動車段調(diào)車作業(yè)侵入列車進路安全防范技術研究

寇亞洲，馮軍華，王琳，付紫彪

動車段（所）作為動車組檢修養(yǎng)護的重要基地，對保障動車組安全穩(wěn)定運行起著重要作用。動車段（所）內(nèi)存在大量的接發(fā)車及調(diào)車作業(yè)，具有作業(yè)量大，作業(yè)時段集中等特點。近年來，調(diào)車作業(yè)侵入列車接、發(fā)車進路的事故時有發(fā)生［1］。目前動車段（所）在站場設計時主要采用設置隔開設備或鎖閉道岔等方式形成進路隔離，用以防范出現(xiàn)調(diào)車侵入列車進路造成安全事故的情況。對于沒有設置隔開設備的線路，主要依靠作業(yè)人員人工判斷，極易出現(xiàn)車務作業(yè)人員因客觀不清楚或主觀違章蠻干，導致發(fā)生調(diào)車作業(yè)侵入列車進路的安全問題。

動車段（所）控制集中系統(tǒng)（Control Centralized System， CCS）是裝備在動車段（所）保障動車組高效檢修、安全運營、合理調(diào)度的現(xiàn)代化行車指揮系統(tǒng)［2］，實現(xiàn)接發(fā)車與調(diào)車作業(yè)的綜合自動化。目前，CCS尚不具備調(diào)車侵入列車進路的安全防范檢測，為防范上述安全隱患，做到事前檢測，實時監(jiān)視，提出一種基于作業(yè)計劃的調(diào)車侵入列車進路安全防范技術方案。下文將從技術方案、算法實現(xiàn)、仿真驗證3個方面進行詳細論述。該方案的實現(xiàn)對確保動車段（所）內(nèi)接發(fā)車及調(diào)車作業(yè)的安全、有序、平穩(wěn)運行具有重要意義。

1 技術方案

《鐵路技術管理規(guī)程》（高速鐵路部分）第319條規(guī)定：接發(fā)旅客列車時，與接發(fā)列車進路沒有隔開設備或脫軌器的線路，不準向能進入接發(fā)列車進路的方向調(diào)車［3］。調(diào)車冒進信號對列車進路是否存在侵入風險，主要由調(diào)車冒進信號后走行的延續(xù)通路決定。當延續(xù)通路與接發(fā)車進路構成平行路徑，不存在區(qū)段設備占用沖突，則不存在侵入列車進路風險。若延續(xù)通路與接發(fā)車進路存在區(qū)段設備占用沖突，則可能引發(fā)安全隱患。本文以雄安動車運用所為例，針對調(diào)車冒進信號侵入列車進路場景進行分析，結合CCS既有作業(yè)計劃過程控制，提出相應安全防范措施。

1.1 場景分析

1.1.1 作業(yè)范圍劃分

雄安動車運用所作為承擔京雄城際鐵路動車組維修養(yǎng)護的重要基地，根據(jù)所內(nèi)功能設置的不同，其站場可分為存車線、人工清洗線與檢查庫線（簡稱“清洗檢查線”）、綜合維修基地3個部分。其中，存車線承擔動車組接發(fā)車的停放作業(yè)，清洗檢查線主要完成動車組的檢修整備及清洗作業(yè)，綜合維修基地用于除動車組外的其他車列的停放作業(yè)。依據(jù)站場劃分，雄安動車運用所接發(fā)車及調(diào)車作業(yè)具體內(nèi)容如下。

1）接發(fā)車作業(yè)：出入口?存車線，出入口?綜合維修基地；

2）調(diào)車作業(yè)：存車線?清洗檢查線、綜合維修基地?存車線、綜合維修基地?綜合維修基地、存車線?存車線、清洗檢查線?清洗檢查線。

其中，綜合維修基地?存車線、綜合維修基地?綜合維修基地、存車線?存車線、清洗檢查線?清洗檢查線均為調(diào)車折返作業(yè)。

圖1為調(diào)車冒進信號侵入列車進路示例，0G100次動車組運行經(jīng)過99#道岔反位到達I-23G1。CR400BF-A-3031動車組冒進SI-22調(diào)車信號后，若繼續(xù)沿著延續(xù)通路走行，將存在侵入0G100次動車組接車進路的風險。因此，梳理雄安動車運用所內(nèi)可能存在調(diào)車作業(yè)冒進侵入接發(fā)車作業(yè)的情況，見表1。雄安動車運用所綜合維修基地設有安全線隔開設備，且安全線道岔常態(tài)處于定位，故涉及綜合維修基地范圍的調(diào)車作業(yè)在冒進信號后將進入安全線，不會對接發(fā)車作業(yè)產(chǎn)生侵入影響。同時CCS對不同計劃間是否存在進路沖突已具備自動檢測功能。故表1僅考慮動車組以冒進信號方式引起的侵入情況。

