姚孝剛

（廣州鐵路（集團）公司科學技術研究所，廣東廣州510100）

一種調車防護系統(tǒng)的研制

姚孝剛

（廣州鐵路（集團）公司科學技術研究所，廣東廣州510100）

介紹一種適用于對平面無線調車進行防護的設備的研制。該設備由藍燈防護裝置、顯示終端、地面信號接收器、地面應答器組成。機車進入調車模式時，利用地面應答器獲取信號機狀態(tài)、機車位置信息和線路坡度信息，根據(jù)牽引工況，計算出制動曲線和報警曲線，當速度超過報警速度時報警，超過制動速度時緊急制動，防止機車超速、闖藍燈和擠道岔。

平面無線調車；藍燈；防護；應答器；擠岔

隨著國民經濟的快速發(fā)展，鐵路運輸發(fā)揮的作用越來越重要，因此鐵路運輸生產各個環(huán)節(jié)的安全日益凸顯。在鐵路車站或調車場內，為了保證在調車作業(yè)時不擠壞未開通的道岔，在道岔前設置信號機進行提示。但這種無聲靜態(tài)的信號機，無法保證調車作業(yè)時不闖過藍燈狀態(tài)的信號機，擠壞道岔。而這種闖藍燈釀成事故的現(xiàn)象在全路各地時有發(fā)生，給鐵路運輸生產秩序帶來嚴重不良影響。目前全路采用兩種模式的調車系統(tǒng)對調車作業(yè)安全監(jiān)控。

（1）調車安全監(jiān)控系統(tǒng)。此模式適用于專調機車，將進路、調車計劃（含車數(shù)、換長）、速度限制、動車距離限制等信息復示在機車的LKJ顯示屏上，通過LKJ的調車控車模式控制調機動作，能夠防止調機闖藍燈。因造價高，只在大的調車場中使用。

（2）平面無線調車系統(tǒng)。調車長手持無線終端（擴展功能的無線對講機）與機車的無線電臺建立無線通信，由調車長手持無線終端控制調機車設備，通過進入調車狀態(tài)監(jiān)控裝置進行調車控制。此模式造價低，在小站場中廣泛使用。但需人工操作，存在不安全因素。如在調車作業(yè)中，由于電池等非人為因素造成電臺設備故障或者通訊故障，或司機及調車組人員誤判行車信號，停車不及時，從而造成調車闖藍燈擠道岔等事故。

因此，研制一種既安全可靠又造價相對低廉的設備，解決平面無線調車系統(tǒng)闖藍燈（以下簡稱調車防護系統(tǒng)）問題是相當重要的。

1 系統(tǒng)組成

1.1 總體結構

如圖1所示，調車防護系統(tǒng)由車上設備和4個地面應答器組成。車上設備包括一個藍燈防護裝置、2個顯示終端和一套地面信息接收器組成。

圖1 調車防護系統(tǒng)結構圖

藍燈防護裝置的主要作用，是防止機車在調車作業(yè)時越過藍燈狀態(tài)的地面信號機。要實現(xiàn)這個目標，藍燈防護裝置需要獲得3個方面的信息，即機車的牽引工況、地面信號機的狀態(tài)和機車位置信息等。

地面信號機的狀態(tài)指機車運行前方，最接近的地面信號機是白燈還是藍燈。白燈允許機車通過，藍燈則禁止機車通過。地面應答器通過安裝在信號機內的互感器，讀取并儲存藍燈和白燈狀態(tài)。當安裝在機車的地面信息接收器通過應答器的上方時，儲存在應答器內的信號機狀態(tài)信息、應答器位置信息和線路坡度信息，便被讀取到機車上的藍燈防護裝置內。

機車的運行工況，如速度和運行方向等，通過機車上的連線，直接引入裝置內。列車編組信息等可通過優(yōu)盤輸入或顯示終端按鍵輸入。

藍燈防護裝置以獲得的上述各種信息作為依據(jù)，計算出機車運行的制動曲線和報警曲線，送至安裝在司機臺上的顯示終端顯示，并根據(jù)制動曲線和報警曲線控制機車運行，完成藍燈防護功能。

