高 旭

(國能新朔鐵路有限責(zé)任公司 機(jī)務(wù)分公司 科技裝備中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

目前，擔(dān)當(dāng)牽引任務(wù)的機(jī)車從出段至始發(fā)車站進(jìn)行掛車作業(yè)，中間站執(zhí)行調(diào)車作業(yè)任務(wù)或終到車站摘掛至進(jìn)入段內(nèi)的過程中(包括出段/入段、進(jìn)入/駛離車站、穿越車站股道、轉(zhuǎn)線等)，乘務(wù)員依據(jù)地面調(diào)車信號(hào)機(jī)的顯示(藍(lán)、白燈或紅燈)操縱機(jī)車運(yùn)行。因受站場(chǎng)軌道電路等條件制約，地面信號(hào)機(jī)顯示藍(lán)燈或白燈時(shí)，以及出庫閘樓信號(hào)機(jī)顯示紅燈時(shí)，機(jī)車信號(hào)均為白燈狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車在上述場(chǎng)景下運(yùn)行時(shí)，列車運(yùn)行監(jiān)控裝置(LKJ)只具備防止超速運(yùn)行功能，不能對(duì)調(diào)車關(guān)閉信號(hào)、股道存留車、盡頭線車擋等進(jìn)行防護(hù)控制，安全防護(hù)完全由司機(jī)人工控制。所以在以上情況下，一旦司機(jī)操縱失誤，就可能導(dǎo)致發(fā)生冒出關(guān)閉信號(hào)、擠壞道岔、沖撞車擋、或與其他到發(fā)列車發(fā)生沖突的事故，是行車安全的重大安全隱患。

1 研究方向及目標(biāo)

通過研究站場(chǎng)聯(lián)鎖信號(hào)設(shè)備接口技術(shù)、調(diào)車管理系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)、列控車載設(shè)備通信技術(shù)，獲取進(jìn)路狀態(tài)、站場(chǎng)狀態(tài)等各種地面線路狀態(tài)的方法和聯(lián)鎖信息的動(dòng)態(tài)顯示，并實(shí)現(xiàn)車載和地面設(shè)備的信息交互。根據(jù)調(diào)車作業(yè)需求，研究既有專調(diào)機(jī)車的站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)防護(hù)控制功能優(yōu)化方案，研究對(duì)調(diào)車信號(hào)、超速防護(hù)等控制功能的優(yōu)化。研究調(diào)車作業(yè)時(shí)站場(chǎng)平面信息顯示、站場(chǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、機(jī)車絕對(duì)位置顯示等的人機(jī)交互技術(shù)。研究機(jī)車運(yùn)行作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)、機(jī)車運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程下載技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。研究機(jī)車區(qū)間作業(yè)(包括救援、路用作業(yè))的安全防護(hù)。實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)防冒、防撞和防超、防沖撞道岔、防止越過盡頭線、防止越過接觸網(wǎng)終點(diǎn)標(biāo)、區(qū)間作業(yè)(包括救援、路用作業(yè))防護(hù)等控制，解決目前機(jī)車調(diào)車作業(yè)缺乏有效技防手段的問題，降低調(diào)車作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)；系統(tǒng)能夠通過接收地面控制服務(wù)器發(fā)送的車站聯(lián)鎖信息，實(shí)現(xiàn)地面調(diào)車信號(hào)在機(jī)車上的復(fù)示，解決因站場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、司機(jī)對(duì)站場(chǎng)不熟悉、瞭望條件有限等不利因素導(dǎo)致司機(jī)誤認(rèn)調(diào)車信號(hào)的問題。將調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)的信息集成在LKJ屏幕顯示器中進(jìn)行顯示，根據(jù)司機(jī)調(diào)車作業(yè)所需的站場(chǎng)軌道區(qū)段占用/出清、道岔定位/反位、調(diào)車信號(hào)開放(白燈)/關(guān)閉(藍(lán)燈)，以及接觸網(wǎng)終點(diǎn)、站界等停車防護(hù)點(diǎn)位置和類型等信息以平面化的方式動(dòng)態(tài)顯示，輔助司機(jī)調(diào)車作業(yè)的各種信息一目了然，便于司機(jī)操作。

