馮振興

（中國鐵路總公司 機輛部，北京 100844）

多年來，調車作業(yè)情況復雜、完全依靠人控，調車作業(yè)中闖藍燈、擠道岔、越出站界、破壞列車進路等事故時有發(fā)生，尤以本務機車最為突出。隨著專調機車陸續(xù)加裝無線調車機車信號和監(jiān)控系統（STP），專調機車作業(yè)安全得到極大保證。相對而言，本務機車調車作業(yè)無任何技防手段，調車作業(yè)事故多發(fā)的現狀沒有得到根本性改善，急需加裝先進實用的技防設備，提高本務機車段內走行、站內轉線、中間站調車等調車作業(yè)安全系數，防止慣性事故、惡性事故的發(fā)生。

1 本務機車運用現狀

1.1 調車作業(yè)場景

調車作業(yè)是除列車運行以外，機車車輛在站線或其他線路上進行一切有目的的移動，是車站特別是技術站的重要生產活動，包括列車編組、解體、摘掛、轉線，車輛取送、轉場、調移，以及機車出入段、中間站轉線等。

1.1.1 出入段作業(yè)

本務機車出入段作業(yè)是擔任列車牽引任務的本務機車在機務段內整備作業(yè)完畢后，根據機車交路出段擔任牽引任務，或完成牽引任務到達機車交路的終點站后，本務機車需入段進行整備技術作業(yè)，包括段內、站內單機走行和轉線，也會臨時執(zhí)行本列車輛的甩掛作業(yè)。

1.1.2 中間站調車作業(yè)

擔任客貨列車牽引任務的本務機車，尤其是小運轉列車、摘掛列車等在中間站有時需利用本務機車進行調車作業(yè)。中間站調車作業(yè)為平面牽出作業(yè)，需甩掛車輛、對貨位、專用線取送等。調車場景包括：

（1）調車到牽出線、盡頭線作業(yè)時接近土擋；

（2）調車接近站界、越出站界、跟蹤出站；

（3）調車進出專用線，經過電氣集中與非電氣集中轉換區(qū)；

（4）調車經過道岔特殊限速地點；

（5）調車接近接觸網終點標；

（6）調車經過一些安全關鍵信號機與安全關鍵地點等。

1.1.3 其他調車作業(yè)

本務機車除擔任牽引客貨列車任務外，還需承擔一些臨時性任務，如擔當列車救援任務進入區(qū)間、牽引施工路用列車等，擔當救援任務時從自動閉塞區(qū)段反方向進入區(qū)間需將LKJ轉入調車模式，路用列車在施工地段也會根據需要將LKJ轉入調車模式進行控制。

1.2 調車作業(yè)方式和現有技防手段

在出入段作業(yè)、中間站調車作業(yè)、擔當救援或路用列車任務等場景下，本務機車調車作業(yè)方式及現有技防手段主要有以下幾方面：

（1）出入段作業(yè)。從機務段到貨車編組場、客運技術作業(yè)站，本務機車屬于調車作業(yè)狀態(tài)，需將LKJ轉入調車模式。在本務機車出入段作業(yè)過程中，除正常單機走行外，還有利用盡頭線轉線、接近站界轉線、接近接觸網終點標轉線、途經電力機車禁停區(qū)、途經固定脫軌器設置點、途經特殊調車信號機、途經限速區(qū)段等作業(yè)場景，作業(yè)條件復雜，安全風險較大，目前沒有可靠實用的技防手段，完全采用機車乘務員瞭望信號、控制速度等人控方式。

（2）中間站調車作業(yè)。本務機車中間站調車作業(yè)目前主要采用無線調車燈顯設備，雖能及時顯示調車組指令，但僅能卡控調車作業(yè)速度，不能復示地面調車信號顯示，對站界、土擋等安全關鍵點仍只能依靠機車乘務員瞭望確認等人控方式，無其他可靠實用的技防手段與安全裝備。

