機(jī)車無線控制系統(tǒng)在新建大高爐鐵水運(yùn)輸中的應(yīng)用研究

趙會(huì)勇（本鋼集團(tuán)北營鐵運(yùn)公司，遼寧 本溪 117017）

1 引言

北營公司原有鐵路92公里，機(jī)車40臺，目前鐵路運(yùn)輸作業(yè)采用機(jī)車乘務(wù)人員及調(diào)車人員依靠地面信號機(jī)的指示狀態(tài)完成，這種作業(yè)方法有著不可避免的缺陷和不足：首先，容易受軌道等客觀條件限制，如在彎道處很難確認(rèn)信號等；其次，容易受天氣等因素的影響，如在雨雪和冰雹等惡劣天氣下，這種工作方式很難順利地完成生產(chǎn)任務(wù)，無法保證行車安全，而新建大高爐的鐵水運(yùn)輸對機(jī)車的行車安全要求更高。隨著電子科技在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用，急需安全、可靠、先進(jìn)的機(jī)車控制系統(tǒng)來滿足機(jī)車運(yùn)行數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化的“四化”要求。

從信息傳輸方式來說，實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸中機(jī)車安全監(jiān)控可以采取兩種方法：一種是通過軌道電路電碼化傳送信息來實(shí)現(xiàn)；另一種方式就是采用無線通信的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)車與地面的信息交換。由于我公司乃至全國大部分地方企業(yè)鐵路均未實(shí)現(xiàn)電碼化，無法通過軌道接收方式實(shí)現(xiàn)鐵水運(yùn)輸車的機(jī)車信號顯示，采用第一種方式，則需要對鐵水運(yùn)輸線路進(jìn)行大量設(shè)備改造，投資費(fèi)用相當(dāng)大；而利用無線通信的方式，改造量小，投資也比較少，因而是實(shí)現(xiàn)大高爐生產(chǎn)中鐵路運(yùn)輸機(jī)車安全控制的一種較為理想的選擇。

根據(jù)美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的定義，基于通信的機(jī)車控制系統(tǒng)是一種“利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路），雙向連續(xù)、大容量的車—地?cái)?shù)據(jù)通信，車載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的連續(xù)自動(dòng)列車控制系統(tǒng)”。它能夠執(zhí)行列車自動(dòng)防護(hù)、列車自動(dòng)運(yùn)行以及列車自動(dòng)監(jiān)控。北美和歐洲等發(fā)達(dá)國家分別制定了各自機(jī)車安全控制系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃。在借鑒它國成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國也已經(jīng)研究制定了適應(yīng)中國國情的機(jī)車控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，這對實(shí)現(xiàn)國家鐵路信息化建設(shè)以及提高行車運(yùn)行效率的安全性、可靠性有著非常重要的意義。

2 總體架構(gòu)

基于無線通信的機(jī)車安全控制系統(tǒng)集無線通信、計(jì)算機(jī)、信號、安全控制于一體，用于保證行車安全和提高運(yùn)輸能力，由地面控制設(shè)備、車載設(shè)備和無線傳輸設(shè)備三個(gè)部分組成。圖1是基于無線通信的機(jī)車安全控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機(jī)車安全控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

地面控制設(shè)備由兩臺熱備通信服務(wù)器和若干個(gè)調(diào)度集中區(qū)域中心組成。系統(tǒng)設(shè)立兩臺熱備通信服務(wù)器，保證系統(tǒng)中樞的安全運(yùn)行，并在每個(gè)調(diào)度集中區(qū)域中心安裝一個(gè)數(shù)傳電臺基站，在每臺機(jī)車上安裝一個(gè)數(shù)傳電臺，構(gòu)成車與地的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

調(diào)度集中區(qū)域中心，集成調(diào)度集中主機(jī)、GPS系統(tǒng)和物流軟件等設(shè)備，主要負(fù)責(zé)從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備中采集站場狀態(tài)數(shù)據(jù)及生成調(diào)車作業(yè)單，為機(jī)車安全控制提供站場依據(jù)。

車載設(shè)備由安全控制主機(jī)、GPS系統(tǒng)、速度壓力等傳感器、卸載機(jī)車牽引力繼電器等設(shè)備組成；主要負(fù)責(zé)從各傳感器中采集機(jī)車實(shí)時(shí)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過卸載機(jī)車牽引力繼電器、常用制動(dòng)電磁閥、報(bào)警音箱等設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)車安全控制。

無線傳輸設(shè)備通過設(shè)在調(diào)度集中區(qū)域中心和全站各機(jī)車上的專業(yè)數(shù)傳電臺進(jìn)行控制信息交換，實(shí)現(xiàn)全站的機(jī)車調(diào)度與安全控制。

