北京局集團(tuán)公司本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)方案研究

趙 陽，魏寶生，張俊偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 電務(wù)部，北京 100038；3.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 機(jī)務(wù)部，北京 100038）

1 本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)特征及安全分析

調(diào)車作業(yè)安全作為鐵路運(yùn)輸作業(yè)安全管理中的重點(diǎn)任務(wù)，始終是安全管理工作不斷改進(jìn)和持續(xù)提高的重點(diǎn)。按作業(yè)機(jī)車類型分類，調(diào)車作業(yè)可主要分為專用調(diào)車機(jī)車作業(yè)和本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)兩類[1]。兩類機(jī)車調(diào)車作業(yè)方式相似，但作業(yè)場景和安全風(fēng)險(xiǎn)又各具特點(diǎn)。專用調(diào)車機(jī)車以調(diào)車作業(yè)為主，列車作業(yè)為輔，調(diào)車作業(yè)時(shí)間占比較大，相應(yīng)出現(xiàn)調(diào)車事故的幾率較高，但同時(shí)專用調(diào)車機(jī)車乘務(wù)員和作業(yè)區(qū)域較為固定，對站場布局、常用進(jìn)路、操作模式、站細(xì)要求等都較為熟悉，乘務(wù)員調(diào)車作業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富，對預(yù)防安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)揮了積極作用[2]。本務(wù)機(jī)車以列車作業(yè)為主，調(diào)車作業(yè)為輔，調(diào)車作業(yè)在總作業(yè)時(shí)間中占比較少，主要調(diào)車場景是始發(fā)終到相關(guān)作業(yè)，但同時(shí)本務(wù)機(jī)車調(diào)車存在作業(yè)站場隨機(jī)、作業(yè)進(jìn)路隨機(jī)等特點(diǎn)，乘務(wù)員對調(diào)號位置、站細(xì)要求、特殊限速等都存在生疏現(xiàn)象，僅依靠人員瞭望和操作進(jìn)行調(diào)車作業(yè)，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)過程具有以下3 方面的特點(diǎn)。一是從作業(yè)類型特點(diǎn)分析，本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)主要包括機(jī)車出入庫、始發(fā)終到的轉(zhuǎn)線及摘掛車、少量的中間站零散調(diào)車作業(yè)，客運(yùn)車站的客車底取送作業(yè)等，表現(xiàn)為編組站、區(qū)段站本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)較多，連接機(jī)務(wù)段和折返段的車站調(diào)車作業(yè)較多，其他車站的調(diào)車作業(yè)相對較少[4]。二是從安全風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)分析，安全防控點(diǎn)主要包括信號機(jī)、道岔、土擋、站界、電力機(jī)車誤入無電區(qū)等，其中車站咽喉區(qū)擠道岔事故的安全風(fēng)險(xiǎn)最高，造成的連帶影響最大，尤其是在客運(yùn)站和客貨混運(yùn)車站，存在影響旅客列車安全的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)車出入庫進(jìn)路與車站接發(fā)車進(jìn)路間產(chǎn)生的交叉較多，相互造成影響的幾率較大。三是從防控特點(diǎn)分析，由于作業(yè)區(qū)域具有相對隨機(jī)性，本務(wù)機(jī)車乘務(wù)員對車站的站場平面布置及調(diào)車信號位置掌握不夠熟練，同時(shí)大型車站咽喉區(qū)的調(diào)車信號機(jī)往往布置密集，作業(yè)繁忙時(shí)同時(shí)開放的平行進(jìn)路較多，客觀上也對乘務(wù)員調(diào)車作業(yè)正確瞭望造成了較大的難度，如遇雨雪霧等惡劣天氣更加不利于乘務(wù)員目視瞭望，僅依靠人防措施很難做到萬無一失[5]。