2 系統(tǒng)方案研究

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)、地面監(jiān)測(cè)和分析子系統(tǒng)組成。

車載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)車狀態(tài)信息采集和地面控制信息接收，并根據(jù)北斗差分定位進(jìn)行機(jī)車位置定位，實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)和區(qū)間作業(yè)的安全防護(hù)，同時(shí)將防護(hù)信息在人機(jī)交互單元上進(jìn)行顯示。地面控制子系統(tǒng)通過與聯(lián)鎖系統(tǒng)接口接收車站聯(lián)鎖信息，通過LTE網(wǎng)絡(luò)(或公網(wǎng))或數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送至車載設(shè)備。車地通信根據(jù)實(shí)際情況采用無線數(shù)傳電臺(tái)或LTE網(wǎng)絡(luò)(或公網(wǎng))通信方式。

2.1.1 聯(lián)鎖信息接口技術(shù)

實(shí)現(xiàn)與站場(chǎng)聯(lián)鎖信號(hào)設(shè)備接口，獲取地面站場(chǎng)聯(lián)鎖系統(tǒng)的表示站場(chǎng)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，主要包括列車信號(hào)機(jī)狀態(tài)、調(diào)車燈信號(hào)狀態(tài)、道岔開放方向、軌道區(qū)段占用和出清狀態(tài)等。接口采用隔離方式，信息的獲取不影響聯(lián)鎖信號(hào)設(shè)備正常工作。

2.1.2 基于通信的無線信號(hào)控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)調(diào)車管理系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信獲取進(jìn)路狀態(tài)、站場(chǎng)狀態(tài)等各種地面線路狀態(tài)，同時(shí)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與車載設(shè)備相連，實(shí)時(shí)獲取列車的狀態(tài)，并結(jié)合地面情況，調(diào)車作業(yè)計(jì)劃編制遠(yuǎn)程自動(dòng)上傳，智能調(diào)度系統(tǒng)使調(diào)車作業(yè)運(yùn)用管理更加直觀、實(shí)時(shí)和智能。

2.1.3 站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)防護(hù)控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)既有專調(diào)機(jī)車的站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)防護(hù)控制需求，并結(jié)合機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)的特征和司機(jī)操作的實(shí)際需求，研究適應(yīng)機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)防護(hù)控制模式。主要研究以下內(nèi)容。

2.1.3.1 調(diào)車信號(hào)處理。車載設(shè)備接收站場(chǎng)聯(lián)鎖信息后，根據(jù)機(jī)車所在位置，實(shí)時(shí)計(jì)算處理機(jī)車運(yùn)行前方的調(diào)車進(jìn)路信息以及前方調(diào)車信號(hào)狀態(tài)。

2.1.3.2 調(diào)車防超速控制。對(duì)機(jī)車在軌道區(qū)段、道岔區(qū)段、特殊限速區(qū)段、牽引推進(jìn)狀態(tài)等不同位置和調(diào)車作業(yè)狀態(tài)下的防超速控制需求進(jìn)行分析，研究適應(yīng)機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)的防超速控制模式。

2.1.3.3 調(diào)車防冒進(jìn)控制。對(duì)機(jī)車在調(diào)車信號(hào)機(jī)、盡頭線車擋、存留車股道的存留車等防護(hù)點(diǎn)前的控制需求進(jìn)行分析，研究適應(yīng)機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)的防冒進(jìn)控制模式。

2.1.4 調(diào)車作業(yè)時(shí)的人機(jī)交互技術(shù)

對(duì)機(jī)車在站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)時(shí)，機(jī)車運(yùn)行和司機(jī)操縱的特點(diǎn)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)LKJ人機(jī)交互技術(shù)，主要包括：①站場(chǎng)平面信息顯示。研究人機(jī)界面單元屏幕顯示器顯示區(qū)域的劃分、信息布置與色彩運(yùn)用規(guī)范，按照人機(jī)工程學(xué)原理提高顯示、提示信息的辨識(shí)效率，降低辨讀難度，提升用戶體驗(yàn)。②站場(chǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。研究實(shí)時(shí)顯示站場(chǎng)股道、軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)等設(shè)備設(shè)施工作狀態(tài)。③機(jī)車絕對(duì)位置顯示。研究站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)時(shí)，機(jī)車絕對(duì)位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，以便于司機(jī)操縱和瞭望。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 地面子系統(tǒng)