（3）其他調車作業(yè)。本務機車在承擔臨時性任務（如單機進入區(qū)間執(zhí)行列車救援任務、牽引施工路用列車）時，既有調車作業(yè)方式，又有列車運行模式，也無任何技防手段，安全卡控主要依賴機車乘務員。

2 需求分析

根據對現有本務機車調車作業(yè)場景和作業(yè)方式的分析，實現調車作業(yè)的安全防護控制，主要應滿足以下5個方面的需求：

（1）地面調車信號顯示狀態(tài)在本務機車車載復示的需求。本務機車調車作業(yè)受站場環(huán)境復雜、機車乘務員對站場不熟悉、瞭望條件有限等因素影響，機車乘務員容易誤認地面調車信號造成作業(yè)事故。若地面調車信號在機車上實現復示，將大大提高信號確認的安全性。

（2）獲取站界、土擋、接觸網終點標等關鍵點位置的需求。實現對調車信號、站界、土擋、接觸網終點標等關鍵點進行防護，首先要求獲取這些點的精準位置信息，才能實時結合機車位置實現距離防護功能。

（3）調車作業(yè)防冒、防撞、防超的安全防護需求。調車作業(yè)過程中，主要有越過關閉調車信號、越出站界、越過接觸網終點標等冒進風險，側面沖突、軋脫軌器、沖撞土擋等沖突風險，超過規(guī)定速度通過限速區(qū)段、特殊道岔等超速風險，應通過LKJ設備的解除牽引力、常用或緊急制動控制功能，實現調車作業(yè)防冒、防撞、防超的安全防護，最大限度實現機控。

（4）語音（聲音）警示功能需求。通過機車既有LKJ顯示器，實現本務機車在上述防冒、防撞和防超控制時，提前進行報警提示，警示機車司機控制運行速度，防止越過目標地點，實現設備安全控制。

（5）相關數據記錄分析需求。對調車作業(yè)全過程進行記錄，記錄下載后可進行回放分析，為機務調車作業(yè)安全管理、事故分析提供條件及依據。

3 目標和要求

3.1 總體目標

通過獲取站場信息和機車精確位置，綜合處理形成本務機車調車作業(yè)所需的安全防護控制信息，并結合LKJ實現本務機車調車防冒、防撞和防超的功能，解決目前本務機車調車作業(yè)缺乏有效技防手段的問題，降低調車作業(yè)安全風險。

3.2 總體要求

（1）安全可靠地實現本務機車調車作業(yè)安全防護功能；

（2）機車定位精度高、實時性強，防護關鍵點準確識別；

（3）車地信息交互及時、準確，網絡傳輸安全可靠；

（4）人機界面簡潔、友好，易于操作人員使用；

（5）不對外部接口系統的正常工作造成影響；

（6）充分考慮模塊化和可擴展性，便于設備的管理、擴展、維修；

（7）設備穩(wěn)定性和電磁兼容性好，滿足實際環(huán)境要求；

（8）安裝調試簡便，建設周期短。

4 方案設計

4.1 系統架構

本務機車調車作業(yè)安全輔助防護系統（簡稱系統）架構見圖1。系統由3部分構成：地面中心設備、站段地面設備和車載設備。

4.1.1 地面中心設備

地面中心設備主要包括地面中心服務器和相關監(jiān)控終端，由中國鐵路總公司（簡稱總公司）、鐵路局集團公司2級地面設備組成。設在總公司的設備包括遠程監(jiān)控服務器和終端設備，設在各鐵路局集團公司的設備包括站場信息接口服務器、地面服務器組和監(jiān)控終端等設備[1]。

（1）總公司遠程監(jiān)控服務器和終端設備。總公司的遠程監(jiān)控服務器用于遠程查詢和顯示各鐵路局集團公司本務機車調車作業(yè)安全輔助防護系統作業(yè)和調車過程控制狀態(tài)。

圖1 本務機車調車作業(yè)安全輔助防護系統架構

（2）鐵路局集團公司站場信息接口服務器。站場信息接口服務器主要負責與TDCS/CTC系統進行接口，獲取道岔、軌道區(qū)段和調車信號等聯鎖信息，并轉換成特定數據格式后發(fā)送至鐵路局集團公司地面服務器組。