為防止專用調(diào)車機(jī)車調(diào)車事故發(fā)生，自2014年以來全面推廣使用了無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控(STP)系統(tǒng)，中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司(以下簡稱“北京局集團(tuán)公司”)管內(nèi)安裝范圍已覆蓋64個(gè)主要技術(shù)作業(yè)車站及相應(yīng)專用調(diào)車機(jī)車，包括北京站、北京西站、豐臺站、天津站、石家莊站等主要客運(yùn)樞紐車站，豐臺西站、南倉站、石家莊南站等主要貨運(yùn)編組站，以及唐山北站、邯鄲站、邢臺站、懷柔北站、德州站、滄州站等客貨混運(yùn)區(qū)段站，其中在有機(jī)車出入庫作業(yè)、設(shè)置機(jī)務(wù)段和折返段的車站都已安裝STP 系統(tǒng)。設(shè)備投入使用以來，對防止調(diào)車作業(yè)中常見闖信號、擠道岔、冒土擋、超限速等事故發(fā)揮了重要作用，由專用調(diào)車機(jī)車造成的調(diào)車事故得到明顯抑制。

隨著專用調(diào)車機(jī)車技防設(shè)備補(bǔ)強(qiáng)，專用調(diào)車機(jī)車作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制，事故件數(shù)明顯下降，而本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)的技防短板逐步顯現(xiàn)，本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全事故仍時(shí)有發(fā)生。在現(xiàn)狀列車運(yùn)行監(jiān)控裝置(LKJ)的調(diào)車控制模式下，設(shè)備僅能對本務(wù)機(jī)車牽引或推進(jìn)調(diào)車作業(yè)中超最高限速進(jìn)行安全防護(hù)，對常見的冒進(jìn)信號、冒進(jìn)土擋、超速作業(yè)的“兩冒一超”慣性調(diào)車事故卻無有效卡控手段，尤其是在樞紐內(nèi)客運(yùn)站本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)時(shí)，本務(wù)機(jī)車出入庫及調(diào)車作業(yè)進(jìn)路與旅客列車的接發(fā)車進(jìn)路間存在交叉，本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)發(fā)生冒進(jìn)信號后與旅客列車沖突的風(fēng)險(xiǎn)始終存在。因此，補(bǔ)齊本務(wù)機(jī)車在調(diào)車模式下LKJ列車運(yùn)行裝置的調(diào)車安全防護(hù)功能短板，確保旅客列車安全萬無一失，構(gòu)建涵蓋列車和調(diào)車全作業(yè)場景的“人防、技防、物防”三位一體行車安全防護(hù)體系已成為鐵路運(yùn)輸安全管理的迫切需求。

2 技術(shù)方案比選

近年來相關(guān)研究人員對于本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)技術(shù)和裝備進(jìn)行了大量的研究和現(xiàn)場試驗(yàn)工作，其中主要的關(guān)鍵技術(shù)包括調(diào)車信號機(jī)狀態(tài)采集方式、機(jī)車定位及跟蹤方式、車地信息通信方式、機(jī)車制動(dòng)接口方式等，較為典型的技術(shù)方案有分散采集模式、集中采集模式和視頻采集模式。

2.1 分散采集模式

分散采集模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，該方案基本沿用STP系統(tǒng)技術(shù)方案，針對本務(wù)機(jī)車與調(diào)車機(jī)車分別進(jìn)行適應(yīng)性改造。在有控制需求的車站設(shè)置地面控制設(shè)備，地面控制設(shè)備與車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過信息接口獲取車站軌道電路、信號機(jī)、道岔等設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并通過無線數(shù)傳電臺定時(shí)進(jìn)行信息廣播，在車站進(jìn)出站口安裝無源應(yīng)答器設(shè)備，當(dāng)本務(wù)機(jī)車進(jìn)入車站時(shí)，依據(jù)接收到的應(yīng)答器信息切換至與地面控制設(shè)備相同頻點(diǎn)，定時(shí)接收車站設(shè)備狀態(tài)信息，并完成機(jī)車初始定位，在已安裝STP地面設(shè)備的車站，本務(wù)機(jī)車可復(fù)用地面控制主機(jī)和無源應(yīng)答器設(shè)備，無需重復(fù)安裝[6]。

圖1 分散采集模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of distributed collection mode

