基于無線信號控制系統(tǒng)的調(diào)車防護功能研究

李 濤，王 杰，柯長博，溫抿雄，宋沛東，屈永正

（1. 湖南中車時代通信信號有限公司 北京分公司，北京 100070；2. 株洲國創(chuàng)軌道科技有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

神朔鐵路是我國西煤東運的大通道，為國家I 級電氣化重載鐵路［1］。隨著運量不斷加大，行車密度不斷增加，神朔鐵路各車站調(diào)車作業(yè)與接發(fā)列車之間的干擾越來越大［2］。調(diào)車作業(yè)的緊張必然加大不安全因素。同時，神朔鐵路各車站多處于農(nóng)村偏遠處，各種設(shè)備的設(shè)置和維護受到很大限制，調(diào)車作業(yè)環(huán)境差、安全隱患多。在進行各種調(diào)車作業(yè)時，如果作業(yè)上有過失或技術(shù)設(shè)備發(fā)生故障，易造成調(diào)車事故的發(fā)生［3］。

調(diào)車作業(yè)是鐵路運輸生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4］，其包括列車編組、解體、摘掛、轉(zhuǎn)線、車輛取送、轉(zhuǎn)場、調(diào)移、機車出入段及中間站轉(zhuǎn)線等［5］。傳統(tǒng)的調(diào)車防護系統(tǒng)由車上的藍燈防護裝置、顯示終端、地面信息接收器和地面應(yīng)答器組成。地面應(yīng)答器通過安裝在信號機內(nèi)的互感器讀取并儲存藍燈和白燈的狀態(tài)［6］。當機車上的地面信息接收器通過應(yīng)答器上方時，將應(yīng)答器中的信號機狀態(tài)信息、應(yīng)答器位置信息等讀取到機車上的藍燈防護裝置內(nèi)。藍燈防護裝置根據(jù)獲得的信息計算出調(diào)防信息，并送至安裝在司機臺上的顯示終端顯示。

神朔鐵路共有14 個中間站，2 個區(qū)段站，2 個越行站，1個會讓站［2］。各車站的調(diào)車作業(yè)基本涉及車站所有線路的使用，如果采用傳統(tǒng)的調(diào)車防護系統(tǒng)，則新增設(shè)備多、投資大、系統(tǒng)復(fù)雜。為此，本文研制了一套適合神朔鐵路線路特點的調(diào)車防護系統(tǒng)（簡稱“調(diào)防系統(tǒng)”）。該系統(tǒng)可實現(xiàn)地面控制設(shè)備集中設(shè)置，避免在各偏遠車站新增設(shè)備；車地之間使用無線通信，保證信息的實時傳輸；同時盡可能復(fù)用既有設(shè)備，減少投資。

無線信號控制系統(tǒng)（radio based signalling control system，RBSC）是神朔鐵路智能駕駛系統(tǒng)的地面信號控制中心?；赗BSC設(shè)置調(diào)車防護功能，將調(diào)車防護相關(guān)的數(shù)據(jù)和功能都增加到RBSC 中，由RBSC 從聯(lián)鎖（computer based interlocking，CBI）獲取站場動態(tài)信息，生成調(diào)車防護信息后直接發(fā)送給列車運行監(jiān)控裝置LKJ，這樣充分利用了RBSC、LKJ、CBI等既有設(shè)備，不僅可以避免新增設(shè)備、重復(fù)投資，還可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

本文在闡述神朔鐵路基于RBSC的調(diào)車防護系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理基礎(chǔ)上，對RBSC 新增的調(diào)車防護功能，進行了詳細的研究分析和方案設(shè)計。

1 基于RBSC的調(diào)車防護系統(tǒng)

本節(jié)主要介紹基于RBSC的調(diào)車防護系統(tǒng)的架構(gòu)和基本的工作原理。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于RBSC 的調(diào)車防護系統(tǒng)如圖1 中藍色方框部分所示。其主要包括RBSC、CBI 或CTC 站機（CTCZJ）、LKJ、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、應(yīng)答器、道岔、軌道區(qū)段，及信號機等。調(diào)防系統(tǒng)的所有設(shè)備均復(fù)用了神朔鐵路智能駕駛系統(tǒng)中的設(shè)備，未新增專門的控制設(shè)備。

圖1 調(diào)車防護系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of the shunting protection system

