無聯鎖區域調車進路確認裝置的研發

劉明翔，朱玉敏

（中國鐵路廣州局集團公司 廣州車務段 1、高級工程師 2、工程師 廣東廣州 510600）

1 問題的提出

在無聯鎖區域，道岔由人工扳動，進路上沒有允許行進信號，僅有道岔表示器，進路的安全性缺乏保證。為保障調車作業安全，運輸管理部門制定了“要道還道”操作規定，首先由調車員根據調車作業計劃向扳道員要道，然后扳道員人工扳動道岔、構建調車進路，確認后用信號燈/旗向要道者回示，即為還道。調車人員在得到扳道員的還道信號后，也要確認道岔的定反位標志，判斷計劃指定的調車進路與所回進路相符。

在圖1所示的無聯鎖區域中，調車進路SE從始端S至終端E，需手工扳動道岔1、2、3、4至正確的方法。顯然，如果道岔被扳到錯誤的方向，就會構成錯誤的調車進路。

圖1 調車場平面示意圖

無聯鎖區域調車進路的建立，完全依賴作業人員對視覺信號的人工確認。作業人員的精神狀態、可視距離、標志的好壞，都足以影響調車進路的正確開通與否。這種由人工來判斷多個道岔開通狀態的操作，極容易造成進路錯誤或未準備好進路就還道的情況。此時若車列移動，就會造成進錯異線與存車沖突、擠岔、脫線等調車作業事故。

據統計，廣州局集團公司2005年以來調車作業事故67%發生在無聯鎖區域，其主要表現形式是調車進路錯誤下盲目動車。這種情況在全路也很常見。如何經濟、有效地消除無聯鎖區域調車進路人工確認的安全隱患，降低調車作業事故率，就成為一項具有很強現實意義的研究。

本文針對無聯鎖區域調車進路正確性確認問題，研制出經濟合理的無聯鎖區域調車進路確認裝置，能在不進行大規模聯鎖改造情況下，正確及時地建立調車進路，消除人為因素帶來的安全隱患。

2 需求分析

在無聯鎖區調車進路建立和確認，必須在人工扳動道岔后，由設備及時判斷出進路上所有道岔的開通方向，迅速計算出當下調車進路的開通指向，及時準確地將進路最終指向發布給各崗位的調車作業人員。調車長或司機根據所回復的進路，確認與調車計劃匹配后，啟動調車機車進行作業。

無聯鎖區調車進路正確建立和快速確認，關鍵是不間斷監測道岔的定、反位狀態，快速判定構建的調車進路，充分利用已有的調車電臺，同時又不能違反既定規章。

實現該目標的一種方法是將無聯鎖道岔改造為電氣集中聯鎖道岔。但這種改造需要投入大量的資金，單個道岔改造費用平均需要30～60萬元。同時還需要對既有車站聯鎖系統進行同步升級，施工期間必須停止全站一切接發列車和調車作業，對運輸經營極為不利。因此對于作業量較少、遠離信號樓的站場線路，將無聯鎖道岔改造為電氣集中聯鎖形式，在技術經濟評價上是不經濟的。目前全路還存在大量的無聯鎖區，這些區域調車進路建立，還完全由人工進行，調車脫線或進錯異線的風險因素依然存在。在這種情況下，研發低成本的無聯鎖區域調車進路確認裝置，就成為降低調車事故概率、提高作業效率的重要途徑。

