基于公網(wǎng)VPN及北斗定位技術的企業(yè)鐵路STP控車方案研究

張延通，趙升源

調(diào)車作業(yè)的安全防護不僅關系著列車運行的安全，而且直接影響列車編組計劃的執(zhí)行、列車運行圖的實現(xiàn)以及車輛周轉(zhuǎn)。無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)（Shunting Train Protection，STP）作為重要的調(diào)車作業(yè)技防設備，有效防止了調(diào)車機調(diào)車作業(yè)過程中“冒進防護信號”“擠道岔”“沖撞土擋”“脫線”等事故的發(fā)生，在保障調(diào)車作業(yè)安全的同時，還有效提高了站場整體作業(yè)效率［1］。

目前的STP系統(tǒng)主要安裝在專用調(diào)車機上，由車站地面控制設備和車載控制設備組成［2］。當調(diào)車機車進入車站聯(lián)鎖集中區(qū)，經(jīng)過定位應答器后，車載控制設備確認機車所在位置，通過數(shù)傳電臺通信系統(tǒng)把機車車號、機車位置等信息，發(fā)送給STP系統(tǒng)的車站地面控制設備，進行入網(wǎng)注冊申請；地面控制設備接收到注冊申請信息后，在滿足入網(wǎng)條件時，向該機車發(fā)送確認注冊信息，為該機車分配注冊號，建立安全控制信息通道，系統(tǒng)進入調(diào)車監(jiān)控工作狀態(tài)，實現(xiàn)車站對所轄專業(yè)調(diào)車機的調(diào)車作業(yè)防護［3-4］。該方案雖然技術成熟，但由于采用的數(shù)傳電臺通信方式受到電臺通信距離限制，無法做到全線機車跟蹤監(jiān)控，且使用無線數(shù)傳電臺進行車地通信，通信效率低，可監(jiān)控機車數(shù)量有限［5］。而企業(yè)鐵路多采用小運轉(zhuǎn)模式作業(yè)，調(diào)車方式均屬于本務機車調(diào)車作業(yè)，存在作業(yè)站場、作業(yè)進路隨機等特點［6］，針對這種作業(yè)模式，目前的STP系統(tǒng)不太適用。

為解決企業(yè)鐵路調(diào)車作業(yè)安全防護問題，本文提出一種高性價比的基于公網(wǎng)虛擬專網(wǎng)（VPN）通信和北斗衛(wèi)星定位技術的改進型STP 控車方案。該方案通過在企業(yè)鐵路調(diào)度中心設置地面中心服務系統(tǒng)，取消車站設備和地面應答器，依靠成熟的公網(wǎng)VPN 通信技術完成車地通信，利用北斗衛(wèi)星定位技術完成選站注冊，實現(xiàn)對整條線路上所有作業(yè)機車的集中跟蹤控制。

1 總體思路

本方案的總體思路是在調(diào)度中心設置調(diào)車中心系統(tǒng)。調(diào)車中心系統(tǒng)按業(yè)務及功能劃分為多個服務器，所有關鍵設備均采用雙系冗余配置。其中，跟蹤控制服務器實現(xiàn)對所有車站的調(diào)車信息處理，通信服務器負責跟蹤控制服務器與其他業(yè)務之間的信息處理，STP 接口服務器負責與調(diào)度中心TDCS/CTC 系統(tǒng)對接，4G 通信接口服務器負責處理公網(wǎng)通信并與機車車載終端對接。跟蹤控制服務器一方面通過STP接口服務器與調(diào)度中心TDCS/CTC 系統(tǒng)對接，接收管轄內(nèi)所有車站的聯(lián)鎖碼位信息、所有機車的車次號信息和各車站車務終端傳回的調(diào)車作業(yè)信息；另一方面通過公網(wǎng)4G通信與機車車載終端對接，機車車載終端再與機車LKJ進行通信，進而實現(xiàn)對整條線路上所有車站調(diào)車作業(yè)過程中的機車進行跟蹤與控制。此外，中心服務系統(tǒng)提供可視化的人機接口，可實時查看所有監(jiān)控機車的作業(yè)情況和作業(yè)單執(zhí)行情況。本方案中，各車站無需單獨安裝地面主機機柜和地面應答器。總體架構見圖1。

