面向地方貨運鐵路的智能列控系統(tǒng)研究

張志春、何澄、張亞忠

（1.陜西鐵路物流集團有限公司，陜西 西安 719300；2.陜西靖神鐵路有限責任公司，陜西 榆林 719000；3.卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

0 引言

我國鐵路網(wǎng)規(guī)模達到15 萬km，其中高速鐵路不足4 萬km。面對普速鐵路運輸不斷提高的運量需求，需要對普速鐵路列控系統(tǒng)進行一定的升級改造。如果將全部普速鐵路列控系統(tǒng)升級為高鐵列控系統(tǒng)，將存在以下問題：

其一，高鐵列控系統(tǒng)軌旁設備眾多、線纜鋪設極其復雜，尤其是列車占用檢查和完整性監(jiān)控所需的軌道電路設備安裝維護成本較高，列車定位所需的實體應答器布置安裝復雜。

其二，高鐵列控系統(tǒng)雖然對固定閉塞進行了優(yōu)化，但列車目標制動點仍然應在前方列車所占用閉塞分區(qū)的外方，尚沒有突破軌逋電路的限制，不能最大限度地減少列車追蹤間隔。

由于地方貨運鐵路普遍站間距離短，軌道利用率不高，以上問題更為突出，因此提高地方貨運鐵路的運輸效率問題受到廣泛關注。

隨著我國鐵路科學技術的快速發(fā)展，列控技術發(fā)展聚焦在衛(wèi)星定位技術應用和移動閉塞等方向上，旨在應用最新技術和創(chuàng)新手段，提升鐵路運輸能力、服務質量和列控系統(tǒng)性能，降低全生命周期成本。智能列控系統(tǒng)是在已有列控系統(tǒng)的研究和開發(fā)成果的基礎上，針對地方貨運鐵路的應用需求，綜合運用北斗衛(wèi)星定位的多源融合列車自主定位、移動閉塞、電子地圖、完整性檢測、基于IP 的（4G）無線通信等技術，實現(xiàn)系統(tǒng)運行高效化、軌旁設備簡約化、室內(nèi)設備集中化，滿足移動閉塞運行要求的智能列控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構

智能列控系統(tǒng)主要由車載設備、地面設備組成，系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

車載設備主要包括車載主機、車載外圍設備及列尾設備，車載設備采用冗余結構，單系獨立設備故障后不影響系統(tǒng)運用。

地面設備主要由軌旁設備和中心設備組成：軌旁設備主要包括車站聯(lián)鎖設備、定位應答器、衛(wèi)星差分基站等；中心設備主要包括無線閉塞中心、臨時限速服務器。

2 關鍵技術

2.1 基于北斗衛(wèi)星的列車自主定位

車載設備融合北斗導航、速度傳感器等多種信息，結合電子地圖、虛擬應答器和實體應答器，實現(xiàn)滿足列車運行控制精度、安全性、可靠性要求的列車綜合定位功能。

在衛(wèi)星信號接收良好的地區(qū)，列車定位依靠衛(wèi)星定位，融合慣性導航、車輪速度傳感器進行定位；在車站，通過增加衛(wèi)星差分基站提高衛(wèi)星定位的精度；在短隧道等衛(wèi)星信號短時遮擋地區(qū)，主要依靠慣性導航和車輪速度傳感器進行定位；在長隧道等衛(wèi)星信號受遮擋地區(qū)，在隧道內(nèi)配置無源應答器，輔助慣性導航和車輪速度傳感器進行列車定位。車載設備應能夠接收北斗差分信息，提高衛(wèi)星定位的精度。北斗差分定位信息傳輸路徑如圖2 所示。

圖2 北斗差分定位信息傳輸路徑

2.2 基于車載的列車完整性檢測

基于車載的列車完整性檢測主要是基于列車制動管風壓檢測的列尾防護裝置，通過檢測列車制動風管壓力的情況，判斷列車的完整狀態(tài)和制動狀態(tài)的異常。當列車制動風管壓力因非正常原因而泄漏，低于正常值時，列尾設備判斷完整性故障，發(fā)出報警提示以保證列車的運行安全。但是基于列車制動管風壓檢測的列尾防護裝置存在一些問題。例如，風壓折角塞門關閉，導致采用人工方式查詢風壓不能保證列尾風壓檢測的實時性；公用的通信通道使得無線列調與列尾檢測系統(tǒng)之間存在沖突和干擾。

智能列控系統(tǒng)采用的安全列尾主機不僅可以實時監(jiān)控列車風管壓力，同時還通過衛(wèi)星定位單元實時獲取列尾的位置、速度、加速度信息，判斷列車的完整性。保證了在列車運行過程中的完整性監(jiān)控，在提升效率的同時，具備更高的安全性。

列尾主機與車載主機的無線通信使用國密安全協(xié)議，列尾主機周期性地向車載主機發(fā)送列尾風壓信息和北斗定位信息，車載主機通過計算列首及列尾的相對車長、速度、風壓等，結合地圖匹配等技術，判斷列車的完整性狀態(tài)。車載主機考慮列車運行線路周圍的山體、隧道、建筑物等對北斗定位功能的影響，合理設計列尾風壓、北斗定位信息在不同工況下判斷列車完整性狀態(tài)的權重。車載主機和列尾主機無線通信示意如圖3 所示。