1.2 控制原理

基于RBSC 的調(diào)車防護系統(tǒng)采用RBSC 與LKJ 之間直接通信的方式來實現(xiàn)調(diào)車防護功能。

由CBI 或CTCZJ 獲取站場狀態(tài)信息，包括道岔狀態(tài)、區(qū)段狀態(tài)、信號燈顏色和亮滅狀態(tài)，這些信息發(fā)送給RBSC 后再由RBSC 計算出各個車站的調(diào)防信息。LKJ 通過地面應(yīng)答器和北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行定位，確定列車位置后向RBSC 發(fā)送位置報告。RBSC 根據(jù)LKJ發(fā)送的位置信息計算列車所在車站和前方一定范圍內(nèi)車站的調(diào)防信息，并計算出調(diào)車行車許可，其通過LTE/LTE‐R 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給LKJ，用于列車調(diào)車作業(yè)監(jiān)測控制。

2 RBSC計算調(diào)防信息和列車位置

本節(jié)主要介紹RBSC 如何計算出調(diào)防信息，以及RBSC如何對列車進行定位。

2.1 RBSC計算調(diào)防信息

RBSC 與CBI 或CTCZJ 的連接方式如圖2所示。

圖2 RBSC 和CBI/CTCZJ 之間的連接方式Fig.2 Connection mode between RBSC and CBI/CTCZJ

聯(lián)鎖系統(tǒng)以車站內(nèi)的道岔、進路和信號機為控制對象［7］，按一定程序和一定條件建立這些控制對象之間的相互聯(lián)系和相互制約的關(guān)系，以控制站場內(nèi)的信號機和道岔等設(shè)備，保障站內(nèi)作業(yè)安全［8‐9］。由RBSC接收來自CBI或CTCZJ的站場狀態(tài)信息，包括以下基本內(nèi)容：

（1）列車信號機狀態(tài)信息。CBI或CTCZJ管理范圍內(nèi)且在RBSC控制范圍內(nèi)的所有列車信號機（包括進站信號、出站兼調(diào)車信號）狀態(tài)信息，以信號燈燈位狀態(tài)的形式由CBI或CTCZJ發(fā)送給RBSC。

（2）調(diào)車信號機狀態(tài)信息。CBI 或CTCZJ 管理范圍內(nèi)且在RBSC控制范圍內(nèi)的所有調(diào)車信號機狀態(tài)信息，以信號燈燈位狀態(tài)的形式由CBI或CTCZJ發(fā)送給RBSC。

（3）道岔狀態(tài)信息。CBI 或CTCZJ 管理范圍內(nèi)且在RBSC控制范圍內(nèi)的所有道岔狀態(tài)信息，以定表、反表、單鎖及單封等狀態(tài)的形式由CBI或CTCZJ發(fā)送給RBSC。

（4）區(qū)段狀態(tài)。CBI 或CTCZJ 管理范圍內(nèi)且在RBSC 控制范圍內(nèi)的所有區(qū)段鎖閉狀態(tài)信息（包括無岔區(qū)段和股道區(qū)段），以占用、鎖閉狀態(tài)的形式由CBI或CTCZJ發(fā)送給RBSC。

（5）表示燈信息。CBI 或CTCZJ 管理范圍內(nèi)且在RBSC 控制范圍內(nèi)的各類表示燈狀態(tài)，以信號燈燈位狀態(tài)的形式由CBI或CTCZJ發(fā)送給RBSC。

RBSC 與LKJ 車載設(shè)備被事先約定好信號機、道岔、軌道區(qū)段等站場狀態(tài)信息的碼位表，并將碼位表分別配置到RBSC和LKJ的數(shù)據(jù)中，并使兩者保持一致。RBSC獲取上述站場的動態(tài)信息后，嚴格按照碼位表將站場狀態(tài)信息進行實時更新，從而形成站場的調(diào)防信息，以便隨后發(fā)送給對應(yīng)的車載LKJ 設(shè)備。車載LKJ 設(shè)備收到RBSC發(fā)送的調(diào)防信息后，按照對應(yīng)的碼位表對站場狀態(tài)信息進行實時更新，以獲得實時的站場調(diào)防信息。