該方案主要有以下3 方面優(yōu)點(diǎn)：①與車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行接口，車站設(shè)備狀態(tài)信息安全可靠；②車地間采用專網(wǎng)通信，安全性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；③制動(dòng)接口與STP系統(tǒng)方式一致，技術(shù)成熟可靠。但該方案也存在以下2 方面不足：①對于本務(wù)機(jī)車以列車為主調(diào)車為輔的作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)備組成較為復(fù)雜、維修維護(hù)量大、設(shè)備初期投資較高；②受通信速率和帶寬的影響，當(dāng)同時(shí)作業(yè)機(jī)車增加時(shí)，控制的實(shí)時(shí)性將下降，在大型樞紐站及編組站運(yùn)用時(shí)，同時(shí)受控的機(jī)車臺數(shù)將受限[7]。

2.2 集中采集模式

集中采集模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，該方案在中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡稱“國鐵集團(tuán)”)調(diào)度中心或鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所設(shè)置中心控制設(shè)備，包括站場信息接口、定位服務(wù)、行車許可運(yùn)算、通信等服務(wù)器等。其中，站場信息接口服務(wù)器與TDCS/CTC系統(tǒng)中心設(shè)備進(jìn)行接口，采集全路或鐵路局集團(tuán)公司管內(nèi)各車站的車站設(shè)備狀態(tài)信息。機(jī)車定位采用差分GPS/北斗等衛(wèi)星定位方式，各車站安裝衛(wèi)星地面基準(zhǔn)站并通過有線通道將差分信息送至定位服務(wù)器，可獲得分米級定位精度。當(dāng)本務(wù)機(jī)車進(jìn)入車站進(jìn)行調(diào)車作業(yè)時(shí)，車載設(shè)備通過4G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將北斗定位信息發(fā)送至通信服務(wù)器，行車許可運(yùn)算服務(wù)器將定位信息與車站電子地圖進(jìn)行匹配，確定機(jī)車所在位置，并將機(jī)車前方信號及距離通過4G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)回傳至機(jī)車，實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)安全預(yù)警及防護(hù)功能[8]。

圖2 集中采集模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure of centralized collection mode

該方案主要有以下3方面優(yōu)點(diǎn)：①集中采集各車站站場信息，投資成本較低，實(shí)施速度較快；②機(jī)車定位跟蹤設(shè)備簡化，易于安裝及維護(hù)；③設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)集中存儲及運(yùn)算，方便查詢分析。該方案也存在以下3 方面的不足：①通過4G 公網(wǎng)傳輸控車信息，控制實(shí)時(shí)性無法保證；②系統(tǒng)對中心服務(wù)器的穩(wěn)定性要求較高，發(fā)生故障后影響范圍較大；③公網(wǎng)通信存在安全風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)用期間持續(xù)發(fā)生通信服務(wù)費(fèi)用。

2.3 視頻采集模式

視頻采集模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，該方案車載設(shè)備由控制主機(jī)、GPS/北斗衛(wèi)星定位模塊、4G通信傳輸模塊、高清攝像頭、組合天線等組成，地面控制設(shè)備包括行車許可服務(wù)器、定位信息服務(wù)器、4G 通信模塊、差分基站等。該方案通過獲取差分GPS/北斗定位信息確定機(jī)車和車站防控點(diǎn)位置，通過高清攝像頭拍攝及圖像識別技術(shù)獲取調(diào)車信號燈狀態(tài)，綜合形成機(jī)車調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)所需的控制信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)“防闖、防撞、防超”等功能。該方案主要特點(diǎn)是利用圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)車前方信號等防護(hù)點(diǎn)狀態(tài)的采集，有效簡化了信號狀態(tài)獲取方式。

圖3 視頻采集模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure of video collection mode

該方案具有以下2 個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，取消了與既有信號設(shè)備接口；②系統(tǒng)功能獨(dú)立，設(shè)備結(jié)合部少，易于安裝維護(hù)。方案主要存在3 個(gè)方面的不足：①圖像識別信號燈狀態(tài)技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性有待長期運(yùn)用驗(yàn)證；②僅對牽引調(diào)車作業(yè)有效，無法實(shí)現(xiàn)對頂推調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)；③如具備控車功能需考慮公網(wǎng)傳輸?shù)陌踩?、?shí)時(shí)性問題。