2.2.1.1 調(diào)車管理系統(tǒng)。 調(diào)車管理系統(tǒng)主要由中心應(yīng)用服務(wù)器、調(diào)度工作站、車站服務(wù)器、車站工作站、通信接口服務(wù)器等設(shè)備組成；調(diào)車管理系統(tǒng)通過串口通信方式實(shí)現(xiàn)了與聯(lián)鎖系統(tǒng)的接口。其主要功能包括：站場(chǎng)圖信息顯示、信號(hào)控制、列車運(yùn)行描述及控制、機(jī)車運(yùn)用管理和報(bào)警/事件管理、調(diào)車作業(yè)計(jì)劃編制遠(yuǎn)程自動(dòng)上傳；以及進(jìn)行列車的跟蹤及識(shí)別，監(jiān)控車載設(shè)備等功能。

2.2.1.2 定位基站。 系統(tǒng)在站場(chǎng)建立定位基站，用于長期連續(xù)跟蹤觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，定位基站根據(jù)自身已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出差分修正值，實(shí)時(shí)發(fā)送給定位服務(wù)器。

2.2.2 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)應(yīng)以LKJ為基礎(chǔ)增加擴(kuò)展單元，擴(kuò)展單元應(yīng)具備無線調(diào)車機(jī)車信號(hào)接收、無線調(diào)車燈顯信令接收、無線通信、BDS定位、調(diào)車防護(hù)控制計(jì)算等功能。擴(kuò)展單元應(yīng)具備BDS定位、3G/4G通信和數(shù)傳電臺(tái)功能，通過BDS定位模塊獲取軌道車的衛(wèi)星定位信息，通過數(shù)傳電臺(tái)模塊或3G/4G通信獲取站場(chǎng)調(diào)車信號(hào)和進(jìn)路信息、站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)等，結(jié)合自身的機(jī)車位移、方向等信息生成控車和顯示信息發(fā)送到LKJ。LKJ擴(kuò)展增加調(diào)車防護(hù)的核心控制計(jì)算以及顯示和報(bào)警功能。

2.2.3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)間以及子系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，通信是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障。車地通信根據(jù)實(shí)際情況采用無線數(shù)傳電臺(tái)或LTE網(wǎng)絡(luò)(或公網(wǎng))通信方式。

3 系統(tǒng)功能研究

系統(tǒng)應(yīng)包括的調(diào)車作業(yè)功能包括：①白燈限速防護(hù)、禁止信號(hào)控制、無接觸網(wǎng)區(qū)防護(hù)、土擋防護(hù)、道岔防護(hù)、區(qū)段限速控制、存留車股道限速控制等，調(diào)車防護(hù)場(chǎng)景齊全；②具備區(qū)間作業(yè)(包括救援、路用作業(yè))防護(hù)控制模式功能，特別是對(duì)于救援作業(yè)反向運(yùn)行的控制起到安全保障；③具備機(jī)車運(yùn)行作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程下載、運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)分析和回放功能。對(duì)調(diào)車和區(qū)間作業(yè)的過程實(shí)現(xiàn)了安全防護(hù)，保障了機(jī)車行車安全。

3.1 調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)

3.1.1 白燈限速防護(hù)

調(diào)車作業(yè)運(yùn)行前方調(diào)車信號(hào)機(jī)顯示為白燈時(shí)，監(jiān)控機(jī)車以不超過調(diào)車限速的速度越過該調(diào)車信號(hào)機(jī)。

3.1.2 禁止信號(hào)控制

運(yùn)行前方調(diào)車信號(hào)機(jī)為禁止信號(hào)時(shí)，以該信號(hào)機(jī)為控制目標(biāo)點(diǎn)，監(jiān)控機(jī)車在該信號(hào)機(jī)前停車。

3.1.3 無接觸網(wǎng)區(qū)防護(hù)

當(dāng)電力機(jī)車在段場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行，前方進(jìn)路存在無接觸網(wǎng)區(qū)的，以無接觸網(wǎng)區(qū)控制起點(diǎn)為停車的控制目標(biāo)點(diǎn)，監(jiān)控機(jī)車在目標(biāo)點(diǎn)前停車。

3.1.4 土擋防護(hù)