2.2 RBSC計算列車位置

由RBSC 通過LTE/LTE‐R 無線網(wǎng)絡(luò)接收來自車載LKJ 的定位信息。車載LKJ 基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)列車高精度定位，同時在站場一些特殊位置設(shè)置定位應(yīng)答器輔助定位。首先，由地面工作人員在車站的信號機、道岔岔心等處采集北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)并作為RBSC 和車載LKJ 定位的關(guān)鍵點，RBSC 和車載LKJ 內(nèi)部會將這些關(guān)鍵點作為控制基準，供定位使用；同時，在車站的咽喉、出站口、RBSC 交權(quán)邊界等處設(shè)置真實的定位應(yīng)答器作為關(guān)鍵點，供定位使用。

當車載LKJ 基于兩個相鄰的關(guān)鍵點發(fā)送位置報告時，RBSC 應(yīng)該根據(jù)列車報告的兩個關(guān)鍵點標識號以及列車前端與兩個關(guān)鍵點的距離，確定列車前端所在的位置，如圖3 所示。定義從關(guān)鍵點1 到關(guān)鍵點2 的方向為基準方向，車載LKJ 發(fā)送位置報告時，包含列車實際運行方向相對于該基準方向的相對關(guān)系，這樣就可以準確定位出列車的位置和運行方向。

圖3 列車定位示意圖Fig.3 Schematic diagram of train positioning

若車載LKJ 無法通過北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)確定自己的位置，則由司機與地面調(diào)度中心共同確認列車所在車站或者列車前方車站后，由司機通過LKJ 界面手動選擇車站信息并發(fā)送給RBSC，RBSC 根據(jù)司機手動選擇的車站信息計算并發(fā)送對應(yīng)車站的調(diào)防信息。

3 RBSC 調(diào)防信息發(fā)送機制和行車許可計算

3.1 調(diào)防信息的發(fā)送機制

RBSC根據(jù)車載LKJ發(fā)送的位置信息計算所需要發(fā)送的調(diào)防信息，并根據(jù)LKJ 的位置向前搜索一定距離內(nèi)的車站，如圖4 所示。RBSC 首先根據(jù)列車發(fā)送的位置與RBSC 內(nèi)部配置的站場數(shù)據(jù)進行比對，只要列車車頭至車尾所跨壓的區(qū)段在站內(nèi)，就認為列車LKJ所在位置為站內(nèi)。

圖4 搜索車站示意圖Fig.4 Schematic diagram of station searching

根據(jù)列車所處的位置以及數(shù)據(jù)配置，調(diào)防信息的發(fā)送機制如下：

（1）如果LKJ當前所在位置為車站，則RBSC除了要發(fā)送本站的調(diào)防信息之外，還需要按照列車運行方向從列車位置開始向前搜索一定的距離（神朔鐵路目前是向前搜索5 km）。如果前方5 km 范圍內(nèi)存在另一個車站，則向LKJ 發(fā)送當前車站及前方5 km 范圍內(nèi)第一個車站的調(diào)防信息；如果LKJ 當前所在位置前方5 km范圍內(nèi)不存在另一個車站，則僅向LKJ發(fā)送當前車站的調(diào)防信息。

（2）如果LKJ 當前所在位置不在站內(nèi)，則從LKJ當前所在位置向前搜索，如果前方5 km范圍內(nèi)存在車站，則RBSC周期性地向LKJ發(fā)送前方5 km范圍內(nèi)車站的調(diào)防信息；如果LKJ當前所在位置前方5 km范圍內(nèi)不存在車站，則RBSC不向LKJ發(fā)送調(diào)防信息。

（3）RBSC 每周期最多同時向LKJ 發(fā)送2 個車站的調(diào)防信息。需要發(fā)送2 個車站調(diào)防信息時，若2 個車站的調(diào)防信息組成的1 個消息包未超過最大長度限制時，應(yīng)在1 個信息包內(nèi)發(fā)送；否則，每個車站的調(diào)防信息通過1 個消息包在一個周期內(nèi)發(fā)送。若僅需要發(fā)送1 個車站的調(diào)防信息時，則通過1 個消息包發(fā)送即可。

（4）對于相鄰的兩個RBSC，涉及調(diào)防信息交互的問題。RBSC根據(jù)線路實際情況，通過數(shù)據(jù)配置決定是否每周期向相鄰RBSC發(fā)送交權(quán)邊界前方第一個車站的調(diào)防信息。當RBSC從相鄰RBSC接收到調(diào)防信息，如果可以確定LKJ與相鄰RBSC邊界的距離小于配置距離（根據(jù)線路實際情況決定），且本RBSC 范圍內(nèi)需要發(fā)送調(diào)防信息的車站數(shù)量小于2，則應(yīng)將來自相鄰RBSC的調(diào)防信息向LKJ轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 行車許可計算

