自動化駝峰溜放進路和速度安全控制的研究

胡衛東 鐘衛紅（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

胡衛東，男，高級工程師，主要研究方向包括駝峰信號聯鎖和駝峰自動化的研究與實踐；曾參與“TW-2型駝峰自動化系統”和TW系列駝峰自動化系統（含TWD型系統、CIPS下駝峰自動化分系統）等項目。曾獲得2005年第七屆詹天佑鐵道科學技術獎（青年獎）、1998年“鐵道部青年科技拔尖人才”、兩次鐵道部優秀工程設計三等級，兩次中國鐵道學會科學技術獎三等獎等榮譽。2004年“編組站聯鎖自動化系統”獲得國家發明專利，編號ZL200410000939.4（排名第 2）。

溜放進路和速度的自動控制是自動化駝峰最核心的兩大功能。溜放進路自動控制是根據待解列車解體計劃的鉤序、目的股道號，自動選排分路道岔，控制自由溜放的車組從峰頂到達要求的調車線股道；溜放速度自動控制是通過間隔制動實現溜放車組在駝峰溜放區保持合理的間隔，通過目的制動實現溜放車組在調車線股道與前方車組安全連掛。

1 溜放進路和速度控制的安全要求

自動化駝峰技術條件指出“盡管自動化駝峰不屬于故障-安全系統，控制系統和單項設備的設計應貫徹故障-安全原則”，應從兩方面理解該技術條件：

首先，該條件明確自動化駝峰不屬于故障-安全系統，自動化駝峰控制系統也不屬于故障-安全系統，這是由駝峰解體作業高效要求、動態控制和因素復雜的特點決定的。

自動化駝峰技術條件對溜放速度自動控制的安全性要求如下。

1）除抱閘車等特殊情況外，不應有車輛在減速器上被夾停的事故發生。

2）除特殊車輛、特殊氣候條件，系統不能對車輛進行有效制動外，因嚴重超速沖撞引起的事故率應小于10-5。

上述技術要求點明了溜放速度控制的非安全性，車輛夾停可能導致后鉤車沖撞本鉤車，出口超速可能導致本鉤車超速沖撞前鉤車；控制系統對于溜放速度控制安全未要求也達不到100％。

3）系統應具有途停、側撞、摘錯鉤、錯溜、追鉤、釣魚、滿線、堵門、道岔恢復、道岔封鎖、軌道電路輕車跳動等的檢測和相應的防護措施。

上述技術要求點明了溜放進路控制的復雜性，溜放過程中因車組走行、分路道岔控制的不正常情況可能出現鉤車追鉤、側撞甚至脫線的風險，系統即使檢測到并采取相應的防護措施，其防護的安全性未要求也達不到100％。

其次，盡管自動化駝峰不屬于故障-安全系統，溜放進路和溜放速度的自動控制存在諸多不安全的因素，但是自動化駝峰控制系統在設計時仍應貫徹故障-安全原則，即通過分析自動化駝峰控制中可能存在的風險源和設備故障可能導致的危險側，采取相應的風險防范措施和故障-安全手段，將控制的危險性降低到最小。

2 溜放進路和速度控制的風險分析

下面以TW-2型駝峰自動化系統為例，分析溜放進路和速度控制中存在的風險。

2.1 控制設備描述

大能力駝峰，在溜放區設有峰下一部位減速器和線束二部位減速器用于實現間隔制動，設有快動分路道岔用于實現溜放進路的選排；在調車線始端設有三部位減速器用于實現目的制動。此外，TW-2系統還安裝了以下測量設備：

1）一分路道岔保護區段內裝有兩個踏板，用于計算溜放車組的摘鉤輛數；

2）一分路道岔保護區段內裝有測重設備，用于測量溜放車組的重量；

3）在減速器前裝有一個踏板，用于計算溜放車組通過的軸數；

4）在減速器前或后裝有雷達設備，用于測量溜放車組的速度；

5）三部位減速器出口處裝有測長設備，用于測量調車線的空閑長度。

2.2 控制風險分析

溜放進路和速度控制中嚴重危害自動化駝峰作業安全的風險是鉤車脫線及鉤車高速沖撞，其風險來源于分路道岔、鉤車間隔、減速器控制精度及測量設備故障等，其表現形式為途停、側撞、追鉤、滿線、堵門、道岔恢復、軌道電路輕車跳動等。