前方進(jìn)路為盡頭線車擋時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)車以不超過規(guī)定的速度進(jìn)入盡頭線運(yùn)行，并以盡頭線車擋防護(hù)點(diǎn)為停車的控制目標(biāo)點(diǎn)，監(jiān)控機(jī)車在車擋前停車。

3.1.5 道岔防護(hù)

機(jī)車前方進(jìn)路存在需要限速的道岔時(shí)，以道岔位置為控制目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算產(chǎn)生控制模式曲線，并以道岔限速值監(jiān)控機(jī)車通過道岔區(qū)段。

3.1.6 區(qū)段限速控制

機(jī)車前方進(jìn)路存在限速區(qū)段時(shí)，以前方調(diào)車信號(hào)機(jī)為控制目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算產(chǎn)生控制模式曲線，并以區(qū)段限速值監(jiān)控機(jī)車通過限速區(qū)段。

3.1.7 存留車股道限速控制

前方線路中停有存留車輛，監(jiān)控機(jī)車以不超過規(guī)定的速度進(jìn)入存車股道。

3.2 區(qū)間作業(yè)安全防護(hù)

3.2.1 作業(yè)區(qū)段防護(hù)

機(jī)車區(qū)間作業(yè)運(yùn)行至作業(yè)起點(diǎn)前，控制機(jī)車在作業(yè)起點(diǎn)前停車，解鎖操作越過作業(yè)起點(diǎn)后自動(dòng)轉(zhuǎn)入作業(yè)封鎖控制。

3.2.2 封鎖區(qū)段防護(hù)

機(jī)車進(jìn)入作業(yè)封鎖區(qū)范圍后，系統(tǒng)根據(jù)機(jī)車運(yùn)行方向，控制機(jī)車在作業(yè)區(qū)間起點(diǎn)和終點(diǎn)前停車。

3.3 顯示與報(bào)警

屏幕顯示器應(yīng)具備通過讀取站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制站場(chǎng)平面圖，顯示軌道區(qū)段占用情況、調(diào)車信號(hào)機(jī)顯示情況、道岔定反位狀態(tài)和機(jī)車位置。對(duì)調(diào)車信號(hào)變化、調(diào)車進(jìn)路變化、前方防護(hù)點(diǎn)類型變化等信息進(jìn)行語音提示。

3.4 運(yùn)行信息記錄與回放功能

系統(tǒng)應(yīng)保留既有LKJ的運(yùn)行信息記錄功能不變，具備調(diào)車防護(hù)模式和區(qū)間作業(yè)模式下的信息記錄功能：①進(jìn)路信息，主要包括前方信號(hào)狀態(tài)、距防護(hù)點(diǎn)距離、限速信息等；②提示窗口信息，主要包括系統(tǒng)自動(dòng)定位信息等；③調(diào)車操作信息，主蹤/出站調(diào)車通知書編號(hào)、確認(rèn)機(jī)車位置信息等；④設(shè)備基本信息，主要包括軟件版本信息、站場(chǎng)圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)版本信息等。

3.5 人機(jī)交互功能

①具備站場(chǎng)平面圖、模式曲線圖顯示功能；②站場(chǎng)平面圖形可根據(jù)機(jī)車運(yùn)行自動(dòng)追蹤連續(xù)顯示；③站場(chǎng)平面應(yīng)具備軌道區(qū)段、調(diào)車信號(hào)機(jī)、道岔等設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)顯示和調(diào)車作業(yè)時(shí)特殊地點(diǎn)(站界、一度停車牌、電化區(qū)域等)的顯示；④運(yùn)行前方一定里程范圍的控制模式曲線；⑤以圖形或數(shù)字形式，顯示實(shí)際軌道車運(yùn)行速度、限制速度、距前方信號(hào)機(jī)距離、里程和日歷時(shí)鐘等；⑥無線調(diào)車燈顯信令(平面調(diào)車)按既有LKJ平面調(diào)車燈顯方式顯示；⑦顯示調(diào)車作業(yè)運(yùn)行中的重要提示信息。