表1 調(diào)車作業(yè)冒進侵入接發(fā)車作業(yè)

圖1 調(diào)車冒進信號侵入列車進路示例

1.1.2 作業(yè)場景劃分

CCS依據(jù)作業(yè)計劃執(zhí)行進程，將作業(yè)計劃執(zhí)行狀態(tài)劃分為“待執(zhí)行狀態(tài)”和“正在執(zhí)行狀態(tài)”?！按龍?zhí)行狀態(tài)”指作業(yè)計劃進路指令未建立；“正在執(zhí)行狀態(tài)”指計劃進路指令已建立且進路軌道區(qū)段未占用或進路軌道區(qū)段已占用2種情況。根據(jù)作業(yè)計劃執(zhí)行狀態(tài)的劃分，接發(fā)車作業(yè)計劃與調(diào)車作業(yè)計劃執(zhí)行狀態(tài)組合見圖2。以圖中的箭頭為例，“接車計劃為正在執(zhí)行狀態(tài)，調(diào)車計劃為待執(zhí)行狀態(tài)”即列車正在進行接車作業(yè)，此時值班員若對其他車辦理調(diào)車作業(yè)，需考慮是否具有侵入列車進路的風險。

圖2 接發(fā)車作業(yè)與調(diào)車作業(yè)計劃執(zhí)行狀態(tài)組合

1.2 延續(xù)通路冒進侵入判斷

實現(xiàn)調(diào)車冒進侵入風險自動檢測功能需要解決的核心技術問題是對調(diào)車冒進信號后延續(xù)通路的搜索判斷。調(diào)車在冒進信號后，可能走行的區(qū)段設備包括道岔區(qū)段與無岔區(qū)段。其中，道岔區(qū)段受道岔類型與道岔所處位置限制，對延續(xù)通路搜索判斷的影響更為復雜。對于單動道岔，當調(diào)車作業(yè)延續(xù)通路與接發(fā)車作業(yè)進路形成敵對關系，則判定冒進侵入。對于聯(lián)動道岔，當調(diào)車作業(yè)延續(xù)通路與接發(fā)車作業(yè)進路形成平行關系，則判定不存在冒進侵入，否則具有冒進侵入風險。圖1示例中CR400BF-A-3031動車組冒進調(diào)車信號后，可能以“擠岔方式”通過101道岔，從而侵入列車進路，該情況即為冒進侵入。此外，針對接發(fā)車作業(yè)計劃與調(diào)車作業(yè)計劃均未執(zhí)行的情況，在判斷調(diào)車冒進的延續(xù)通路是否侵入接發(fā)車進路時，需以接發(fā)車作業(yè)進路建立后的道岔位置狀態(tài)作為侵入判斷依據(jù)。

當判斷延續(xù)通路時，若道岔處于轉(zhuǎn)換中間狀態(tài)，則停止判斷，待道岔轉(zhuǎn)換完畢后再繼續(xù)判斷。延續(xù)通路冒進侵入的搜索判斷以站場進站信號機為終止。

1.3 防范措施

通過上述場景分析，為實現(xiàn)對冒進侵入風險的事前檢測與實時監(jiān)視，將防范措施分為兩大類：一是作業(yè)計劃執(zhí)行前的防錯辦檢查；二是作業(yè)計劃執(zhí)行中的報警提示。

作業(yè)計劃執(zhí)行前的防錯辦檢查，是將調(diào)車作業(yè)計劃冒進侵入作為計劃自觸的檢查條件，為防止作業(yè)計劃對應的進路指令錯誤觸發(fā)，CCS在作業(yè)計劃辦理前進行檢查，并給予現(xiàn)場操作人員對應的冒進沖突提示。作業(yè)計劃執(zhí)行中的報警提示，指CCS對已在執(zhí)行中的作業(yè)計劃進行實時監(jiān)視，當出現(xiàn)冒進侵入風險時，及時向現(xiàn)場操作人員進行報警提示。

