李晗，韓波

（1.中交機電工程局有限公司 武漢技術(shù)中心，湖北 武漢 430060；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

1 STP系統(tǒng)及其特點

無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)（STP）是保障車站調(diào)車作業(yè)安全的重要行車輔助設(shè)備，目前已廣泛應(yīng)用在車站的調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)督中[1-3]。STP系統(tǒng)利用無線通信，能夠?qū)崟r地實現(xiàn)機車和地面間狀態(tài)信息交換的閉環(huán)監(jiān)控，包括站場進(jìn)路信息、信號機狀態(tài)信息、調(diào)車機車運行狀態(tài)等與調(diào)車作業(yè)安全密切相關(guān)的信息。同時，STP車載主機配合列車運行監(jiān)控裝置（LKJ）構(gòu)成的車載系統(tǒng)能夠有效防止調(diào)車作業(yè)中冒進(jìn)防護(hù)信號、沖撞土擋、行車作業(yè)超速等危險事件，既保證站內(nèi)調(diào)車作業(yè)的安全，又滿足鐵路發(fā)展安全高效的要求。STP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)具有如下特點：

（1）作為保障作業(yè)安全的行車輔助設(shè)備，系統(tǒng)車載設(shè)備和地面設(shè)備所采用的計算機平臺均為非安全計算機平臺，因此系統(tǒng)適用相對較低的安全標(biāo)準(zhǔn)。STP系統(tǒng)與通用機車信號設(shè)備具有相同安全級別，屬于中國列車運行控制系統(tǒng)CTCS-0級[4]。

（2）采用數(shù)傳電臺進(jìn)行車地間無線通信，數(shù)傳電臺覆蓋范圍受地形地貌及信號干擾的限制，存在較多盲點，因此STP系統(tǒng)運行到盲點區(qū)域時會造成車地?zé)o線連接失敗，從而丟失機車位置信息。

（3）采用無源應(yīng)答器進(jìn)行注冊入網(wǎng)和初始坐標(biāo)定位。STP系統(tǒng)和LKJ結(jié)合而成的車載系統(tǒng)在調(diào)車模式下，具備站內(nèi)調(diào)車信號機的列車速度防護(hù)、機車走行距離位置跟蹤、機車運行數(shù)據(jù)記錄、應(yīng)答器信息讀取等功能。

（4）系統(tǒng)應(yīng)用范圍主要集中在車站集中區(qū)，車站站內(nèi)軌道區(qū)段長度普遍較短，為避免對正線列車運行的影響，STP系統(tǒng)無源應(yīng)答器安裝地點要避開正線列車走行區(qū)域，同時為降低工程成本，無源應(yīng)答器的布點數(shù)量不應(yīng)過多。

綜合上述應(yīng)用特點可知，STP系統(tǒng)安全等級并不高，可以采用軌道電路區(qū)段占用邏輯來實現(xiàn)。為解決溜放作業(yè)時列車坐標(biāo)丟失的問題，將STP系統(tǒng)的位置跟蹤實現(xiàn)分為2部分，其中機車部分的定位方法采用基于應(yīng)答器定位點+測速傳感器的位置跟蹤，而車列部分的定位方法采用基于軌道電路+測速傳感器的位置跟蹤。

圖1 STP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 調(diào)車作業(yè)場景分析

調(diào)車作業(yè)有特定的作業(yè)場景，通過對調(diào)車作業(yè)過程進(jìn)行分析，將其劃分為9個應(yīng)用場景，并描述STP系統(tǒng)在各場景下應(yīng)具備的功能。正常狀況下6個應(yīng)用場景：入網(wǎng)注冊、退網(wǎng)注銷、存車線連掛作業(yè)、牽引作業(yè)、推進(jìn)作業(yè)、溜放作業(yè)；特殊情況下2個應(yīng)用場景：機車停車后人工解鎖、機車行進(jìn)中人工解鎖；異常情況下1個應(yīng)用場景：STP設(shè)備丟失防護(hù)距離后，通過LKJ發(fā)出報警，司乘人員確認(rèn)后退出STP系統(tǒng)。常見調(diào)車作業(yè)場景的特點如下：