本文以本溪北營鋼鐵（集團(tuán)）股份有限公司節(jié)能減排高爐改造項(xiàng)目煉鐵站鐵水運(yùn)輸調(diào)度指揮管理系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹基于無線通信的機(jī)車安全控制系統(tǒng)的通信技術(shù)方案。

3 通信技術(shù)方案

3.1 無線傳輸規(guī)則

每個(gè)調(diào)度集中區(qū)域的單臺數(shù)傳電臺基站使用1對（2個(gè)）頻點(diǎn)，申請使用專用的400～420MHz數(shù)傳頻段的頻點(diǎn)1對（2個(gè)），收發(fā)最小間隔為25kHz。信道傳輸速率為24kbps，為半雙工傳輸。地面數(shù)傳電臺基站向機(jī)車發(fā)送數(shù)據(jù)分為4個(gè)時(shí)隙，每250ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)時(shí)隙可以傳輸130字節(jié)；機(jī)車數(shù)傳電臺向地面數(shù)傳電臺基站發(fā)送數(shù)據(jù)為8個(gè)時(shí)隙，每125ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)隙可以傳輸60字節(jié)。每個(gè)基站最大可以管轄的機(jī)車臺數(shù)由機(jī)車上傳數(shù)據(jù)的頻率所決定，例如：每臺機(jī)車1s上傳一次數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)能夠在一個(gè)時(shí)隙傳輸完畢，則最大能夠管轄8臺機(jī)車，如果每臺機(jī)車2秒上傳一次數(shù)據(jù)，則最大能夠管轄16臺機(jī)車。根據(jù)我公司的機(jī)車運(yùn)用情況，鐵水運(yùn)輸車配備12臺，則需每臺機(jī)車1.5s左右上傳一次。

3.2 車—地信息傳輸

每個(gè)調(diào)度集中系統(tǒng)控制若干個(gè)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)定時(shí)將站場狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給所屬的調(diào)度集中軟件，站場狀態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容包含：道岔狀態(tài)、信號機(jī)狀態(tài)、軌道區(qū)段狀態(tài)。調(diào)度集中軟件同時(shí)結(jié)合調(diào)度作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)完畢后清勾信息與軌道占用空閑等信息可跟蹤推算出車頭的位置，即每個(gè)占用軌道區(qū)段上是否為機(jī)車占用，占用機(jī)車的編號是多少，這樣在調(diào)度集中軟件中可以反映出站場的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)，包含：道岔、信號機(jī)、軌道區(qū)段的狀態(tài)與機(jī)車的位置。

地面設(shè)備與車載設(shè)備通過無線通信通道交換數(shù)據(jù)模式，如圖2所示。

圖2 無線通信通道交換數(shù)據(jù)模式

（1）地面信號復(fù)示功能

調(diào)度集中主機(jī)獲取到計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上報(bào)的實(shí)時(shí)站場狀態(tài)數(shù)據(jù)后，對其標(biāo)記時(shí)間信息，然后打包壓縮通過所在區(qū)域的數(shù)傳電臺基站（通過通信服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)）以250ms的間隔時(shí)間向外廣播，供處在該調(diào)度集中區(qū)域的機(jī)車安全控制主機(jī)接收，機(jī)車安全控制主機(jī)在接收到站場的狀態(tài)數(shù)據(jù)后，提取出站場狀態(tài)數(shù)據(jù)與本機(jī)車所處的軌道區(qū)段號，然后以該區(qū)段為中心動(dòng)態(tài)顯示模擬站場圖，為司機(jī)的行車提供信號參考。

調(diào)度集中主機(jī)發(fā)送給機(jī)車的數(shù)據(jù)傳輸按照以下方案進(jìn)行，調(diào)度集中數(shù)據(jù)每隔5s廣播站場所有信號的狀態(tài)數(shù)據(jù)一次，在5s間隔時(shí)間內(nèi)，只對狀態(tài)變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，這樣可以節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捹Y源。

當(dāng)機(jī)車無線控制主機(jī)連續(xù)5s接收不到地面?zhèn)鱽淼臓顟B(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為通訊已經(jīng)中斷，此時(shí)通過音箱進(jìn)行語音提示報(bào)警，告知司機(jī)此時(shí)機(jī)車無線安全控制功能故障。

（2）機(jī)車信號上傳至地面主機(jī)

機(jī)車安全控制主機(jī)每隔1.5s（當(dāng)每個(gè)調(diào)度集中區(qū)域的機(jī)車數(shù)量N超過8臺時(shí)，間隔時(shí)間為：N×125ms）將機(jī)車的當(dāng)前車速、公里標(biāo)數(shù)據(jù)以及經(jīng)過測算的車長等信息通過數(shù)傳電臺上傳給地面數(shù)傳電臺基站，再由以太網(wǎng)傳至調(diào)度集中主機(jī)，根據(jù)運(yùn)輸生產(chǎn)需要及事后分析資料需要，設(shè)置傳輸主要報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)異常、安全控制動(dòng)作等信息。