3 技術(shù)方案研究

通過對比歸納各技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合北京局集團(tuán)公司調(diào)車監(jiān)控裝備現(xiàn)狀，本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)方案關(guān)鍵技術(shù)需要綜合考慮以下5 個(gè)方面的因素。①制動(dòng)控車方式。系統(tǒng)需具備自動(dòng)控停功能，制動(dòng)接口、工況采集、顯示操作應(yīng)復(fù)用LKJ設(shè)備相關(guān)功能，避免相同功能車載設(shè)備重復(fù)設(shè)置。②信息采集方式。優(yōu)先選擇與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)站場信息實(shí)時(shí)可靠采集，滿足控車功能對于站場設(shè)備狀態(tài)信息高實(shí)時(shí)性、強(qiáng)突發(fā)性需求。③車地通信方式。采用無線數(shù)傳、GSM-R、LTE-R等鐵路專用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，保證車地間信息傳輸安全，通過高實(shí)時(shí)、低延時(shí)的信息傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全可靠控車。④機(jī)車定位方式。結(jié)合本務(wù)機(jī)車以列車為主調(diào)車為輔的作業(yè)特點(diǎn)，應(yīng)簡化機(jī)車定位設(shè)備結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)答器接收天線等機(jī)車外掛安裝設(shè)備，降低本務(wù)機(jī)車在途作業(yè)過程中的外掛設(shè)備脫落風(fēng)險(xiǎn)。GPS/北斗等衛(wèi)星定位技術(shù)近年來在鐵路技術(shù)裝備中已廣泛應(yīng)用，驗(yàn)證了衛(wèi)星定位技術(shù)的穩(wěn)定性和可用性，本務(wù)機(jī)車調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)可采用以GPS/北斗差分定位為主，結(jié)合LKJ線路數(shù)據(jù)、輪軌測速測距信息的機(jī)車綜合定位方式。⑤設(shè)備功能復(fù)用。補(bǔ)強(qiáng)移動(dòng)裝備調(diào)車安全防護(hù)技防設(shè)備已成為發(fā)展方向，應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃本務(wù)機(jī)車、調(diào)車機(jī)車及其他移動(dòng)裝備調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息、基礎(chǔ)設(shè)備、信息接口、制動(dòng)接口、顯示設(shè)備、人機(jī)界面等互通共用，避免系統(tǒng)間無法互聯(lián)互通及重復(fù)投資等問題[9-10]。

本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，其中在已安裝STP系統(tǒng)的車站，本務(wù)機(jī)車調(diào)車防護(hù)車載設(shè)備通過無線數(shù)傳電臺接收STP地面控制設(shè)備發(fā)送的站場設(shè)備狀態(tài)信息；在有調(diào)車作業(yè)需求但暫未安裝STP系統(tǒng)的車站，加裝小型化聯(lián)鎖數(shù)據(jù)采集接口及無線傳輸設(shè)備，采集車站設(shè)備狀態(tài)信息并進(jìn)行無線廣播發(fā)送。

圖4 本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System structure of the shunting safety protection system of the locomotive

車載控制設(shè)備進(jìn)行以下3 方面技術(shù)優(yōu)化[11]。①簡化車載設(shè)備結(jié)構(gòu)。取消應(yīng)答定位器主機(jī)和應(yīng)答定位器天線設(shè)備，有效簡化車載設(shè)備組成單元，降低設(shè)備成本，簡化設(shè)備維護(hù)，采用GPS/北斗定位附加進(jìn)路信息校驗(yàn)方式為主、人工確認(rèn)和人工定位方式為輔的技術(shù)方案，更加適合于本務(wù)機(jī)車列車為主調(diào)車為輔的作業(yè)特點(diǎn)。為保證衛(wèi)星定位精度，在車站加裝衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站，通過有線通信方式與STP地面設(shè)備進(jìn)行通信接口，并將差分定位數(shù)據(jù)通過車地?zé)o線通信通道傳送至機(jī)車控制設(shè)備。與此同時(shí)小型化車載設(shè)備，滿足新型機(jī)車的安裝空間需求。②改進(jìn)“車-地”無線通信方式。本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)“車-地”間通信采用數(shù)傳電臺、GSM-R 等專網(wǎng)通信方式。其中，在數(shù)傳電臺通信模式下，為解決通信速率和帶寬受限問題，本務(wù)機(jī)車調(diào)車防護(hù)車載控制設(shè)備單方向接收STP地面控制設(shè)備發(fā)送的站場設(shè)備狀態(tài)信息，車載控制設(shè)備不通過無線數(shù)傳電臺向STP地面控制設(shè)備回傳信息，站場數(shù)據(jù)存儲和控制邏輯運(yùn)算均由車載控制設(shè)備獨(dú)立完成，此方案解決了原有STP系統(tǒng)同時(shí)控制機(jī)車臺數(shù)的限制，也保證了使用專用無線通道傳輸安全控制信息[12]。③優(yōu)化車載設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測方式。采用“車-地”間單向信息接收方式將使車載設(shè)備狀態(tài)信息無法傳送至地面控制設(shè)備，為滿足狀態(tài)監(jiān)測、維護(hù)管理、運(yùn)用分析等功能需求，采用車載設(shè)備與列車運(yùn)行狀態(tài)信息(LAIS)系統(tǒng)接口方案，利用LAIS系統(tǒng)4G 無線通信平臺將車載設(shè)備狀態(tài)信息回傳至鐵路局集團(tuán)公司中心服務(wù)器進(jìn)行存儲運(yùn)算，在車務(wù)、機(jī)務(wù)、電務(wù)等相關(guān)業(yè)務(wù)部門設(shè)立應(yīng)用終端，滿足各業(yè)務(wù)部門對于調(diào)車作業(yè)過程和設(shè)備狀態(tài)的顯示、查詢和管理需求[13]。