1.2 地面應答器位置的確定

4個地面應答器分別安裝在信號機前4根軌枕的中央，按圖2所示距離分布。

圖2 地面應答器布置圖

根據(jù)文獻［1］，列車制動距離計算公式如下：

Sk為列車空走距離，m；

Se為列車有效制動距離，m；

v0為制動初速，km／h；

θh為列車換算制動率；

ij為制動地段的加算坡度千分數(shù)；

Φh為列車換算摩擦系數(shù)；

ω0為列車單位基本阻力，N／k N；

βc為常用制動系數(shù)；

v1，v2為制動時速度間隔的初速和末速，km／h；

tk為列車空走時間，s。

根據(jù)文獻［2］列車在調車作業(yè)時，牽引運行時限速40 km／h，推進運行時限速35 km／h。按制動初速v0＝40 km／h，分別計算（1）SS4，（2）SS7，（3）SS8，3種有代表性的機車單機運行時的緊急制動距離，其他機車可照此計算。平道取ij＝0，單機運行時tk＝2.5 s，緊急制動時βc＝1。

表1 SS4機車單機運行時制動距離計算表

Se＝∑ΔS＝5.834＋18.393＋31.900＋46.106＝102.2（m）

Sz＝Sk＋Se＝27.8＋102.2＝130（m）

若機車運行在－6‰的坡道上，ij＝－6，則可算出Se＝112.6 m，Sz＝140 m。

（2）SS7制動距離計算。SS7原閘瓦為鑄鐵，利用不同摩擦材料換算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)0.625，換算成高摩合成閘瓦。經計算，Sz＝88 m。

若機車運行在－6‰的坡道上，則Sz＝91.5 m。

（3）SS8制動距離計算。SS8原閘瓦為粉末冶金，利用不同摩擦材料換算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)0.8，換算成高摩合成閘瓦。可算出，Sz＝120 m。

若機車運行在－6‰的坡道上，則可Sz＝128 m。

下面是計算機車牽引列車時的緊急制動距離。

（4）SS7牽引G＝3 500 t的貨物列車，編組48輛，其中GK、120型制動機重車位42輛，空車位3輛，關門車3輛。運行在平道上，計算以初速v0＝40 km／h時施行緊急制動的制動距離。

∑kh＝840＋42×250＋3×160＝11 820（k N）

列車換算制動率：

空走時間：

tk＝（1.6＋0.065n）（1－0.028ij）＝（1.6＋0.065×48）×（1－0.028×0）＝4.72（s）

空走距離：

Sk＝0.278v0tk＝0.278×40×4.72＝52.486（m）

后續(xù)計算過程見表2。

表2 SS7機車牽引3 500 t列車時制動距離計算表

S e＝ΣΔS＝4.66＋16.40＋28.53＋40.60＝90.20（m）Sz＝Sk＋Se＝52.486＋90.20＝143（m）。

若此列車運行在－6‰的坡道上，則tk＝5.51 s，Sk＝61.27 m，Se＝98.18 m，Sz＝159 m。

（5）SS4牽引G＝3 500 t的貨物列車，編組50輛，其中GK、120型制動機重車位44輛，空車位3輛，關門車3輛。運行在平道上，計算以初速v0＝40 km／h時施行緊急制動的制動距離。

按（4）的計算可得Sz＝144 m。

若此列車運行在－6‰的坡道上，則Sz＝161 m。

（6）SS4牽引G＝5 000 t的貨物列車，編組50輛，其中GK、120型制動機重車位44輛，空車位3輛，關門車3輛。運行在平道上，計算以初速v0＝40 km／h時施行緊急制動的制動距離。

經計算得Sz＝180.6 m。

若此列車運行在－6‰的坡道上，Sz＝206 m。

從（1）至（3）的計算可以看出單機運行時，各種機車在40 km／h初速下的制動距離是不同的，相差很大。最短的SS7，Sz＝88 m；最長的為SS4，Sz＝130 m。SS4機車的制動距離加算坡度千分數(shù)后，達到140 m。

從（4）至（6）的計算可以看出，用不同的機車（由SS7改為SS4G）牽引，及牽引輛數(shù)稍許變化（從48變?yōu)?0），制動距離變化不明顯，從143 m變?yōu)?44 m，僅0.7%。當在－6‰的坡道上運行時，制動距離由159m變?yōu)?61m，也變化不大，僅1.26%。但牽引質量由3 500 t增加到5 000 t時，制動距離增加很多。同是SS4G機車牽引，在平道上運行時，Sz由144 m延長為180 m，在－6‰的坡道上運行時，Sz由161 m延長為206 m。

