guī)定的速度進入盡頭線運行，并以盡頭線車擋防護點為停車的控制目標點，監(jiān)控機車在車擋前停車。

3.1.5 道岔防護

機車前方進路存在需要限速的道岔時，以道岔位置為控制目標點計算產生控制模式曲線，并以道岔限速值監(jiān)控機車通過道岔區(qū)段。

3.1.6 區(qū)段限速控制

機車前方進路存在限速區(qū)段時，以前方調車信號機為控制目標點計算產生控制模式曲線，并以區(qū)段限速值監(jiān)控機車通過限速區(qū)段。

3.1.7 存留車股道限速控制

前方線路中停有存留車輛，監(jiān)控機車以不超過規(guī)定的速度進入存車股道。

3.2 區(qū)間作業(yè)安全防護

3.2.1 作業(yè)區(qū)段防護

機車區(qū)間作業(yè)運行至作業(yè)起點前，控制機車在作業(yè)起點前停車，解鎖操作越過作業(yè)起點后自動轉入作業(yè)封鎖控制。

3.2.2 封鎖區(qū)段防護

機車進入作業(yè)封鎖區(qū)范圍后，系統(tǒng)根據機車運行方向，控制機車在作業(yè)區(qū)間起點和終點前停車。

3.3 顯示與報警

屏幕顯示器應具備通過讀取站場圖數據實時繪制站場平面圖，顯示軌道區(qū)段占用情況、調車信號機顯示情況、道岔定反位狀態(tài)和機車位置。對調車信號變化、調車進路變化、前方防護點類型變化等信息進行語音提示。

3.4 運行信息記錄與回放功能

系統(tǒng)應保留既有LKJ的運行信息記錄功能不變，具備調車防護模式和區(qū)間作業(yè)模式下的信息記錄功能：①進路信息，主要包括前方信號狀態(tài)、距防護點距離、限速信息等；②提示窗口信息，主要包括系統(tǒng)自動定位信息等；③調車操作信息，主蹤/出站調車通知書編號、確認機車位置信息等；④設備基本信息，主要包括軟件版本信息、站場圖基礎數據版本信息等。

3.5 人機交互功能

①具備站場平面圖、模式曲線圖顯示功能；②站場平面圖形可根據機車運行自動追蹤連續(xù)顯示；③站場平面應具備軌道區(qū)段、調車信號機、道岔等設備設施的狀態(tài)顯示和調車作業(yè)時特殊地點(站界、一度停車牌、電化區(qū)域等)的顯示；④運行前方一定里程范圍的控制模式曲線；⑤以圖形或數字形式，顯示實際軌道車運行速度、限制速度、距前方信號機距離、里程和日歷時鐘等；⑥無線調車燈顯信令(平面調車)按既有LKJ平面調車燈顯方式顯示；⑦顯示調車作業(yè)運行中的重要提示信息。

4 系統(tǒng)研究意義

4.1 經濟意義

通過在機車上加裝站場調車作業(yè)安全防護系統(tǒng)，將會提升運行安全性和運輸效率，降低人力成本。主要基于以下幾個方面：①系統(tǒng)自帶站場圖數據的遠程換裝功能，大幅減少因數據換裝投入的工作人員數量并提升換裝效率；按照鐵路機車數量129臺(段屬9臺HXD1、段屬45臺SS4B<代管2臺>、段屬26臺內燃<代管2臺>、聯(lián)運單位59臺SSG)估算，全面推廣應用調車防護系統(tǒng)，可以大幅減少站場圖數據換裝使用工作人員數量，預計每年可減少人工換裝1 500余臺次，節(jié)約人工20人左右，每年直接增加經濟效益為200余萬元。②系統(tǒng)實現(xiàn)全電子化調車作業(yè)計劃傳輸功能，大幅減少相關人力資源投入和辦公用品消耗。

按照鐵路既有機車數量129臺估算，全面推廣應用調車防護系統(tǒng)，可以大幅減少作業(yè)計劃傳輸使用工作人員數量，預計每年可減少人工傳輸1 000臺次，節(jié)約人工10人，每年直接增加經濟效益為100余萬元。

4.2 社會意義

4.2.1 調車作業(yè)控制精益求精

系統(tǒng)采用的輪對測速、北斗差分定位等多通道融合的測速測距技術，進一步提升了站場調車作業(yè)的控制精度，解決了傳統(tǒng)測速測距定位受空轉、輪滑等因素影響干擾的問題。

4.2.2 通信技術的兼容與拓展

站場調車作業(yè)安全防護系統(tǒng)兼容數傳電臺傳輸，隨著新型無線通信技術的應用推廣，可實現(xiàn)更高效的車地數據交互，進一步提升控制的實時性與安全性。

4.2.3 調車作業(yè)的車地協(xié)作發(fā)展

系統(tǒng)通過無線信息傳輸技術，打通了調車作業(yè)和地面管理的信息傳輸通道，車地協(xié)同作業(yè)更加規(guī)范化；且具備調車作業(yè)遠程監(jiān)測功能，作業(yè)人員可以在地面實時監(jiān)測列車作業(yè)過程，有利于規(guī)范機車調車作業(yè)，減少人為誤操作而導致的超速、甚至脫軌事故的發(fā)生。

4.2.4 設備運維能力的提升

系統(tǒng)提供站場圖數據遠程換裝功能，作業(yè)人員可以通過系統(tǒng)實現(xiàn)數據的遠程換裝和運行記錄文件的遠程下載，進一步提升了系統(tǒng)的智能運維能力，減少作業(yè)人員投入。

研究鐵路站場調車作業(yè)安全防護系統(tǒng)，可以有效解決常年困擾重載鐵路調車作業(yè)缺乏技防手段、作業(yè)事故頻繁的行業(yè)難題，為其他重載鐵路線路調車作業(yè)安全防護提供思路和示范。

4.3 安全意義

①提升調車作業(yè)安全防護，解決機車站場調車過程中存在的擠、撞、脫、冒問題，保障機車調車安全。②提升區(qū)間作業(yè)安全防護，解決機車救援、路用等區(qū)間作業(yè)非法進入或越出作業(yè)區(qū)域，特別是區(qū)間反向運行的救援作業(yè)的安全防護問題，保障區(qū)間作業(yè)安全。③提升站場調車作業(yè)的安全性，機車安全防護系統(tǒng)在LKJ的安全防護下進行控制列車運行，并根據調車信號機、道岔和區(qū)段限速、無網區(qū)和存車線等信息，精準控制列車運行在LKJ安全防護速度曲線運行，確保列車運行安全。解決原來僅依靠司機看調車信號行車，易造成調車事故的問題。