（1）牽引模式。該作業(yè)模式下，機車位于前進(jìn)車列的最前方，調(diào)車機車頭與前方信號機的距離和整體車列與前方信號機的距離一致。

（2）推進(jìn)模式。該作業(yè)模式下，機車位于前進(jìn)車列的最后方，調(diào)車機車頭與前方信號機的距離和整體車列與前方信號機的距離相差整個車列的車長。

（3）存車線編組作業(yè)和解編作業(yè)，以及咽喉區(qū)往存車線進(jìn)行溜放作業(yè)是調(diào)車機在推進(jìn)模式下的幾種特殊作業(yè)場景，車列長度在作業(yè)前后均會變化，進(jìn)而丟失車列距前方信號機的距離。

3 STP系統(tǒng)定位方法

定位功能是STP系統(tǒng)實現(xiàn)的難點，在此重點對機車的單機定位和連掛后整體車列的定位進(jìn)行討論。

3.1 機車定位功能

機車單機在站場圖坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)需要從向STP系統(tǒng)申請入網(wǎng)注冊開始持續(xù)到注銷退網(wǎng)，并保持坐標(biāo)的連續(xù)性，以避免突變。考慮到現(xiàn)場調(diào)車作業(yè)多為折返路徑（見圖2），在應(yīng)答器1處入網(wǎng)，按照路徑1走行至股道并沿著路徑2折返時，繼續(xù)以應(yīng)答器1作為路徑2的坐標(biāo)原點已不合適，因此機車走行過程中，伴隨著每次機車手柄換向都需要對坐標(biāo)原點進(jìn)行更替。

圖2 調(diào)車作業(yè)路徑示意圖

股道出站信號機與實際應(yīng)答器點一起構(gòu)成坐標(biāo)原點集合，供坐標(biāo)原點切換時使用?，F(xiàn)場距離測量時應(yīng)盡量保證股道信號機與應(yīng)答器之間測量距離的準(zhǔn)確。給定有限的2個狀態(tài)1、2以及3個觸發(fā)事件a、b、c，構(gòu)建機車坐標(biāo)原點定位狀態(tài)變換模型（見圖3）。圖3中，狀態(tài)1為坐標(biāo)原點未知狀態(tài)，狀態(tài)2為坐標(biāo)原點已知狀態(tài)；事件a為過應(yīng)答器入網(wǎng)，事件b為過應(yīng)答器退網(wǎng)，事件c為過應(yīng)答器刷新坐標(biāo)原點或機車手柄換向刷新原點。

圖3 機車坐標(biāo)原點定位狀態(tài)變換模型

3.2 車列定位功能

STP系統(tǒng)車列定位在推進(jìn)作業(yè)時需要考慮連掛車輛的長度。連掛車輛的車列位置坐標(biāo)在車列長度發(fā)生變化時會暫時處于未知狀態(tài)，連掛結(jié)束后車列總長度可以通過乘務(wù)員手動輸入或利用軌道電路的占用或出清時刻的坐標(biāo)差進(jìn)行自動計算。在此只討論按后一種方式進(jìn)行車長的自動計算。

給定有限的5個狀態(tài)1、2、3、4、5以及4個觸發(fā)事件a、b、c、d，構(gòu)建基于軌道電路的車列坐標(biāo)定位及車長計算的狀態(tài)變換模型（見圖4）。圖4中，狀態(tài)1表示機車坐標(biāo)已知但車列坐標(biāo)未知，狀態(tài)2表示車列頭部坐標(biāo)已知但車列尾部坐標(biāo)未知，狀態(tài)3表示車列尾部坐標(biāo)已知且車列頭部坐標(biāo)已知，狀態(tài)4表示車列尾部坐標(biāo)已知但車列頭部坐標(biāo)未知，狀態(tài)5表示車列距前方信號機距離已知；事件a表示當(dāng)前進(jìn)路前方區(qū)段占紅，事件b表示當(dāng)前進(jìn)路已占紅區(qū)段后方出清，事件c表示車列丟失尾部定位坐標(biāo)，事件d表示車列丟失頭部定位坐標(biāo)。