本文提出并研發一種低成本電氣集中聯鎖替代系統，該系統模仿電氣集中聯鎖進路確認裝置，自動實現調車進路的建立和判別。從需求的角度，該系統應能解決以下問題：

1）道岔狀態要能不間斷監測，采集的數據必須準確無誤；無法獲取數據時，要及時向系統發出報警信息。我們使用雙冗余、數值相反的傳感器，確定道岔的定、反位和密貼狀況。

2）道岔開通數據要能快捷和不間斷上傳，其傳輸通道、傳輸方式、傳輸協議，要滿足扳道時間要求，數據的發收點要能識別和記錄，發生通訊問題，系統能及時報警。

3）系統的數據處理，要能判斷故障類型并示警，能及時準確地計算出調車進路開通方向，最后用計算機圖形將站場和開放的調車進路表示出來。

4）改造既有的無線調車燈顯設備，使參與調車作業的任一作業人員，按需要無線查詢調車進路裝置，該系統能將當下調車進路的開通指向，向全體人員廣播。

3 系統原理和構成

3.1 道岔開通方向的判定 圖2為道岔示意圖。圖中粗線條為基本軌，細線條為尖軌部分。設道岔開通水平方向為定位(標識為1)，則開通下斜方向為反位(標識為0)。S1/S2為安裝在道岔上的傳感器，它是偵測道岔開向的關鍵基本器件。再設，基本軌和尖軌密貼時，傳感器輸出值為1，斥離時輸出值為0。則有：

若S1=1，由道岔的機械構成知，則必有S2=1，道岔開通定位，即標識（S1，S2）=1，反之，道岔開通反位，即標識（S1，S2）=0。

圖2 道岔示意圖

3.2 進路建立的原理 按上述原則，由圖1可知，確定唯一開通的調車進路SE(粗線條)。則可用進路上所有道岔的開通標識序列0101表示調車進路SE，二者是對應的。進路建立的原理表示見表1。

表1 進路建立的原理表示

數字序列10011……0，可唯一代表著由S端，經由a、b、c、d、e……n到E端的唯一調車進路。

3.3 系統總成 進路確認裝置系統架構見圖3。系統由主機、采集分機、電臺分機、有線/無線網絡傳輸設備等幾部分構成。關鍵部件為室外采集開關1(傳感器)、分機MCU單元2、電臺分機控制器6。

圖3 進路確認裝置的系統架構

3.3.1 結構說明 采集傳感開關1安裝在道岔上；分機MCU單元2，主要用作處理所轄區域傳感開關所采集的道岔開通和密貼程度數據，統一數據格式，加密和校驗數據，防止傳輸過程的干擾；網絡單元按現場實際架設，可用有線/無線，也可混合組網，穩定可靠并具一定經濟性；系統核心單元安裝在工控機上，作用是根據道岔開通方向和密貼情況的數據，及時計算出調車進路的開通方向，并生成語音文本備查；電臺分機控制器6的作用是，使硬件充分兼容模擬、數字電臺，就近處理和傳遞數據，方便電臺語音通訊。

3.3.2 數據處理流程 當道岔扳動后，室外采集開關1(傳感器)會將道岔的開通方向和密貼程度，用連續或離散變量形式傳送到當地的采集分機；采集分機對變量進行數字化，送LED7段數碼管顯示器顯示，扳道人員據此可知進路的開通方向。通過有線或無線傳輸網絡，采集分機數據加密處理后送到系統的工控主機；工控主機8收集齊所有數據，依照無聯鎖區域上線路和道岔的拓樸關系，快速計算出調車進路最終的開通方向，并將結果存儲起來；調車作業人員需要時，操作手持電臺上的查詢按鈕，系統立即通過通訊網絡將調車進路開通安全數據發送到電臺分機；電臺分機進路數據合成語音向所有調車人員廣播出去。整個流程全方位記錄。

全部過程均按故障導向安全的原則建立，其中任一環節發生問題，系統都會記錄并發出警示。

4 關鍵技術

4.1 組網技術及選擇 道岔開通方向數據采集后，必須迅速傳遞到數據處理中心，由系統計算出調車進路的開通指向，并回答調車人員的隨時查詢，其時間滯后不大于15 s。

1)有線組網方法有：422、485總線網、局域網，數據輸送通過電纜和光纖，其抗干擾能力很強，速度取決于信號處理設備。建設難點是鋪設過程要挖溝和過軌，不但費用高而且還需要協調工務、電務及通訊部門。