圖1 總體架構

2 通信方案

調(diào)度中心機房配置中心調(diào)車安全防護子系統(tǒng)，內(nèi)部配置防火墻、路由器和交換機，與運營商4G網(wǎng)絡連接。交換機作為接入層網(wǎng)絡設備，與調(diào)車中心系統(tǒng)內(nèi)部各服務器和路由器連接，通過劃分虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）實現(xiàn)地面中心設備的環(huán)路組網(wǎng)；路由器作為匯聚層網(wǎng)絡設備，與交換機和防火墻連接，路由器與交換機之間實現(xiàn)雙路鏈路冗余，通過路由器搭建中心調(diào)車安全防護子系統(tǒng)與運營商通信網(wǎng)絡之間的通信隧道（Generic Routing Encapsulation，GRE），并對系統(tǒng)內(nèi)部原始數(shù)據(jù)進行GRE 封裝；防火墻作為核心層網(wǎng)絡設備，與路由器和運營商網(wǎng)絡連接，使用IPSec VPN 加密技術對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行封裝加密，與專用4G通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸與交互。

具體來說，中心調(diào)車安全防護子系統(tǒng)內(nèi)部服務器發(fā)出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過接入層的交換機在環(huán)路組網(wǎng)中整合、處理后生成原始數(shù)據(jù)，傳向匯聚層的路由器，經(jīng)過GRE 虛擬專網(wǎng)隧道后，在原始數(shù)據(jù)前增加“IP 報頭”和“GRE 頭”，對原始數(shù)據(jù)做進一步封裝，形成“IP 報頭+GRE 頭+原始數(shù)據(jù)”格式的中間數(shù)據(jù)；隨后，封裝后的中間數(shù)據(jù)由匯聚層向核心層的防護墻傳輸，做進一步的IPSec 加密封裝，在中間數(shù)據(jù)的頭部增加“新IP 報頭”和“ESP 頭”，在中間數(shù)據(jù)尾部增加“ESP trailer”和“ESP auth”，形成“新IP 報頭+ESP 頭+IP 報頭+GRE 頭+原始數(shù)據(jù)+ESP trailer+ESP auth”格式的加密數(shù)據(jù)，隨后發(fā)向?qū)Ｓ玫?G通信網(wǎng)絡。

運營商對中心調(diào)車安全防護子系統(tǒng)傳來的加密數(shù)據(jù)，通過專用的網(wǎng)絡通道發(fā)送給作業(yè)中的調(diào)車機車。每臺非固定調(diào)車機車上，配置裝有雙4G 異模通信模塊的車載終端設備，4G通信模塊支持移動、聯(lián)通等多個運營商的4G 通信。車載終端采用接入點名稱（Access Point Name，APN）網(wǎng)絡接入技術配置車載終端4G通信方式，使用基于APN技術的專用物聯(lián)卡，用于車載終端與中心調(diào)車安全防護子系統(tǒng)之間的通信。

中心調(diào)車安全防護子系統(tǒng)與非固定調(diào)車機車之間采用雙路4G冗余通信的方案，既解決了數(shù)傳電臺傳輸區(qū)域小的問題，又解決了單個4G通信存在安全性和不穩(wěn)定性的問題，適合本務機車的調(diào)車安全防護。