4 系統(tǒng)研究意義

4.1 經(jīng)濟(jì)意義

通過在機(jī)車上加裝站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)，將會(huì)提升運(yùn)行安全性和運(yùn)輸效率，降低人力成本。主要基于以下幾個(gè)方面：①系統(tǒng)自帶站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程換裝功能，大幅減少因數(shù)據(jù)換裝投入的工作人員數(shù)量并提升換裝效率；按照鐵路機(jī)車數(shù)量129臺(tái)(段屬9臺(tái)HXD1、段屬45臺(tái)SS4B<代管2臺(tái)>、段屬26臺(tái)內(nèi)燃<代管2臺(tái)>、聯(lián)運(yùn)單位59臺(tái)SSG)估算，全面推廣應(yīng)用調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)，可以大幅減少站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)換裝使用工作人員數(shù)量，預(yù)計(jì)每年可減少人工換裝1 500余臺(tái)次，節(jié)約人工20人左右，每年直接增加經(jīng)濟(jì)效益為200余萬元。②系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全電子化調(diào)車作業(yè)計(jì)劃傳輸功能，大幅減少相關(guān)人力資源投入和辦公用品消耗。

按照鐵路既有機(jī)車數(shù)量129臺(tái)估算，全面推廣應(yīng)用調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)，可以大幅減少作業(yè)計(jì)劃傳輸使用工作人員數(shù)量，預(yù)計(jì)每年可減少人工傳輸1 000臺(tái)次，節(jié)約人工10人，每年直接增加經(jīng)濟(jì)效益為100余萬元。

4.2 社會(huì)意義

4.2.1 調(diào)車作業(yè)控制精益求精

系統(tǒng)采用的輪對(duì)測(cè)速、北斗差分定位等多通道融合的測(cè)速測(cè)距技術(shù)，進(jìn)一步提升了站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)的控制精度，解決了傳統(tǒng)測(cè)速測(cè)距定位受空轉(zhuǎn)、輪滑等因素影響干擾的問題。

4.2.2 通信技術(shù)的兼容與拓展

站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)兼容數(shù)傳電臺(tái)傳輸，隨著新型無線通信技術(shù)的應(yīng)用推廣，可實(shí)現(xiàn)更高效的車地?cái)?shù)據(jù)交互，進(jìn)一步提升控制的實(shí)時(shí)性與安全性。

4.2.3 調(diào)車作業(yè)的車地協(xié)作發(fā)展

系統(tǒng)通過無線信息傳輸技術(shù)，打通了調(diào)車作業(yè)和地面管理的信息傳輸通道，車地協(xié)同作業(yè)更加規(guī)范化；且具備調(diào)車作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，作業(yè)人員可以在地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車作業(yè)過程，有利于規(guī)范機(jī)車調(diào)車作業(yè)，減少人為誤操作而導(dǎo)致的超速、甚至脫軌事故的發(fā)生。

4.2.4 設(shè)備運(yùn)維能力的提升

系統(tǒng)提供站場(chǎng)圖數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程換裝功能，作業(yè)人員可以通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程換裝和運(yùn)行記錄文件的遠(yuǎn)程下載，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的智能運(yùn)維能力，減少作業(yè)人員投入。

研究鐵路站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)，可以有效解決常年困擾重載鐵路調(diào)車作業(yè)缺乏技防手段、作業(yè)事故頻繁的行業(yè)難題，為其他重載鐵路線路調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)提供思路和示范。

4.3 安全意義

①提升調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)，解決機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車過程中存在的擠、撞、脫、冒問題，保障機(jī)車調(diào)車安全。②提升區(qū)間作業(yè)安全防護(hù)，解決機(jī)車救援、路用等區(qū)間作業(yè)非法進(jìn)入或越出作業(yè)區(qū)域，特別是區(qū)間反向運(yùn)行的救援作業(yè)的安全防護(hù)問題，保障區(qū)間作業(yè)安全。③提升站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)的安全性，機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)在LKJ的安全防護(hù)下進(jìn)行控制列車運(yùn)行，并根據(jù)調(diào)車信號(hào)機(jī)、道岔和區(qū)段限速、無網(wǎng)區(qū)和存車線等信息，精準(zhǔn)控制列車運(yùn)行在LKJ安全防護(hù)速度曲線運(yùn)行，確保列車運(yùn)行安全。解決原來僅依靠司機(jī)看調(diào)車信號(hào)行車，易造成調(diào)車事故的問題。