3種機車單機運行時，制動距離最長的SS4，Sz＝130 m。在牽引3 500 t列車時，制動距離為144 m，制動距離有增加，但不多，僅10.8%。因此當機車牽引列車時，制動距離受所牽引的列車質量影響很大，牽引質量增加會使制動距離增長。牽引列車后，制動距離有所增加，并且在下坡道中，制動距離會延長。

在－6‰的坡道上牽引5 000 t的列車，并以40 km／h的速度進行調車作業(yè)是小型站場調車的極限情況了。以此計算得到的最大的制動距離206 m作為計算S1的基礎值。地面信息接收天線安裝在單節(jié)機車中部（雙節(jié)機車則安裝在頭部，各節(jié)車一套），因此再加上半個車長20 m×0.5得216 m。取整得S1＝220 m。S1即是1＃應答器距離信號機的距離。對于短股道，S1取信號機到股道端頭的實際長度。機車運行時，藍燈防護裝置可從1＃地面應答器中讀取到S1的實際值，以此實際值進行報警曲線和制動曲線的計算，對機車進行防護。

4＃地面應答器的作用是用來定位藍燈防護區(qū)的結束及感知機車反向進入藍燈防護區(qū)。4＃地面應答器也用來當機車停在信號機前，因誤判白燈信號而起動機車的防護。此時機車剛起步，速度一般在5 km／h以下，以10 km／h來考慮。同樣以極限情況（6）來計算，在－6‰的坡道上，tk＝5.66 s，Sk＝15.73 m，Se＝6.32 m，Sz＝22 m，制動距離再加一半車長得32 m，取S4為35 m。當股道較短時，S4可縮短至25 m（因制動初速由5 km／h放大到10 km／h，放大了一倍）。

2＃和3＃地面應答器起輔助防護作用。一是校正機車根據(jù)速度計算距信號機的距離的誤差；二是在藍燈防護區(qū)內，提早感知信號機行車信號的變化。當股道較短時，可取消2＃或3＃地面應答器，或同時取消。2＃地面應答器安裝在防護區(qū)的位置處。S＝（220－35）×

2＋35＝158.3（m），取整S2＝160 m。3＃地面應答器安裝在防護區(qū)的位置處。S＝（220－35）×＋35＝

396.7（m），取整S3＝100 m。S2和S3可根據(jù)股道在長短進行調整，甚至不安裝2?；?＃地面應答器。當只安裝其中一個時，位置取在藍燈防護區(qū)的中間。

1.3 硬件結構

車上的硬件連接如圖3。

圖3 車上接線圖

1.3.1 藍燈防護裝置

藍燈防護裝置是系統(tǒng)的核心硬件，負責地面應答器信號的接收、機車運行工況信息的獲取、列車編組信息的讀入、顯示終端和喇叭信息的輸出、根據(jù)所獲取的信息計算出報警曲線和制動曲線，并進行實時報警和制動。裝置的內部框圖如圖4所示，裝置的實物如圖5所示。

圖4 藍燈防護裝置內部框圖

圖5 藍燈防護裝置車上安裝圖

1.3.2 地面信息接收器

地面信息接收器負責與地面應答器的通訊，由地面信息接收天線、CPU單元、RAM、電源模塊和通訊接口單元組成。上電后，接收器向車底發(fā)送查詢信號。當車底有地面應答器時，應答器收到查詢信號，便把儲存的信息，發(fā)送回地面信息接收器。接收器通過485通訊口，把收到的信息發(fā)送到藍燈防護裝置。接收器由藍燈防護裝置供給DC 12 V電源。接收器的實物安裝圖見圖6。地面信息接收器可在機車以200 km／h速度運行時，完成地面應答器信息的讀取。

1.3.3 地面應答器

地面應答器由天線、射頻標簽蕊片WM72016、低功耗單片機C8051F930及外圍電路和藍燈白燈信號接口組成。如圖7所示。虛線框內的白燈互感器和藍燈互感器安裝在站場的信號機內，通過接口電路為地面應答器供電，并獲取信號機內是藍燈點亮還是白燈點亮。地面應答器功耗極低，DC 5 V 6 m A即可正常工作。地面應答器的現(xiàn)場安裝見圖8。