圖4 車列坐標(biāo)定位及車長計算的狀態(tài)變換模型

3.3 定位誤差分析

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，誤差隨著時間的累積可能會超過站場內(nèi)部分段區(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，因此需要對定位誤差進(jìn)行更新?？紤]工程經(jīng)濟性，在有限的應(yīng)答器布點情況下，盡量將應(yīng)答器布點在咽喉區(qū)或用于機車折返頻繁的無岔區(qū)段，例如圖2中所示應(yīng)答器2的布點位置。

3.4 車列前方信號機切換

STP系統(tǒng)在牽引作業(yè)和無解編推進(jìn)作業(yè)時，更新車列前方信號機信號以車列前方進(jìn)路區(qū)段占紅為觸發(fā)條件。給定2個有限狀態(tài)1、2及1個觸發(fā)事件a構(gòu)建車列前方信號機切換模型（見圖5）。圖5中，狀態(tài)1為車列當(dāng)前前方信號機1，狀態(tài)2為車列前方信號機2；事件a為車列過信號機1的絕緣節(jié)。

車列距前方信號機的距離計算如下：當(dāng)車列越過開放進(jìn)路上的絕緣節(jié)觸發(fā)下一區(qū)段占紅時，車列距前方信號機距離即剩余進(jìn)路中下一基本進(jìn)路包含區(qū)段的長度。當(dāng)機車換向時，換向后前方信號機距坐標(biāo)原點的距離值與機車距坐標(biāo)原點距離值的差值（換向后如為推進(jìn)模式則需減去車列長度）即為車列距前方信號機距離。

圖5 車列前方信號機切換模型

3.5 特殊情況下機車標(biāo)簽化處理

在溜放作業(yè)時，由于車列在軌道電路中的占紅紅光帶會從中間斷開且前方紅光帶會繼續(xù)向前延伸，無法判斷溜放車列的長度，此時車列會丟失前方信號機信號和距離。與此相同的現(xiàn)象會發(fā)生在機車牽引列車或推進(jìn)列車經(jīng)過前方進(jìn)路中包含分路不良區(qū)段時，已占紅區(qū)段由于所含分路不良區(qū)段的紅光帶閃爍而從中間斷開，形成前后2個紅光帶。上述情況會干擾基于軌道電路占用邏輯的車列定位功能，從而造成STP系統(tǒng)對車列前方信號機錯誤切換。因此考慮采用標(biāo)簽化方式對機車與車列的相對位置進(jìn)行標(biāo)簽化建模。標(biāo)簽化功能的實現(xiàn)由STP地面系統(tǒng)完成。以機車的上行方向（從右往左）為例，約定規(guī)則如下：

（1）地面系統(tǒng)開機時標(biāo)簽為0。

（2）移動的紅光帶標(biāo)簽包含1。

（3）紅光帶合并分為左合和右合2種形式。例如，標(biāo)簽0左合1記為標(biāo)簽10，標(biāo)簽0右合1記為標(biāo)簽01，標(biāo)簽0左合0或右合0均記為標(biāo)簽00，將標(biāo)簽00簡記為0。紅光帶合并又可細(xì)分為2種情況：2個標(biāo)簽不同時含1的紅光帶合并，2個標(biāo)簽同時含1的紅光帶合并；共有1010、0101、0110、010四種異常標(biāo)簽，其中異常標(biāo)簽0110合并為異常標(biāo)簽010需司乘人員手動確認(rèn)，否則維持異常標(biāo)簽0110不變。紅光帶合并時標(biāo)簽變化的自動機模型見表1。