3 選站方案

本方案工作方式與常規(guī)的STP 相同，是以站場為單位對進行調(diào)車作業(yè)的機車進行安全防護。車載設備和地面設備之間通常有3 種狀態(tài)：斷開、連接、監(jiān)控。當車載設備無法收到選定站場的任何信息時，為斷開狀態(tài)；當車載設備只收到選定站場的聯(lián)鎖碼位信息時，為連接狀態(tài)；連接狀態(tài)下的車載設備，向地面發(fā)起注冊后，收到本車的進路控制信息，此時即進入監(jiān)控狀態(tài)，系統(tǒng)將對機車進行調(diào)車安全防護。

但與常規(guī)方案不同，本方案并未使用自動化程度低、效率低的人工選站方式或成本高、靈活性低的應答器識別選站方式，而是采用一種基于衛(wèi)星定位的自動選站方案。本方案中，車載設備引入衛(wèi)星定位模塊，機車進行實時定位，并將定位信息作為選站的重要依據(jù)，其主要作用包括2 點：一是確定當前機車作業(yè)的站場；二是對相應站場的聯(lián)鎖碼位管理，包括站場碼位發(fā)送申請和站場碼位停發(fā)申請等。選站流程見圖2。

圖2 基于衛(wèi)星定位的自動選站方法流程

站場區(qū)域的選擇需根據(jù)實際情況，選取一個站場中心點，測量其經(jīng)緯度坐標，并確定一個至少可以覆蓋所有作業(yè)區(qū)段的半徑長度，形成一個圓形區(qū)域，該區(qū)域即為站場區(qū)域。站場鎖定是指某個站場，不受其它選站條件約束，無條件作為機車當前作業(yè)站場的情況。鎖定的站場最多只能存在一個。

本方案可根據(jù)站場的數(shù)據(jù)配置，在車列接近站場時基于衛(wèi)星定位進行自動選站，提前獲取聯(lián)鎖碼位信息，司機可通過車載終端提前獲知前方信號機情況，全程無需人為介入，自動化程度、安全性與調(diào)車防護作業(yè)效率都較傳統(tǒng)方案有所提高。同時，該方案中站場區(qū)域的劃定只需通過數(shù)據(jù)配置，無需安裝應答器。一方面避免了安裝應答器帶來的成本消耗、人員消耗、設備維護消耗等；另一方面針對不同的站場情況、站改情形，只修改相應數(shù)據(jù)即可，易于后期維護，靈活性高，適應性強。

4 異常情況分析與優(yōu)化

《無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)技術條件》（TB/T 3505—2018）第5.3.1 章節(jié)對正常調(diào)車監(jiān)控條件進行了定義：在正常調(diào)車監(jiān)控條件下（無線通信正常，LKJ工作正常，機車測速測距準確度符合要求，車列制動軟管連接狀態(tài)符合相關規(guī)定的要求，系統(tǒng)聯(lián)鎖信息采集及傳輸符合要求并工作正常，無調(diào)車信號突變及分路不良等異常情況），結合LKJ 實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)防護功能［7］。即STP 正常工作的前提條件包括無線通信正常，LKJ 工作正常，機車測速測距準確度符合要求，以及無調(diào)車信號突變、分路不良等異常情況。在實際應用中發(fā)現(xiàn)，STP 異常注銷的案例中，除極少數(shù)通信異常外，多是因系統(tǒng)判斷出現(xiàn)分路不良，注銷機車。

4.1 異常原因分析

STP 對車列（機車）首尾位置的計算是基于LKJ 里程和軌道電路占用狀態(tài)變化［8-9］，而基于軌道電路狀態(tài)變化實現(xiàn)的定位算法，容易存在定位誤差，且誤差隨著時間的累積可能會超過站場內(nèi)部分區(qū)段的長度，甚至可能會出現(xiàn)機車實際位置與軌道電路實際占用區(qū)段不一致的情況［10］。當此種情況發(fā)生時，就會導致STP 判定出現(xiàn)了分路不良而注銷機車，對后續(xù)調(diào)車作業(yè)安全埋下重大安全隱患。經(jīng)分析，該位置誤差主要來源于位置校準誤差和LKJ發(fā)送的里程誤差。