根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場崗位設置，上述防范措施的提示信息將以彈窗形式展示給車站值班員。同時結合現(xiàn)場作業(yè)效率，對距當前時間15 min以后的作業(yè)計劃的冒進侵入風險不予考慮，因為此時形成了進路的時間隔離，不構成安全隱患。

2 算法實現(xiàn)

鐵路車站站場拓撲結構具有方向性，且站場信號設備之間具有前后的連接關系［4］?？紤]到調(diào)車冒進信號后需完成延續(xù)通路的搜索及判斷延續(xù)通路是否構成侵入，本文采用動態(tài)有向無環(huán)圖算法實現(xiàn)上述功能。

2.1 模型建立

有向無環(huán)圖由若干頂點和邊組成，每條邊都從一個頂點指向另一個頂點，沿著這些頂點的方向不會形成閉合環(huán)路。動車段（所）站場主要由信號機、道岔、軌道區(qū)段組成，這三者存在邏輯連接關系。搜索延續(xù)通路時，沿著調(diào)車冒進信號后的走行方向，根據(jù)道岔位置狀態(tài)，不斷查找下一設備直至搜索結束，搜索過程不存在回路。因此，動車段（所）站場可抽象為有向無環(huán)圖模型，延續(xù)通路的搜索可轉(zhuǎn)化為對站場有向無環(huán)拓撲結構的遍歷［5-7］。

根據(jù)有向無環(huán)圖理論，將信號機、道岔、軌道區(qū)段中的股道與無岔區(qū)段抽象成頂點集，設備之間的連接關系抽象成邊集。站場的有向圖模型為G=(V，E)，其中V為頂點集，E為邊集。因站場圖的行車方向分為上行、下行，所以上述頂點集合中的3種設備可抽象為圖3中的設備模型。

圖3 設備模型

為準確描述設備模型，便于后續(xù)延續(xù)通路的快速搜索，上述設備模型按照基礎屬性、動態(tài)屬性與方向?qū)傩赃M行統(tǒng)一，見表2。

表2 設備模型屬性

除抽象頂點集外，將兩相鄰設備間的連接關系抽象為動態(tài)連接模型Wi=g(Vi，Vi+1)。其中，Wi為鄰接頂點間的連通權值，權值為1表示兩鄰接頂點連通，權值為∞表示不連通；g為鄰接頂點間的權值計算函數(shù)，受頂點Vi的動態(tài)屬性影響，動態(tài)影響因素為站場道岔實時位置狀態(tài)與計劃排列時道岔轉(zhuǎn)換位置狀態(tài)。

綜上所述，起始頂點到任意頂點設備間的動態(tài)聯(lián)通模型為Ci=Connect(Vi，V0，W)。其中，V0為起始頂點，Vi為任意頂點，W為鄰接邊連通權值的串聯(lián)集合，Ci為起始頂點到任意頂點設備間的動態(tài)聯(lián)通值。根據(jù)上述定義，建立雄安動車運用所站場局部動態(tài)有向無環(huán)圖模型，見圖4。圖4中包含上、下行2個方向，延續(xù)通路搜索時僅為單向搜索。

圖4 雄安動車運用所站場局部動態(tài)有向無環(huán)圖模型

2.2 算法實現(xiàn)

依據(jù)上文建立的動態(tài)有向無環(huán)圖模型，將延續(xù)通路的搜索抽象為動態(tài)有向無環(huán)圖中從起始頂點V0求解生成樹的問題。將調(diào)車走行方向作為延續(xù)通路搜索方向，調(diào)車進路的調(diào)車阻擋信號作為延續(xù)通路的搜索起點V0，結合接發(fā)車聯(lián)動道岔、“擠岔方式”侵入等影響因素，動態(tài)計算連通權值，建立樹的棧（stack）存儲結構，壓棧記錄搜索樹結果。

多條調(diào)車計劃冒進延續(xù)通路的搜索進一步抽象為從多個起始頂點Vn求解生成森林的問題。所以調(diào)車侵入列車進路可抽象為列車計劃進路設備鏈表和生成樹或生成森林的設備重疊問題。延續(xù)通路搜索算法流程見圖5。