圖3 列尾主機無線通信示意圖

2.3 LTE 無線通信技術

LTE 無線通信技術為高鐵列控系統(tǒng)使用的GSMR 無線通信技術升級后的技術，具有高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容等方面的優(yōu)勢，并且在公眾移動通信領域、各行業(yè)應用上已經(jīng)非常成熟，具備完整的技術標準和成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，利用LTE 技術構建寬帶移動通信平臺，并承載車地無線通信、安全列尾等安全業(yè)務是鐵路信號無線發(fā)展的方向。

智能列控系統(tǒng)車載設備使用雙套APN 專線接入，通過安全數(shù)據(jù)通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。通過LTE 無線通信技術，可以使車地信息交互在1s 內(nèi)完成，極大地提升了信息交互的實時性，為列控系統(tǒng)的安全性提供了保障。LTE 無線網(wǎng)絡通信方式如圖4所示。

圖4 LTE 無線網(wǎng)絡通信方式

2.4 移動閉塞技術

智能列控系統(tǒng)車載設備以無線閉塞中心發(fā)送的行車許可作為行車憑證。基于列車的精確定位和車地雙向連續(xù)通信，后車的行車許可能夠到達前車的安全車尾，實現(xiàn)列車緊密追蹤、列車超速防護，可以有效解決現(xiàn)行機車信號使用的控車安全性不足的問題，同時移動閉塞實現(xiàn)了運能動態(tài)配置的功能，根據(jù)運能需要增加和縮短列車的追蹤間隔。

移動閉塞區(qū)間能力提升原理如圖5 所示。

圖5 移動閉塞區(qū)間能力提升

在智能列控系統(tǒng)中，區(qū)間后車以前車車尾作為危險點進行追蹤運行。此時，列車在區(qū)段內(nèi)任意位置的間隔為前后兩車在安全間隔距離的運行時間。區(qū)間追蹤間隔示意圖見圖6。

圖6 區(qū)間追蹤間隔

車站同方向發(fā)車間隔L應為前行列車出清第一離去區(qū)段，發(fā)車進路解鎖，發(fā)車進路信號即可開放。同方向發(fā)車示意圖見圖7。

圖7 同方向發(fā)車

車站內(nèi)按進路閉塞控制列車運行，區(qū)間實現(xiàn)移動閉塞較站間閉塞能夠提升效率50%以上，與傳統(tǒng)固定閉塞相比，提升效率30%以上，且列車追蹤距離不受閉塞分區(qū)長度限制，能夠更靈活適應多種類型、速度列車同時高效運行。

2.5 人機交互技術

現(xiàn)有普速鐵路列控系統(tǒng)為非安全產(chǎn)品，數(shù)據(jù)為離線存儲數(shù)據(jù)，無法做到實時更新，當線路數(shù)據(jù)變更時需要批量更換。而且在列車運行過程中，主要依靠司機進行列車防護，無法滿足在貨運列車不斷提速和加大載重情況下對列控系統(tǒng)操控性能的需求。

智能列控系統(tǒng)車載設備使用DMI 實現(xiàn)人機交互功能，解決了普速鐵路列控系統(tǒng)車載系統(tǒng)顯示離線數(shù)據(jù)，無法根據(jù)實際的線路情況進行顯示的問題。根據(jù)地方貨運鐵路運行的情況，通過無線通信技術，可以將中心設備提供的列車前方線路信息及時地傳遞給車載設備，車載設備通過DMI 實時更新線路數(shù)據(jù)與線路限速，使司機對前方線路情況有更加清晰的了解。特別是對于重載貨運列車，列車長度達幾千米，突發(fā)制動存在非常大的安全隱患，所以，通過DMI 實時顯示前方線路數(shù)據(jù)，有效解決臨時限速情況下的列車安全行駛問題。

2.6 與既有系統(tǒng)兼容性

現(xiàn)有普速鐵路列控系統(tǒng)覆蓋面很廣，因此新的列控系統(tǒng)與既有系統(tǒng)的兼容問題不容忽視。智能列控系統(tǒng)能與既有系統(tǒng)實現(xiàn)智能切換，在不同控制系統(tǒng)的控制區(qū)間實現(xiàn)自動切換，而且通過DMI 對司機進行提示，提高駕駛的簡便性。同時智能列控系統(tǒng)不影響未裝備設備的列車運行，可以實現(xiàn)普速鐵路列控系統(tǒng)與智能列控系統(tǒng)的混跑，極具實際應用的價值。

3 結語

智能列控系統(tǒng)應用北斗衛(wèi)星實現(xiàn)了列車自主安全定位和完整性檢測，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和國家相關技術政策，推動了北斗系統(tǒng)在鐵路行業(yè)的應用。同時將智能列控引入鐵路貨運系統(tǒng)，使鐵路貨運更加智能高效。不僅如此，將北斗系統(tǒng)全面引入鐵路行業(yè)，可以切實推動北斗衛(wèi)星定位在鐵路行業(yè)的深度融合發(fā)展和規(guī)?；瘧茫辛瓌予F路位置服務相關的信息消費，促進鐵路行業(yè)經(jīng)濟結構優(yōu)化與轉型升級。隨著北斗系統(tǒng)啟動全球覆蓋及地基增強系統(tǒng)的建設，北斗產(chǎn)業(yè)將在高速鐵路、“一帶一路”等新一輪國家和世界發(fā)展戰(zhàn)略中贏得更多的歷史機遇，“鐵路+北斗”產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將帶來更多的社會效益。