圖6 地面信息接收器安裝圖

圖7 地面應答器原理圖

圖8 地面應答器安裝圖

1.3.4 顯示終端

顯示終端安裝在司機臺上，顯示報警曲線、制動曲線和機車實際運行曲線，輸入列車編組信息，見圖9。藍燈防護裝置通過485接口與顯示終端通訊。用作報警的嗽叭也安裝在顯示終端內。

圖9 顯示終端安裝圖

2 工作原理

在給定的牽引工況和線路條件下，根據(jù)制動距離Sz計算公式，可做出緊急制動距離與制動初速v0的關系曲線，稱為制動曲線。緊急制動距離減20 m后與制動初速v0的關系曲線，稱為報警曲線。見圖10。

圖10 制動曲線和報警曲線

當藍燈防護裝置上電后，有優(yōu)盤插入時，更新列車的編組信息。當機車運行，收到1＃應答器內的位置信息、坡道信息和藍燈狀態(tài)后，若白燈亮，則不防護，只儲存好信息；否則進行防護，計算報警曲線和制動曲線，并根據(jù)當前速度是否超過報警速度或制動速度進行報警或制動。當收到2＃應答器內的信息時，若白燈亮則取消防護；否則對距離、報警曲線和制動曲線修正，繼續(xù)防護。同樣，當收到3＃應答器內的信息時，若白燈亮則取消防護；否則對距離、報警曲線和制動曲線修正，繼續(xù)防護。當收到4＃應答器內的信息時，若白燈亮則取消防護；否則跳主斷，并緊急制動。當機車反向進入防護區(qū)域時，先收到4＃應答器內的信息，裝置不進行防護，只儲存了信息。再依次收到3＃、2＃、1＃應答器內的信息都做同樣處理。若收到以上任一應答器內的信息后，機車改變運行方向，則根據(jù)儲存的信息和運行距離，計算報警曲線和制動曲線，進入防護狀態(tài)，直到退出防護區(qū)。

3 改進過程

樣機制作完成后，在廣州站裝車試驗。在廣州站10道D60信號機前安裝了1＃，2＃，3＃，4＃應答器，在廣州站專調機車DF51387上安裝了藍燈防護裝置車上設備。經過運行考驗，系統(tǒng)達到了設計要求。同時也發(fā)現(xiàn)應答器與信號機的有線連接，在現(xiàn)場施工時，工作量比較大，因此做如下改進。

取消應答器與信號機的有線連接，應答器改為無源標簽，只存儲位置信息、坡道信息和前方調車信號機標識信息，不再獲取藍燈和白燈狀態(tài)信息。藍燈和白燈狀態(tài)信息由安裝在信號機內的無線模塊發(fā)送到機車內。機車上安裝對應的無線模塊和天線。當機車收到應答器信息，進入防護區(qū)時，激活前方信號機的無線模塊；當機車收到應答器信息，退出防護區(qū)時，使當前信號機的無線模塊休眠。信號機內的無線模塊激活后，向機車發(fā)送一次藍燈和白燈狀態(tài)信息。當機車詢問或藍燈和白燈狀態(tài)變化時，再次向機車發(fā)送一次藍燈和白燈狀態(tài)信息。

這樣，整套調車防護系統(tǒng)成為一套易于施工，易于安裝，可靠實用的防護設備。

［1］ 張中央，列車牽引計算［M］.中國鐵道出版社，2009.

［2］ 中國鐵路總公司，鐵路技術管理規(guī)程［M］.北京：中國鐵道出版社，2014.

［3］ 蘇 桃.列車牽引計算與操縱［M］，北京：中國鐵道出版社，2008.

［4］ GB／T 25340－2010.鐵路機車車輛自動識別設備技術條件［S］.

Development of a Shunting Protection System

YAO Xiaogang
（Institute of Science and Technology，Guangzhou Railway（Group）Corporation，Guangzhou 510100 Guangdong，China）

This paper introduces the research and development of a protective equipment suitable for plane wireless shunting.The equipment consists of the blue light protective device，display terminal，ground signal receiver and ground transponder.During shunting mode，locomotive gets the signal status，the locomotive position information and line gradient information through ground transponder，then calculates the braking curve and alarm curve according to the traction condition，and alarms when the speed exceeds the alarm speed or brakes urgently when the speed exceeds braking speed，which can prevent the locomotive from overspeed，crossing blue light and splitting switch.

plane wireless shunting；blue light；protection；transponder；switch split

U268.2

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.13

1008－7842（2016）06－0049－05

7—）男，高級工程師（

2016－05－05）