RBSC 通過CBI 或CTCZJ 獲取站場狀態(tài)信息，根據(jù)列車的位置計算調(diào)車行車許可，并將調(diào)車行車許可通過LTE/LTE‐R 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到LKJ。LKJ 依據(jù)調(diào)車行車許可對調(diào)車作業(yè)進行安全防護，控制列車進行調(diào)車作業(yè)。

RBSC僅為一個編組內(nèi)的本務(wù)端LKJ計算并發(fā)送行車許可，不向編組內(nèi)的其他非本務(wù)端LKJ 發(fā)送行車許可。RBSC從列車所在位置向線路前方搜索，按照道岔鎖閉狀態(tài)、區(qū)段占用空閑狀態(tài)、進路狀態(tài)等信息計算列車可以向前行駛的距離和停車點，并將行車許可范圍內(nèi)的線路數(shù)據(jù)信息，如線路允許速度、臨時限速、線路坡度等信息，連同行車許可一同發(fā)送給車載設(shè)備，供車載設(shè)備使用。對于行車許可范圍內(nèi)包含的調(diào)車進路，RBSC 需要將調(diào)車進路的起點位置、長度和所限定的列車速度發(fā)送給列車。

車載LKJ通過從RBSC實時獲取的調(diào)防信息和調(diào)車行車許可，確定列車前方可以走行的距離，以及可走行距離內(nèi)的允許速度、坡度、調(diào)車進路起點/終點等信息；再結(jié)合列車的制動距離計算出安全防護曲線，以防止調(diào)車作業(yè)過程中越過關(guān)閉的調(diào)車信號機，對列車調(diào)車作業(yè)進行安全防護，如圖5 所示。圖中，紅色曲線是LKJ 計算的安全防護速度曲線；綠色曲線表示列車實際運行速度曲線。在調(diào)車作業(yè)過程中，如果機車實際運行速度超過安全防護速度的規(guī)定值，系統(tǒng)通過LKJ 設(shè)備輸出相應(yīng)的牽引/卸載、常用或緊急制動控制指令，有效避免冒進風險。

圖5 安全防護曲線Fig.5 Curve of safety protection

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

2019 年10 月16 日，我國首列智能駕駛重載列車正式在神朔鐵路開行?，F(xiàn)場投入使用的一臺RBSC 實現(xiàn)了神木北機務(wù)段、神木北站、燕家塔站、朱蓋塔機務(wù)段、朱蓋塔站的調(diào)車防護功能，且不需要在這些車站設(shè)立專門的調(diào)防控制設(shè)備。這樣，一個標準站約節(jié)省60萬元。RBSC被集中放置于一個設(shè)備機房內(nèi)，設(shè)備數(shù)量少、控制車站多，大大減少了施工和后期維護的工作量。

經(jīng)機車運用單位對機車監(jiān)控記錄文件進行統(tǒng)計分析，系統(tǒng)投入試用以來，基于RBSC的調(diào)車防護系統(tǒng)工作良好，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求，提高了工作效率（經(jīng)換算，每日可多開行5~6列萬噸重載貨運列車）［10］?，F(xiàn)場試用進一步驗證了系統(tǒng)的可用性和安全性。神朔鐵路現(xiàn)場LKJ調(diào)防信息顯示界面如圖6所示。

圖6 LKJ 調(diào)防信息顯示界面Fig.6 Shunting protection information display interface of LKJ

5 結(jié)語

本文介紹了基于RBSC的調(diào)車防護系統(tǒng)架構(gòu)及控制原理，分析研究了RBSC 調(diào)車防護功能的運算和處理邏輯。該方案充分利用RBSC運算能力強、可配置站場數(shù)據(jù)多的優(yōu)點，基于RBSC增加調(diào)車防護功能，節(jié)省了大量的開發(fā)時間和投資成本。自投入試用以來，基于RBSC的調(diào)車防護系統(tǒng)工作穩(wěn)定、良好。下一階段將進一步提升基于RBSC 調(diào)車防護系統(tǒng)的自動化水平，以提高調(diào)車安全的機控程度，降低人員的工作強度。