（3）鐵路局集團公司地面服務器組。地面服務器組由通信服務器、系統服務器等組成。通信服務器負責中心地面設備對外信息交互，主要與站段地面設備通信獲取衛(wèi)星地基參考站的北斗差分信息，與車站和機務段的站場信息接口服務器獲取非TDCS系統車站或機務段地面聯鎖信息，與MTUP平臺接口實現與車載設備的數據交互。系統服務器主要功能是進行功能應用計算、北斗地基參考站管理及差分數據轉發(fā)、站場數據管理和系統管理，并為鐵路局集團公司監(jiān)控終端實時提供管轄范圍內的站場、機車等信息顯示。

4.1.2 站段地面設備

站段地面設備主要由車站設置的衛(wèi)星地基參考站、非TDCS系統車站和機務段設置的站場信息接口服務器等接口設備組成。

（1）衛(wèi)星地基參考站。用于提供一定區(qū)域（半徑30 km左右）的衛(wèi)星差分定位數據。

（2）站場信息接口服務器。非TDCS系統車站的站場信息接口服務器用于與車站聯鎖系統設備接口，獲取車站聯鎖信息；機務段站場信息接口服務器用于與機務段的聯鎖系統或股道自動化系統接口，獲取機務段內的聯鎖信息。對于無股道自動化系統的機務段，不設置站場接口服務器，系統僅實現除信號防護外的安全防護控制。

4.1.3 車載設備

車載設備與地面中心設備優(yōu)先采用GSM-R網絡通信，移動公網虛擬專網通信為補充，并預留數傳電臺通信方式。車載設備實時接收地面系統發(fā)送的站場聯鎖信息和調車進路信息，并將車載北斗定位模塊的位置信息與地面中心設備交互，獲取地面中心設備計算的機車精確位置信息（定位精度誤差不大于30 cm）。車載設備將調車進路信息及機車精確位置信息通過LKJ接口插件發(fā)送至LKJ，由LKJ進行控車防護。車載設備由組合天線、調車防護主機組成：

（1）組合天線。車載天線使用四合一組合天線，由衛(wèi)星定位天線、GSM-R天線、公網移動通信天線及數傳電臺通信天線組成，用于收發(fā)GPS/BDS信號及GSM-R、3G/4G和數傳電臺的通信信號。

（2）調車防護主機。調車防護主機具備GPS/BDS定位、GSM-R通信、3G/4G通信及數傳電臺通信功能，通過GPS/BDS定位模塊獲取機車衛(wèi)星定位信息，通過GSM-R、移動公網虛擬專網或數傳電臺通信模塊獲取調車進路信息、站場圖數據、機車精確定位信息等。

調車防護主機配置LKJ接口插件，專用于與LKJ系統通信，實現與LKJ系統的物理隔離。調車防護主機將獲取的調車進路信息、站場圖數據、機車精確定位信息等通過該LKJ接口插件發(fā)送至LKJ系統。

4.2 系統網絡通信

系統中車載設備、站段地面設備和地面中心設備間需要實時進行數據交互，網絡通信是整個系統的基礎保障，需滿足傳輸及時、準確和安全的要求。

根據目前鐵路既有應用的通信網絡情況分析，可采用GSM-R[2]、移動公網虛擬專網[3]、無線數傳電臺、WLAN等通信方式[4]，綜合分析比較見表1。

綜合考慮網絡覆蓋范圍、傳輸速率、投資成本、通信安全性、擴展性等因素，優(yōu)先采用GSM-R作為系統車地通信通道，并以移動公網虛擬專網通信網絡作為補充，預留無線數傳電臺通信功能。

表1 通信方式綜合分析比較

系統網絡通信部署方式如下：

（1）與TDCS通信。系統從TDCS接收站場實時數據。在TDCS網絡內設置站場信息接口服務器，該接口服務器從TDCS數據網絡獲取TDCS的站場實時數據，并通過專線將數據發(fā)送至系統站場信息接口服務器，經接口服務器處理轉換成特定專用數據格式。