該方案具有以下技術(shù)特點(diǎn)。①實(shí)現(xiàn)了安全控制信息專網(wǎng)傳輸、非安全信息公網(wǎng)傳輸，保證了網(wǎng)絡(luò)和信息安全。②集中監(jiān)控模式更適合于本務(wù)機(jī)車動(dòng)態(tài)運(yùn)行的作業(yè)特點(diǎn)，信息接入、存儲、查詢都十分靈活便捷，為調(diào)車作業(yè)過程管理的大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)條件。③采用既有成熟技術(shù)平臺，不增加設(shè)備投資和運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用[14]。

此外，該方案在運(yùn)用管理方面具備以下3 方面優(yōu)勢。①采用成熟技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性可控。技術(shù)方案所選用的信息接口方式、車地通信方式、機(jī)車定位方式、制動(dòng)控制方式、人機(jī)操作方式等關(guān)鍵技術(shù)都是經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)用驗(yàn)證的可靠技術(shù)，可有效保障系統(tǒng)運(yùn)用的穩(wěn)定。②信息接口具備規(guī)范條件，提供了技術(shù)政策保障。國鐵集團(tuán)已制定《無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)與車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口暫行規(guī)范》(鐵總運(yùn)〔2014〕322 號)和《列車運(yùn)行監(jiān)控裝置(LKJ)調(diào)車監(jiān)控接口盒暫行技術(shù)要求》(鐵總運(yùn)〔2014〕339 號)，使本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的信息采集接口，與LKJ設(shè)備的制動(dòng)控制接口有據(jù)可循，為接風(fēng)控車提供了技術(shù)政策保障。③兼容既有設(shè)備制式，滿足未來拓展需求。系統(tǒng)安裝使用后可與既有STP系統(tǒng)間相互兼容，為軌道車等移動(dòng)裝備安裝使用預(yù)留基礎(chǔ)條件。在運(yùn)維管理方面，可依托現(xiàn)已形成的覆蓋全面、運(yùn)行有效的STP系統(tǒng)管理維護(hù)體系，為管好用好設(shè)備提供管理制度保障[15-16]。

4 結(jié)束語

為補(bǔ)齊本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全技防裝備短板，對北京局集團(tuán)公司調(diào)車安全防護(hù)裝備系統(tǒng)方案進(jìn)行研究，通過對本務(wù)機(jī)車調(diào)車作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)及前期研究成果進(jìn)行分析總結(jié)，對比研究了幾種技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)及不足，結(jié)合北京局集團(tuán)公司調(diào)車作業(yè)安全技防裝備現(xiàn)狀，提出建設(shè)本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)系統(tǒng)最佳技術(shù)方案。該方案現(xiàn)已在北京站、北京西站本務(wù)機(jī)車進(jìn)行裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)效果滿足本務(wù)機(jī)車調(diào)車安全防護(hù)運(yùn)用需求，可為全路推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。