（4）考慮地面系統(tǒng)開機時標(biāo)簽的初始狀態(tài)和地面系統(tǒng)運行時存車線經(jīng)停列車后的標(biāo)簽狀態(tài)，紅光帶中間分?jǐn)鄷r標(biāo)簽變化自動機模型見表2。例如，標(biāo)簽01的左斷開和右斷開結(jié)果一樣，均為標(biāo)簽0和標(biāo)簽1，標(biāo)簽011的左斷開結(jié)果為標(biāo)簽0和標(biāo)簽11，右斷開結(jié)果為標(biāo)簽01和標(biāo)簽1。

表1 紅光帶合并時標(biāo)簽變化自動機模型

表2 紅光帶中間分?jǐn)鄷r標(biāo)簽變化自動機模型

表1為2個紅光帶合并時標(biāo)簽狀態(tài)變化的自動機模型。第1列是標(biāo)簽序號，表示標(biāo)簽所有可能的8種狀態(tài)；第2列是標(biāo)簽內(nèi)容，用字符串表示；第3列/第5列和第4列/第6列的列值是標(biāo)簽序號的集合，表示標(biāo)簽從某一狀態(tài)經(jīng)過左合或右合事件觸發(fā)后可能跳轉(zhuǎn)到的目標(biāo)標(biāo)簽，列值為空時表示空集。

表2為2個紅光帶分?jǐn)鄷r標(biāo)簽狀態(tài)變化的自動機模型。第1列是標(biāo)簽序號，表示標(biāo)簽所有可能的8種狀態(tài)；第2列是標(biāo)簽內(nèi)容，用字符串表示；第3列和第4列的列值是標(biāo)簽序號的集合，表示標(biāo)簽從某一狀態(tài)經(jīng)過左斷開或右斷開事件觸發(fā)后可能跳轉(zhuǎn)到的目標(biāo)標(biāo)簽。表2中的第1行和第2行表示STP系統(tǒng)在存車線內(nèi)已存有機車情況下開機時的初始情況。

當(dāng)然，STP系統(tǒng)地面設(shè)備計算標(biāo)簽狀態(tài)變換還需要STP系統(tǒng)入網(wǎng)機車車載設(shè)備返回的車列定位配合計算，才能最終準(zhǔn)確無誤地完成特殊情況下標(biāo)簽狀態(tài)的判斷。

3.6 機車坐標(biāo)丟失情況處理

由于STP設(shè)備的穩(wěn)定性存在局限性，一些特定的故障，例如無線通信異常中斷、STP車載設(shè)備與LKJ通信中斷等均會造成機車定位坐標(biāo)丟失，從而使STP系統(tǒng)對車列前方關(guān)閉信號機的防護(hù)功能無法正常工作。因此需要對坐標(biāo)丟失情況進(jìn)行特殊處理，可以設(shè)計STP系統(tǒng)在機車定位坐標(biāo)丟失時觸發(fā)LKJ報警，提示司乘人員STP系統(tǒng)故障，在司乘人員確認(rèn)STP故障后，該機車自動退網(wǎng)注銷。另外，也可讓STP系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)搭載在GSM-R通信網(wǎng)上，提高STP系統(tǒng)無線通信的穩(wěn)定性[5]，保證STP系統(tǒng)定位坐標(biāo)的連續(xù)可靠。

4 結(jié)束語

將STP系統(tǒng)的定位功能劃分為機車定位和車列定位2部分，并對機車定位采用基于應(yīng)答器定位+測速傳感器的定位坐標(biāo)計算模型，以及無線通信實現(xiàn)連續(xù)跟蹤，使機車定位擺脫軌道電路分路不良問題的影響，保證機車位置坐標(biāo)的相對獨立和穩(wěn)定。采用標(biāo)簽方式跟蹤機車和車列的相對位置，能夠穩(wěn)定且準(zhǔn)確地獲得機車在車列頭部或尾部的信息，便于STP系統(tǒng)對車列作業(yè)模式進(jìn)行判斷。