（2）與車載設備通信。車載設備通過鐵路專網或移動公網虛擬專網，經鐵路網絡安全平臺接口實現與地面中心設備的實時信息數據傳輸交互。

（3）站段地面設備與地面中心設備通信。站段地面設備通過鐵路內網與地面設備通信，在特殊條件下不具備鐵路內網接入條件的，站段地面設備通過GSM-R或移動公網虛擬專網接入鐵路網絡安全平臺，與地面中心設備進行衛(wèi)星差分信息和站段聯鎖信息的傳輸。

4.3 站場聯鎖信息采集

系統實現調車作業(yè)安全輔助防護的關鍵是判別調車作業(yè)進路、調車信號，其首要條件是站場聯鎖信息的實時采集，可選用的數據采集接口設備有：TDCS/CTC、計算機聯鎖、集中監(jiān)測等。系統可與既有鐵路TDCS/CTC[5]、車站計算機聯鎖系統和集中監(jiān)測系統接口獲取車站聯鎖信息，綜合分析比較見表2。

綜合考慮數據接口范圍、維護性、信息實時性、系統投資及系統采集延時等因素，系統主要通過TDCS/CTC采集站場聯鎖信息。對于非TDCS車站，通過增設站場信息接口服務器與車站聯鎖系統接口獲取站場聯鎖信息；對于機務段，通過增設站場信息接口服務器與機務段TDCS或股道自動化系統接口獲取機務段內的站場聯鎖信息。

通過TDCS/CTC采集站場聯鎖信息的接口、傳輸信息內容及傳輸方式的設計如下（非TDCS/CTC車站及機務段內的聯鎖信息采集方式參照執(zhí)行）。

4.3.1 接口設計

在鐵路局集團公司TDCS/CTC中心子系統中部署站場信息接口服務器，采用TCP/IP網絡協議進行數據傳輸。系統只單向接收TDCS/CTC數據，不向TDCS/CTC發(fā)送數據。

為保證對TDCS/CTC網絡的安全防護，TDCS/CTC內網的接口服務器與本系統站場信息接口服務器間使用非以太網絡信道專線進行連接；在TDCS/CTC側及系統側均設置防火墻，TDCS側防火墻設置禁止接入規(guī)則，在系統側防火墻設置禁止連出規(guī)則，且僅設置單一準入端口用于接收TDCS/CTC接口服務器發(fā)送的特定格式數據信息；系統側接口服務器的硬盤增加邏輯鎖保護，保證非管理者無法變更接口服務器的軟件配置和接口服務器不被惡意篡改。

4.3.2 傳輸信息內容

基本通信內容為鐵路局集團公司TDCS/CTC所有車站的聯鎖信息，用以反映各站場聯鎖元素狀態(tài)，各站場聯鎖信息包括：

（1）列車信號機狀態(tài)：列車信號開放、調車信號開放、引導信號。

（2）調車信號機狀態(tài)：調車信號開放。

（3）道岔狀態(tài)：定表、反表。

（4）區(qū)段狀態(tài)：占用、鎖閉。

4.3.3 信息傳輸方式

TDCS鐵路局集團公司查詢子系統以固定周期向系統站場信息接口服務器發(fā)送站場表示信息幀。正常情況下，從TDCS完成信息采集到發(fā)送出數據的間隔時間應不超過2 s。TDCS鐵路局集團公司查詢子系統采用每個車站聯鎖信息單獨打包的方式發(fā)送，打包信息包括車站站號、CRC校驗碼等內容。當TDCS網絡內部某個車站的通信中斷時，應停止向本系統發(fā)送此站數據。TDCS鐵路局集團公司查詢子系統以固定周期向系統站場信息接口服務器發(fā)送心跳信息幀，包括發(fā)送序號、TDCS時間、CRC校驗碼等內容。系統站場信息接口服務器對每個車站設立信息接收計時器，當某一車站聯鎖信息接收中斷超過設定時長時，認為此站通信故障并執(zhí)行相關故障處理。

