湯永 解培金 龍海卿

摘要：本文研究了專用鐵路的運輸環(huán)境特點，針對專用鐵路的改造需求，分析其運輸控制系統(tǒng)的設計思路，并提出基于無線通信的控車模式。該方案能夠保證列車運行的安全性與可靠性。

關鍵詞：防護控制；安全制動控制；精準定位

1 引言

專用鐵路是指運輸企業(yè)或其它管理單位專為系統(tǒng)內部提供運輸服務的鐵路，現(xiàn)階段大部分專用鐵路運量大、運輸效率低、作業(yè)流程多、功能配備復雜，其運輸環(huán)境主要包含以下幾個特點：

1）運輸線路復雜、道岔數(shù)量多；

2）閉塞分區(qū)距離短，一般在60～300米左右，普遍采用25Hz或50Hz的相敏軌道電路；

3）線路運輸總長一般在10～20公里左右；

4）機車采用司機目視行車的控制方式；

5）車輛運輸小編組，一般是兩到四節(jié)；

6）運輸日作業(yè)時間長，一般在18～24小時；

專用鐵路落后的控車方式已影響到廠區(qū)運輸?shù)男逝c安全，現(xiàn)有大部分專用鐵路改造需求已成為現(xiàn)階段迫切需解決的問題。

2 設計思路

為優(yōu)化專用鐵路的系統(tǒng)性能，現(xiàn)結合現(xiàn)場運輸作業(yè)的環(huán)境，對既有專用鐵路運輸系統(tǒng)進行重新設計，其設計原則主要包含以下幾點：1）新系統(tǒng)需兼容既有運行控制系統(tǒng)，保證既有列車在新系統(tǒng)都能夠正常的運行；2）新系統(tǒng)的施工安裝應較少的影響線路運輸；3）新系統(tǒng)在保障安全的基礎上，應提升系統(tǒng)的運行效率；4）系統(tǒng)在減輕司機勞動強度同時，應盡量朝智能化、無人化的方向發(fā)展。

在考慮 “系統(tǒng)設計原則”的同時，結合現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)的常規(guī)改造方式，現(xiàn)給出兩種設計思路，1）從工程層面對線路進行改造，緩解既有線路的運輸壓力，提高系統(tǒng)整體運輸能力；2）對列車控制技術進行改進，通過運行控制方式的改變，來提升列車速度，保障運行的安全。由于施工改造會影響專用鐵路的運營，所以工程改造只能是局部小規(guī)模的。車載安全防護控制系統(tǒng)作為列車安全運行的關鍵控制子系統(tǒng)，它的設計好壞有利于整個系統(tǒng)安全與效率的提升，本文通過研究車載防護控制系統(tǒng)，來改進專用鐵路運輸系統(tǒng)的性能。

3 車載安全防護控制設備的設計

車載安全控制設備也稱為車載安全防護控制設備，它是列車運行過程中保障其安全的重要設備，列車運行防護主要是速度的監(jiān)控與防護，故而將車載安全防護也稱為“速度防護”或“超速防護”。車載安全防護控制設備的基本原理是根據速度傳感器的速度距離信息以及對標信息來實時更新列車位置，另結合地面實時變化的路況信息以及前方運行過程的障礙物信息來獲取移動授權點，移動授權為列車安全運行的最大范圍，列車通過計算最不利的限速曲線，進而控制列車運行的安全。

車載安全防護控制系統(tǒng)的架構設計需考慮其現(xiàn)有復雜環(huán)境特征、企業(yè)的系統(tǒng)需求以及未來的發(fā)展方向，同時設計過程需保證系統(tǒng)的實時性、安全性、可靠性、可擴展性以及可維護性等多方面的性能要求?？紤]到車載安全防護控制系統(tǒng)從無到有過程開發(fā)工作量太大，本文參考既有車載安全防護控制系統(tǒng)的特點，以及未來運輸業(yè)的發(fā)展方向，選擇在既有車載防護控制系統(tǒng)的基礎上，對車載安全防護控制設備進行結構和功能的改造。

3.1 系統(tǒng)結構研究

車載安全防護控制系統(tǒng)為保障運行列車的安全，需獲取以下接口數(shù)據信息，1）列車運行的精準速度信息；2）列車移動授權信息；3）列車精準位置信息；4）影響列車安全的設備狀態(tài)信息；5）實時變化的線路狀態(tài)信息。

列車在專用鐵路運行速度相對偏低，車輪發(fā)生空轉或滑行的概率較小，系統(tǒng)設計過程可以忽略雷達速度傳感器而只采用輪軸速度傳感器，且頭尾各設置一套；另外線路結構復雜，精準定位難道大，線路可采用固定應答器實時精確列車位置；由于現(xiàn)有專用鐵路大部分都采用相敏軌道電路，無法與既有鐵路一樣，通過地面移頻軌道電路實現(xiàn)移動授權信息的獲取，另外考慮到系統(tǒng)的正常運營，如果采用可變應答器傳輸移動授權信息，現(xiàn)有線路需進行施工修改設計，涉及面較廣，不利于方案實施，所以移動授權通過無線通信傳輸?shù)姆绞将@取較為合理，它覆蓋面廣，系統(tǒng)施工過程簡單，信息的獲取也能夠保證實時性?，F(xiàn)根據系統(tǒng)環(huán)境、功能需求以及與外部系統(tǒng)的通信接口方式，列舉其組件以及相互連接關系，具體如圖1所示。