首先是位置校準誤差，為確保系統(tǒng)安全防護作用，需在軌道電路占用/出清時，根據(jù)延遲波動峰值對碼位信息的采集時延進行補償，對車列位置進行校準，即保證計算車列位置比實際車列位置靠前。所以延遲波動越大，計算車列位置與實際車列位置的誤差也就越大。如前文所述，本方案的調(diào)車中心系統(tǒng)設置在調(diào)度中心，并與調(diào)度中心的TDCS/CTC系統(tǒng)接口通信，接收管轄內(nèi)所有車站的聯(lián)鎖碼位信息。整個信息交互過程為“車站聯(lián)鎖系統(tǒng)—車站CTC 系統(tǒng)—調(diào)度中心CTC 系統(tǒng)—調(diào)車中心系統(tǒng)—機車車載系統(tǒng)”，較傳統(tǒng)STP 的“車站聯(lián)鎖系統(tǒng)—車站調(diào)車防護系統(tǒng)—機車車載系統(tǒng)”的信息交互流程要更長，相應的延遲波動也更具不確定性。同時調(diào)車中心系統(tǒng)與機車車載系統(tǒng)的通信采用運營商公網(wǎng)，加劇了延遲波動的不確定性。

LKJ發(fā)送的里程誤差則主要來源于機車的輪徑值誤差。當機車輪徑因磨損而減少時，LKJ記錄的里程將大于實際里程，從而導致STP 的計算位置與實際位置出現(xiàn)偏差。

4.2 優(yōu)化方案

1）為降低誤差，需采集分析相關數(shù)據(jù)，查找產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸延遲和波動的原因，逐步優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，抑制延遲波動。此外，還要加強相關信息數(shù)據(jù)的管理，定期測量更新調(diào)車機車輪徑值等關鍵數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準確性，盡可能使STP對車列（機車）的計算位置與實際位置相近。

2）目前，基于地基增強的北斗差分技術，已經(jīng)可以實現(xiàn)亞米級、厘米級的高精度定位，可通過測量車站線路的空間位置信息，制作車站站場電子地圖，采用車列（機車）高精度衛(wèi)星定位與軌道電路跟蹤結合的方式，更加精準地實現(xiàn)對車列（機車）的位置跟蹤。

3）分析梳理各種系統(tǒng)注銷情況，完善分級報警機制。系統(tǒng)注銷通?？煞譃榭深A期注銷和意外注銷兩類。由可預期事件觸發(fā)的系統(tǒng)注銷，通常屬于非緊急狀況的控制權轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)應盡早向乘務人員發(fā)出提醒，以保證乘務人員有足夠的時間完成接管工作，系統(tǒng)發(fā)出的提示應跟隨請求時間逐步提升警告強度。例如從單純視覺信號報警，升級到視覺信號加聲音信號報警，直至乘務人員確認。由意外事件觸發(fā)的系統(tǒng)注銷，通常屬于緊急狀況的控制權轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)除向乘務人員發(fā)出報警信息外，還應采取緊急制動等措施，避免事故的發(fā)生。

5 結束語

為補齊企業(yè)鐵路調(diào)車安全防護技術短板，提出基于公網(wǎng)VPN 及北斗定位技術的企業(yè)鐵路STP 控車方案：基于公網(wǎng)VPN 技術完成車地通信，利用北斗衛(wèi)星定位完成選站注冊，并對車列（機車）在該站區(qū)的調(diào)車作業(yè)進行防護。這種無站場地面設備、無車站設備，僅需在調(diào)度中心安裝地面設備的方案，無需新建和維護鐵路專用無線通信系統(tǒng)，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益。該方案已在中國平煤神馬控股集團企業(yè)鐵路部署試用，試驗效果滿足企業(yè)鐵路調(diào)車安全防護需求，可為其他企業(yè)鐵路推廣應用提供技術參考。