3.3 機(jī)車安全控制基本過程

（1）安全控制主機(jī)通過無線方式接收站場設(shè)備的狀態(tài)信息，從速度傳感器取得機(jī)車運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)信息，從機(jī)車的司機(jī)手柄、管壓、缸壓等傳感信息的輸入得知機(jī)車運(yùn)行方向等狀態(tài)信息。

（2）安全控制主機(jī)內(nèi)部預(yù)先存儲(chǔ)有機(jī)車運(yùn)行線路的參數(shù)信息，如各軌道區(qū)段的長度、線路坡度、站場各股道的長度、站場各道岔的位置、各段線路允許限速值、制動(dòng)性能等。

（3）安全控制軟件啟動(dòng)時(shí)，讀取存儲(chǔ)器中的站場圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析后在軟件界面上初始化模擬站場圖（從坐標(biāo)0，0開始的區(qū)段）。同時(shí)接收基站傳送給本機(jī)車的初始狀態(tài)信息（信號機(jī)、軌道區(qū)段、機(jī)車位置等），然后根據(jù)接收到的信息，以當(dāng)前機(jī)車所在軌道為中心進(jìn)行顯示。

（4）安全控制主機(jī)根據(jù)前方線路占用情況、前方信號機(jī)狀態(tài)、機(jī)車制動(dòng)參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出允許運(yùn)行的最大速度，通過顯示器及語音告知司機(jī)。

（5）機(jī)車超過控制原則限制條件時(shí)，如檢測到司機(jī)未采取相應(yīng)措施，裝置將向司機(jī)發(fā)出語音警告，必要時(shí)采取卸載機(jī)車牽引力、啟用制動(dòng)等安全措施。

3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)符合基于通信的機(jī)車控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，能提供雙向信息傳輸?shù)拈]環(huán)控制，連續(xù)不間斷地跟蹤、監(jiān)控列車運(yùn)行，并能提供大容量的數(shù)據(jù)通信，傳輸調(diào)度作業(yè)計(jì)劃，機(jī)車狀態(tài)等信息，提高列車運(yùn)行安全性。

（2）安全控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很重要，系統(tǒng)在每個(gè)調(diào)度集中區(qū)域安裝一臺GPS授時(shí)系統(tǒng)，用于對調(diào)度集中主機(jī)的精確時(shí)間校準(zhǔn)，同時(shí)在每臺機(jī)車上安裝一臺GPS授時(shí)系統(tǒng)，用于對機(jī)車安全控制主機(jī)的時(shí)間校準(zhǔn)。通過GPS時(shí)間進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)后，地面調(diào)度集中主機(jī)將與車載安全控制主機(jī)的時(shí)間保持一致。

（3）采用彩色觸摸屏操作，顯示器選用12.1英寸工業(yè)級液晶顯示器。實(shí)時(shí)顯示站場和機(jī)車狀態(tài)及相關(guān)調(diào)車作業(yè)計(jì)劃。

（4）結(jié)合運(yùn)行機(jī)車的動(dòng)力類型、作業(yè)任務(wù)及線路參數(shù)不同，設(shè)有不同限速標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)機(jī)車實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。

（5）進(jìn)行安全防護(hù)操作時(shí)，采用聲光報(bào)警、卸載機(jī)車牽引力、啟用制動(dòng)三步措施。可以有效地避免因人為或機(jī)械原因造成的事故。

（6）對雨雪天機(jī)車運(yùn)行可能出現(xiàn)的空轉(zhuǎn)和打滑現(xiàn)象做出了相應(yīng)的判斷和處理。發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，速度傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)急劇增加，加速度超過正常值；發(fā)生滑行時(shí)，加速度為負(fù)值，且絕對值過大。可以通過對加速度值設(shè)定絕對值上限來判斷是否出現(xiàn)空轉(zhuǎn)和打滑現(xiàn)象。

（7）為了減小因傳輸延時(shí)、空轉(zhuǎn)、滑行帶來的定位誤差，在站場關(guān)鍵軌道上安裝應(yīng)答器，以進(jìn)一步提高定位精度。

4 小結(jié)

基于無線傳輸技術(shù)的機(jī)車安全控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)車的安全防護(hù)和作業(yè)調(diào)度功能，能加強(qiáng)鐵路運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化控制，降低安全事故隱患，節(jié)約運(yùn)營成本，可為以后的運(yùn)輸生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，機(jī)車安全控制系統(tǒng)正朝著機(jī)車信號主體化的方向快速發(fā)展，以期實(shí)現(xiàn)通信信號一體化。未來的機(jī)車安全控制系統(tǒng)將在無線通信的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高可靠性控制方式和故障—安全的措施，具有廣闊的應(yīng)用潛能。

[1]IEEE Standard for Communications-Based Train Control Performance and Functional Requirements 1474.1-1999.

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