溜放過程中出現摘錯鉤、錯溜、釣魚、道岔封鎖等情況，其危害程度一般且可控，因此不在本文討論范圍。

2.2.1 分路道岔的風險

溜放進路與調車進路不一樣，進路不是事先全部選排完畢后再使用，而是根據車組溜行逐級向分路道岔傳遞進路命令。溜放鉤車占用上一級道岔時，才向下一級道岔發令轉動；如果下一級道岔因故未轉到位，鉤車自由運動到該級道岔時就可能脫線。

溜放進路中的分路道岔僅采用區段鎖閉，即軌道電路占用時不允許道岔操縱，一旦軌道電路出清即可執行下一鉤命令；如果鉤車在占用道岔區段過程中發生輕車跳動，而且下一鉤命令的去向與本鉤不一致，就可能造成道岔中途轉換，鉤車脫線。

2.2.2 鉤車間隔的風險

鉤車間隔是指前后溜放的兩鉤車之間的距離，由于溜放過程是連續的，可能同時有多組鉤車在分路道岔控制區域內，鉤車的速度有快、有慢。遇到前慢（低速甚至途停）后快的情況時，如果兩鉤車是經過道岔的同方向，可能發生追鉤，嚴重的可能高速正面沖撞；如果兩鉤車是經過道岔的不同方向，可能發生側沖，嚴重的可能高速側面沖撞。

2.2.3 減速器控制精度的風險

減速器控制精度是指車組實際出口速度與計算速度的誤差。間隔制動控制精度偏差較大時，如果超速可能造成與前鉤車的間隔問題；如果夾停或速度嚴重偏低，可能造成與后鉤車的間隔問題；這兩個問題的后果都有可能造成追鉤或側沖，嚴重的造成正面高速沖撞或側面高速沖撞。目的制動控制精度偏差較大時，如果超速可能與前鉤車正面高速沖撞；如果夾停或速度嚴重偏低，可能造成后鉤車與之正面高速沖撞。

2.2.4 測量設備故障的風險

1）雷達故障

雷達是減速器控制的眼睛，雷達故障時無法反饋鉤車實際速度而使鉤車在減速器上失控，無論夾停或不作為均可能造成風險。

2）踏板故障

踏板故障表現為不計軸或丟軸。減速器前的踏板作用之一是探測鉤車進入減速器以實施控制的“開機”點，踏板故障影響減速器控制的時機，可能導致減速器出口速度偏高甚至失控；作用之二是作為大組車放頭攔尾開始控制軸數的依據，如果因為計軸設備安裝尺寸不符要求或電氣特性等原因大量丟軸時，可能導致減速器出口速度偏高甚至失控。

3）測長故障

調車線空閑長度是計算三部位出口速度的重要參數，測長故障時無法獲知調車線空閑長度，可能導致減速器出口偏高甚至失控。

4）測重故障

鉤車重量信息對于減速器控制、減速器出口速度計算都很重要，測重故障時無法獲知鉤車的重量信息，可能導致減速器出口速度偏高甚至失控。

3 溜放進路和速度控制的安全設計

根據上述控制風險的分析，TW-2系統著重在分路道岔控制、鉤車間隔控制、減速器控制精度提高和測量設備故障處理等4個方面采取相應的風險防范措施和故障-安全手段，以使控制風險降低到最小。

3.1 分路道岔的安全控制

3.1.1 “軌道電路輕車跳動”的防護

TW-2系統在分路道岔區段鎖閉的基礎上，增加了區段占用屏蔽時間的防護手段。

利用一分路踏板或解體計劃中的輛數信息、分路道岔區段長度及鉤車通過分路道岔的最高限制速度（一分路道岔區段為18.0 km/h、其他區段為21.6 km/h），計算鉤車從占用到出清該道岔區段的最小時限，稱為軌道電路區段占用屏蔽時間。

在區段屏蔽時間內發生的軌道電路瞬間跳動，系統將判定為 “輕車跳動”；一旦系統判定發生了輕車跳動，及時報警并在區段屏蔽時間內拒絕為后續鉤車發出道岔控制指令；對于一分路道岔，一旦系統判定發生了輕車跳動，及時報警并拒絕為后續鉤車發出道岔控制指令。