圖5 延續(xù)通路搜索算法流程

3 仿真驗證

3.1 仿真測試平臺搭建

基于既有CCS系統(tǒng)架構，依托虛擬仿真平臺，在實驗室搭建仿真測試平臺，總體架構見圖6。數(shù)據(jù)配置采用雄安動車運用所站場數(shù)據(jù)，對本文所述調(diào)車冒進侵入列車進路安全防范技術的準確性與可靠性進行驗證。

圖6 仿真測試平臺總體架構

仿真測試平臺劃分為虛擬化層與實物層兩部分。聯(lián)鎖系統(tǒng)、CTC系統(tǒng)與CCS的應用服務器（車次追蹤服務器和集中控制服務器）及CTC接口服務器均采用虛擬化方式搭建［8-9］。CCS的操作顯示終端（值班員終端、信號員終端、站調(diào)終端）與數(shù)據(jù)庫服務器采用實物搭建［10］。仿真測試時，通過聯(lián)鎖系統(tǒng)的仿真軟件占壓或出清軌道區(qū)段實現(xiàn)動車組現(xiàn)場實際走行場景的仿真模擬［11-12］。由于CCS的值班員終端用于實現(xiàn)接發(fā)車計劃與調(diào)車計劃的簽收、計劃指令方案的展示調(diào)整、接發(fā)車計劃閉塞手續(xù)的辦理與動車組作業(yè)過程的監(jiān)視等功能［13-14］，且技術方案基于作業(yè)計劃實現(xiàn)，因此，相應報警防范措施以提示窗口形式顯示在CCS的值班員終端界面上。

3.2 防錯辦檢查測試

防錯辦檢查功能是針對待執(zhí)行的調(diào)車計劃在觸發(fā)時侵入列車進路的風險檢測。根據(jù)接發(fā)車計劃執(zhí)行狀態(tài)的不同及冒進沖突位置的不同，防錯辦檢查功能的具體場景細化見表3。

表3 防錯辦檢查功能測試場景

結合圖1所示，以表3的場景4為例，待執(zhí)行的調(diào)車計劃CR400BF-A-3025觸發(fā)時，查找該計劃的延續(xù)通路，若道岔105與103處于定位，調(diào)車計劃延續(xù)通路將與已執(zhí)行的接車計劃0G100存在設備沖突，調(diào)車計劃CR400BF-A-3025將存在冒進侵入風險。因此，自動觸發(fā)調(diào)車計劃CR400BFA-3025時，進行防錯辦檢查，車站值班員終端將提示“調(diào)車計劃進路在設備99處無隔開設備”，見圖7。

圖7 防錯辦檢查提示

3.3 執(zhí)行中報警測試

執(zhí)行中報警功能是針對調(diào)車計劃處于正在執(zhí)行狀態(tài)時，系統(tǒng)可實時檢測判斷存在的調(diào)車冒進侵入列車進路的風險，并給予作業(yè)人員報警提示，具體場景見表4。

表4 執(zhí)行中報警功能測試場景

結合圖1所示，以表4中的場景11為例，若道岔107處于定位，已執(zhí)行的調(diào)車計劃CR400BF-A-3031其延續(xù)通路與已執(zhí)行接車計劃0G100存在設備沖突。車站值班員終端界面進行報警提示“（CR400BF-A-3031）與設備101處有冒進沖突”，見圖8。該報警提示框持續(xù)彈出時間為30 s，并伴有語音報警提示。

圖8 執(zhí)行中報警提示

4 結束語

本文針對高鐵動車段（所）人為調(diào)車作業(yè)侵入列車進路的安全風險問題，提出基于作業(yè)計劃的調(diào)車侵入列車進路安全防范技術方案。該方案依托CCS，采用動態(tài)有向無環(huán)圖技術，實現(xiàn)調(diào)車冒進侵入列車進路場景下，對侵入風險的主動提示與實時報警。該方案的實現(xiàn)對保障動車段（所）內(nèi)接發(fā)車及調(diào)車作業(yè)的安全、有序、平穩(wěn)運行具有重要作用，對后期在動車段（所）及高鐵車站的推廣具有重要意義。