表2 數據采集方式綜合分析比較

4.4 機車精確定位技術

系統實現機車調車作業(yè)安全輔助防護，關鍵需要實時獲取機車在站場中的精確位置信息。主流的機車定位手段有高精度衛(wèi)星定位[6]、電子標簽定位和通信基站定位，根據機車調車作業(yè)的環(huán)境，機車定位方式綜合分析比較見表3。

通過綜合考慮定位精度、可靠性、穩(wěn)定性、信息安全、系統投資、場景適用性等因素，系統采用衛(wèi)星差分定位技術實現機車在站場中的精確定位[7]。系統車載設備通過接收地面差分基站發(fā)送的衛(wèi)星差分信息[8]，結合車載設備自身接收的衛(wèi)星定位信息，實時計算機車經緯度坐標，通過與車載數據預先設置的經緯度信息進行比對，確定機車在站場中的精確位置信息[9]。

5 系統防護控制功能

5.1 顯示功能

系統在實現調車作業(yè)安全輔助防護功能時，機車停車狀態(tài)下LKJ屏幕顯示器顯示站場圖形界面，機車運行狀態(tài)下顯示當前調車進路的調車防護控制模式曲線。

（1）停車狀態(tài)顯示（見圖2）。機車停車狀態(tài)下，以站場信號平面圖為顯示主體，能夠實時顯示站場各股道和軌道區(qū)段列車出清和占用情況、站場各調車信號機的開放和關閉狀態(tài)、各道岔的開通方向狀態(tài)。該顯示方式主要便于機車乘務員了解站場運行環(huán)境和站場信號狀態(tài)。

圖2 停車狀態(tài)顯示界面

（2）運行狀態(tài)顯示（見圖3）。機車運行狀態(tài)下，以當前調車進路的調車防護控制模式曲線為顯示主體，控制模式曲線顯示內容與LKJ通常模式下的顯示風格保持一致。速度標尺以上區(qū)域用于顯示可控信號設備的位置和設備狀態(tài)，如信號機、道岔、電控脫軌器；速度標尺以下區(qū)域用于顯示固定控制點信息，如區(qū)段限速、固定脫軌器、禁停區(qū)、一度停車點、無接觸網起點等。

5.2 語音提示功能

系統判斷處于調車作業(yè)防護狀態(tài)時，滿足規(guī)定條件的，LKJ屏幕顯示器輸出語音和報警提示，主要分為：

表3 機車定位方式綜合分析比較

圖3 運行狀態(tài)顯示界面

（1）語音提示。調車作業(yè)防護狀態(tài)的語音提示包括調車信號狀態(tài)變化語音提示、調車進路變化語音提示、調車防護控制類型變化語音提示等。

（2）報警提示。調車作業(yè)防護狀態(tài)的報警提示包括調車防護動作報警提示、調車作業(yè)防護系統故障報警提示、調車作業(yè)限速報警提示等。

5.3 防護控制功能

（1）白燈限速防護。運行前方調車信號機的顯示為白燈時，LKJ按調車最高運行速度監(jiān)控車列越過該調車信號機[10]?？刂颇Ｊ揭妶D4。

圖4 白燈限速防護控制模式示意圖

（2）禁止信號控制。運行前方調車信號機為禁止信號時，LKJ以該調車信號機為控制目標點，監(jiān)控車列在該信號機前停車?？刂颇Ｊ揭妶D5。

（3）存留車股道限速控制。前方線路中停有存留車輛，監(jiān)控車列以前方有存留車輛進路的調車信號機為限速控制目標點，出口限速按規(guī)定的速度值（缺省為20 km/h）確定固定模式限速值監(jiān)控車列越過該信號機，越過該信號機后按前方調車信號進行控制?？刂颇Ｊ揭妶D6。