3.1.2 “道岔恢復”的防護

當溜放鉤車占用上一級分路道岔時，向下一級分路道岔發令轉動，下一級道岔因故不能在規定時間內（電動道岔1.2～1.4 s、風動道岔1.0～1.2 s）轉換到底時，由系統控制道岔往回轉；而后自動鎖閉該道岔，避免新的轉轍嘗試，直至確認正常后人工解除鎖閉。

3.1.3 “道岔擠岔”的防護

當分路道岔擠岔后，將上一級分路道岔鎖向異向，防止后續鉤車正面相撞，同時發出擠岔報警；一分路道岔發生擠岔后，將駝峰信號機鎖定在關閉狀態。

3.2 鉤車間隔的安全控制

鉤車間隔的安全控制是由溜放進路控制和溜放速度間隔控制共同實現的。溜放速度間隔控制由間隔制動位完成，能夠調節位于間隔制動位兩側的鉤車間隔；對于兩鉤車間無間隔制動位的情況，由溜放進路控制實施防護。

3.2.1 速度跟蹤功能

實現間隔控制必須了解溜放區內各溜放車組的位置、走行速度情況，車組位置可以通過分路道岔軌道電路跟蹤，車組走行速度情況通過簡單的軌道電路跟蹤無法準確提供。TW-2系統獨辟蹊徑，利用分路道岔區段設兩個軌道電路的條件，動態地測量鉤車在該道岔上的進入和出清速度，結合鉤車在減速器上的雷達測速，可以測得每鉤車走在不同地點的十多個速度，基本上實時掌握了鉤車溜放速度，實現了鉤車在溜放進路上的全線速度跟蹤。基于速度跟蹤功能，才能夠實現以下控制和防護功能。

3.2.2 溜放速度間隔控制

以二部位間隔控制為例，其基本步驟如下。

第一步根據線路縱斷面、三部位的制動能高、鉤車重量等級等因素確定本鉤車（進入二部位的鉤車）的基本定速。

第二步檢查鉤車的目標股道徑路上有無途停車、堵門車、滿線車等特殊情況，若有，二部位出口速度直接設定到最低值，完成。

第三步檢算本鉤車與前鉤車（已離開二部位去往三部位的鉤車）的間隔。如果存在間隔問題，計算后直接降低二部位定速，跳過第四步，完成。

第四步檢算本鉤車與后鉤車（離開一部位未進入二部位的鉤車）的間隔，確定基本定速基礎上的加速量，計算二部位定速，完成。

3.2.3 “途停”的檢測和防護

TW-2系統認定溜放鉤車走行速度低于8 km/h為途停；鉤車走行在軌道區段上或死區段上時，如果占用時間超過了按最低走行速度8 km/h計算的時間限（根據解體計劃中的輛數和站場區段距離參數表計算）時，也判為途停。

發生途停后，系統及時關閉駝峰信號機，將鉤車剛出清的道岔鎖閉至去往途停車的方向，預防鉤車側撞；進一步將剛出清道岔的上一級道岔鎖閉至異向，預防鉤車正面沖撞。

3.2.4 “堵門”的檢測和防護

溜放鉤車在警沖標區段發生途停，當解除途停鎖閉時轉為堵門防護；沒有來由的警沖標區段占用（鉤車倒溜或尾部調車侵入等），立即啟動堵門防護。

發生堵門后，系統及時報警并且始終將對應的最后分路道岔鎖閉到通往該股道的位置，防止鄰線進入溜放鉤車，直至警沖標區段出清為止。

3.2.5 “側撞”的檢測和防護

如果兩鉤車在某分路道岔上的間隔較緊（沒有達到追鉤），兩鉤車對該道岔方向要求不同，并且鉤車速度前慢后快（前鉤車速度大于8 km/h的途停判別限），當達到一定速度差時，就有可能在前鉤車沒有離開該道岔的警沖點時后鉤車前部進入了警沖點，從而造成側撞。