根據現(xiàn)有專用鐵路的用戶需求以及車載防護控制系統(tǒng)的結構需求，可使用基于無線傳輸控制的車載防護控制系統(tǒng)作為基礎平臺，再進行功能改進，具體原因如下：1）基于通信的車載安全防護控制設備的系統(tǒng)功能結構與圖1設計的功能結構大體相同；2）現(xiàn)有專用鐵路由于其運輸特點決定了軌道電路選型大多未采用移頻軌道電路，如果采用現(xiàn)有大鐵路車載防護控制設備，如LKJ、200型ATP，外部系統(tǒng)接口發(fā)生較大改變，軟件代碼大面積修改，導致系統(tǒng)設計難度增加。

3.2 系統(tǒng)功能方案設計

在既有專用鐵路運輸條件下，車載防護控制系統(tǒng)必須利用現(xiàn)有軌旁設備以及新增的線路設備來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要包括1）列車在線路上的精準定位；2）列車安全制動曲線實現(xiàn)。

3.2.1 列車精準定位

專用鐵路運輸線路復雜，線路限速要求較多，所以精準定位的要求較高。列車在運行過程中，車載防護控制設備可通過速度傳感器的測速信息來累加計算列車每周期的運行距離，由于速度傳感器存在位移累加誤差，列車可通過線路固定應答器來獲取應答器的ID，車載防護控制設備通過查詢車載數(shù)據便可知經過的應答器的位置，從而校正列車在線路中的位置，保證列車精準定位。

3.2.2 列車安全制動曲線

車載防護控制設備采用連續(xù)的速度-距離安全制動模型，實現(xiàn)列車安全速度計算，防止列車超速，確保列車不越過移動授權終點。車載防護控制設備根據安全制動模型和線路限制速度計算速度-距離曲線，并實時監(jiān)督列車運行，列車安全制動距離曲線圖如下所示。列車安全制動距離曲線的生成主要需考慮以下因素：1）移動授權信息；2）列車位置及定位信息；3）線路數(shù)據信息。前面3.2.1章節(jié)已經對列車位置以及定位信息的獲取進行了總結與分析，現(xiàn)主要分析移動授權信息的獲取。

由于專用鐵路運輸?shù)木€路條件已決定通過無線通信列車控制技術獲取移動授權信息較為合理。為滿足設計要求，現(xiàn)給出兩種移動授權的獲取方式，第一種是把進路信息直接通過無線方式傳輸給車載防護控制系統(tǒng)，具體如圖3所示。此方式可以減少地面控制設備，加強系統(tǒng)的集成能力。但車載防護控制設備需增加移動授權距離計算的功能，另外地面控制設備無法對所有車輛設備狀態(tài)進行實時跟蹤，系統(tǒng)整體架構不利于系統(tǒng)后續(xù)向智能化與無人化的技術擴展。

第二種是參考現(xiàn)有CBTC無線通信的列車控制技術，地面控制設備根據運行線路的狀態(tài)信息以及線路運行的所有車輛設備狀態(tài)信息來實時智能綜合考慮影響列車運行的因素，計算列車移動授權距離，最后再通過車地無線通信傳輸給車載防護控制設備，實現(xiàn)列車安全制動曲線的生成，具體傳輸流程如圖4所示。使用第二種方式，車載防護控制設備功能修改范圍小，系統(tǒng)智能化程度高，地面設備相應增加，但系統(tǒng)擴展性強，有利于后續(xù)系統(tǒng)改進。

4 系統(tǒng)性能分析

本系統(tǒng)與“現(xiàn)有司機目視行車”的方式相比，系統(tǒng)首先保證在閉環(huán)的控制信息傳輸?shù)倪B續(xù)性；另外系統(tǒng)在保證自動化等級提升的同時，系統(tǒng)可靠性與可用性方面都較既有較大提升；最后系統(tǒng)為較少的工程改造投資同時，能夠實時傳輸線路狀態(tài)信息以及前后方列車狀態(tài)信息提升運輸效率，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

和現(xiàn)有點式控車的方式相比，應答器車地通信傳輸?shù)姆绞街挥性诹熊嚱涍^可變應答器時，才能獲取前方線路狀況信息，一旦應答器編碼信息錯誤，系統(tǒng)運行就會出現(xiàn)故障，影響列車的運行安全。采用本系統(tǒng)實現(xiàn)車地通信的傳輸，傳輸采用的是冗余網絡控制的方式，保證系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性以及可靠性。所以系統(tǒng)相比于點式控車或司機目視控制的方式都有較大性能提升。

5 結語

本文根據專用鐵路系統(tǒng)的特點，分析其車載防護控制系統(tǒng)的方案設計，并證明其可行性。但專用鐵路控車的方式較既有控車環(huán)境有所不同，后續(xù)地面軌旁設備為適應新系統(tǒng)需求，需對軌旁設備進行部分修改，以滿足系統(tǒng)技術要求。

根據前面的系統(tǒng)結構設計以及系統(tǒng)功能方案設計，車載防護控制系統(tǒng)已在實驗階段進行系統(tǒng)功能與安全測試，系統(tǒng)有望在后續(xù)市場得到更加廣泛的應用。

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（作者單位：中車時代電氣股份有限公司）