圖5 禁止信號控制模式示意圖

圖6 存留車股道限速控制模式示意圖

（4）特殊限速控制。前方進路中存在特殊限速（如道岔限速、股道限速等）時，以限速起點位置為限速控制目標點，計算產生平滑的控制曲線，監(jiān)控車列以不超過該限速運行，并按該限速確定固定模式限速值，監(jiān)控車列通過該限速區(qū)段?？刂颇Ｊ揭妶D7。

圖7 特殊限速控制模式示意圖

（5）停車點防護。系統判斷機車前方進路中存在停車點（如機車為電力機車且進路信息有接觸網終點、站界、盡頭線、一度停車點等）時，LKJ監(jiān)控車列在停車點前停車?？刂颇Ｊ揭妶D8。

圖8 停車點防護控制模式示意圖

（6）推進作業(yè)限速防護。系統計算判斷機車推進作業(yè)時，按推進限速值監(jiān)控車列運行。控制模式見圖9。

圖9 推進作業(yè)限速防護控制模式示意圖

5.4 運行記錄數據記錄和分析

系統通過LKJ記錄調車作業(yè)全過程的機車運行速度、機車工況、列車管壓力、制動缸壓力、均衡風缸壓力等運行狀態(tài)信息，以及調車作業(yè)過程中的地面調車進路和機車位置信息。通過地面配套的專用分析軟件，能夠實現調車作業(yè)過程的回放、調車作業(yè)過程中安全項點的自動檢索分析等功能。

6 系統維護

6.1 站場數據維護

系統實現站場內機車調車作業(yè)安全輔助防護，需預先存儲或實時讀取站場圖數據和站場測繪數據。

（1）站場圖數據。站場圖數據主要用于在LKJ屏幕顯示器上以站場平面圖的方式顯示站場信號機、道岔、軌道區(qū)段的狀態(tài)信息；同時系統中心地面設備的系統服務器也需將站場聯鎖信息與站場圖數據結合，實時計算機車的調車進路信息。因此，站場圖數據需與實際地面站場設備設施保持一致。

系統建設初期需根據TDCS/CTC的站場圖數據轉換生成用于系統使用的站場圖數據。系統投用后，遇站場改造導致與系統控制相關地面設備設施信息變化的，需結合站場施工計劃及時對站場圖數據進行更新。系統地面中心設備的站場圖數據更新后，如機車進入已完成改造的站場，車載設備判斷車載站場圖數據版本與地面中心設備服務器不一致，則通過無線通信網絡實現車載設備站場圖數據在線更新。

（2）站場測繪數據。站場測繪數據主要是存儲站場中信號機、股道、道岔、盡頭線車擋等位置的北斗衛(wèi)星坐標信息，作為機車在站場中精確定位計算的基礎數據源。當站場中與系統控制相關的地面設備設施信息發(fā)生變化，需對調整后的設備設施進行重新測繪，獲取準確的北斗衛(wèi)星坐標信息，并更新地面中心設備中存儲的站場測繪數據。

6.2 系統設備維護

系統地面中心設備具備車載設備、站段地面設備的遠程實時監(jiān)測功能。車載設備和站段地面設備實時將自身設備工作狀態(tài)信息發(fā)送至地面中心設備，遇車載設備或站段地面設備故障，可通過地面中心設備監(jiān)控終端實時進行報警提示。另外，對于系統車載設備和站段地面設備，系統具備遠程軟件更新功能，便于系統設備的升級維護。

7 結束語

本務機車調車作業(yè)安全輔助防護系統方案是基于充分調研各鐵路局集團公司應用需求的基礎上，統籌研究機車精確定位技術、車地無線通信技術、站場聯鎖信息采集技術、LKJ控制技術，綜合形成的本務機車調車作業(yè)防冒、防超和防撞系統解決方案。系統具有廣闊的應用前景，其推廣應用將根本性改變本務機車調車作業(yè)事故多發(fā)的現狀，是調車作業(yè)控制里程碑式的進步，具有良好的社會效益和經濟效益。