預計側撞后，系統及時報警并且關閉駝峰信號機。

3.2.6 “追鉤”的檢測和防護

如果兩鉤車在某分路道岔上的間隔較緊，小于該道岔軌道電路區段長度時，將無法轉轍道岔以控制鉤車去往不同的股道，當兩鉤車占用同一個軌道電路區段時，稱為追鉤。

認定追鉤后，系統及時合并和清除后鉤車的溜放信息，防止后續鉤車可能發生的逐鉤錯位、鉤鉤錯道的嚴重后果。

3.2.7 “滿線”的檢測和防護

滿線是指鉤車在三部位減速器區段上途停（鉤車在減速器上雷達測速連續4 s低于3 km/h），或警沖標區段與三部位減速器區段之間的死區段上發生途停（鉤車離開警沖標區段，在減速器前死區段速度低于5 km/h）。兩個條件滿足其一，即啟動滿線防護。

發生滿線后，系統及時報警并且自動封鎖該股道，禁止后續鉤車進入該股道，直至人工辦理股道解鎖。

3.3 減速器控制精度的提高

TW-2系統在減速器控制數學模型中引入了全新的制動量概念。制動量是溜放鉤車當前速度、當前加速度、定速、控制距離、鉤車重量、鉤車軸數等變量的函數，反映的是在剩余控制距離內，減速器還必須消耗掉的鉤車動能。制動量的引入有效地提高了減速器控制精度。

1）制動量隨著速度的下降而減少，使鉤車緩解前必然經過低級別制動，減緩了減速器緩解前鉤車的實際減速度。

2）制動量反映了鉤車不同重量情況下的動能不同，使減速器控制可以針對不同重量的鉤車采取合理的控制策略。

3）對于長鉤車，隨著計軸的累進，制動量越能反映出鉤車有較大動能的情況，使減速器控制可以針對不同輛數的鉤車采取合理的控制策略。

4）當鉤車實際速度大于給定速度時，隨著鉤車即將離去，制動量值劇增，使減速器能在鉤車離開前進行最后的精調。

3.4 測量設備故障處理

3.4.1 雷達故障處理

無溜放鉤車進入減速器時，通過采集雷達自檢信號監控雷達是否處于工作狀態，一旦雷達故障及時報警提示。

當溜放鉤車進入雷達故障的減速器時，系統按鉤車重量等級計算車輛的平均制動時間，對經過的每輛車按照固定時間進行制動，力圖使鉤車在不被夾停的情況下減速出口。

3.4.2 踏板故障處理

將減速器軌道電路作為探測鉤車進入減速器以實施控制的冗余“開機”點，當踏板故障不計軸時以減速器軌道電路占用作為“開機”點。

對于需要放頭攔尾的大組車，如果踏板不計軸，則認定踏板故障并停止放頭攔尾功能；如果踏板丟軸嚴重，檢查鉤車第一個軸距離減速器入口開機點的雷達積分距離，當該距離大于放頭攔尾軸數折算的距離時停止放頭攔尾。

3.4.3 測長故障處理

當測長故障無法獲知調車線空閑長度時，系統報警并對三部位自動給定速度采用相對保守6 km/h。

3.4.4 測重故障處理

解體計劃中的重量狀態信息可以通過車站現車系統獲得，當測重故障無法獲得溜放鉤車的重量信息時，根據解體計劃中該鉤的重量狀態信息進行減速器控制和減速器出口速度計算。

4 實踐情況

本文研究的TW-2系統溜放進路和速度安全控制的原理和方法最早于1999年底在南京東駝峰場投入使用，并在其后推廣的過程中不斷總結、提高、完善，現已應用在全路幾十個大、中能力駝峰場，包括鄭州北下行駝峰、徐州北上下行駝峰、武漢北上下行駝峰等繁忙站場，多年現場實踐證明：TW-2系統采用的溜放進路和速度安全控制技術，能夠在滿足國內大能力駝峰解體要求的基礎上，提高溜放進路和速度控制的安全性。

[1] TB/T 2306-2006自動化駝峰技術條件[S].

[2]胡衛東.結合速度跟蹤功能的駝峰溜放進路自動控制的研究[J].鐵路通信信號工程技術，2007，4（4）：27-28.

[3]鐘衛紅.自動化駝峰溜放車組間隔控制的研究和實踐[J].鐵路通信信號工程技術，2010，7（3）：45-47.