2)無線組網方法有：數傳電臺總線網、GPRS、ZigBee、Lora等，這種方法的建設難點，在于要考慮數據傳輸過程中的抗干擾能力，以及數據處理的時效性。

各種組網方案優缺點分析如下：

422總線網可以實現雙向四線雙工通信，速度快，數據可靠，傳輸距離不長，線材成本高；485總線網是異步單工通信比較成熟的總線網，速率高，通信可靠，最長距離可達1.2 Km；局域網優點很多，但布網成本很高；數傳電臺總線網采用輪詢方式單工通信，數據延時小，但傳遞的數據量小；GPRS，穩定可靠，但數據的安全性難以保證，延遲也無法控制，且使用需要付費；ZigBee組網技術，可以實現自動入網、自動修復連接等功能，但同樣存在數據延遲；Lora組網技術具有低功耗，遠距離的優勢，目前剛開始在國內應用。無線路由組網，前期投資和維護成本相當高。

考慮到在鐵路站場環境下，移動車輛對無線信號的干擾較大，而可靠的通信是保障系統安全的前提，所以在建立數據傳遞網時，應優先選擇有線方式。在建設不便時，可以選擇獨立組網，避免使用公網。至于是選擇數傳電臺還是ZigBee組網、或者Lora組網，則取決于無線傳輸距離和成本核算。

4.2 進路計算方法 這里作兩條假設，并仍以圖1為例進行說明：

1）調車進路數目有限假設。針對具體的站場，即使考慮到平行進路和共用軌道區段，所有的調車進路都是有限的，且是可窮舉的。

2）調車進路標準構型假設。即所有調車進路的構成情形，都可以抽象統一為如圖1所示的標準構型。對于多調機作業的站場，實際作業是要分區的，跨區作業必須申請和歸還，視為一區作業；對于一區內存在平行進路的站場，可通過切割或增加進路數，總是可以將所有的調車進路的構成情形，統一為圖1的布置形式。

4.2.1 枚舉算法 枚舉算法道岔定反位與進路開通的關系見表2。

表2 枚舉算法道岔定反位與進路開通的關系

①S到貨1的調車進路，可有1×2×2×2=8個數字序列表示，即其中任一序列就可判定為調車進路為S到貨1。標記為進路序列1～8；

②S到貨2的調車進路，可有1×1×1×2=2個數字序列表示，即其中任一序列就可判定為調車進路為S到貨2。標記為進路序列9～10；

③S到貨3的調車進路，可有1×1×1×1=1個數字序列表示。標記為進路序列11；

④S到貨4的調車進路，可有1×1×1×1=1個數字序列表示。標記為進路序列12；

⑤S到貨5的調車進路，可有1×1×2×2=4個數字序列表示，即其中任一序列就可判定為調車進路為S到貨5。標記為進路序列13～16；

則可用16個數字序列表示5條調車進路，但可保證每個數字序列只能對應一條調車進路開通。

通過遍歷站場內所有道岔的定反位數據，可獲得一個數字序列，將該序列與所有的進路序列表比對，如果完全相符，即可確定唯一開通的調車進路。

4.2.2 拋棄算法 通過分析道岔開通方向與調車進路間的對應關系，可以發現當某道岔處于某一狀態(1/0)時，對應的某一進路無法建立。此時定義該道岔開通方向與對應進路的關系為否，標注為0。比對計算中，如果遇到這樣的情況，則可以不再繼續比對開通這一線路的進路序列表，從而極大地減少了計算工量，提高了算法效率。

根據表2列出的數據，可演算出道岔定反位與進路開通的關系如表3所示。

表3 拋棄算法道岔定反位與進路開通的關系

當連續搜索道岔的定反位時，不再比對的數字列表可持續增加。如相繼搜索到1、2號岔均為反位時，則不需比對數字列表1～12，可放棄的計算量更多。4.2.3 一般算法 算法流程如圖4所示。

圖4 一般算法流程圖

當站場道岔數量多，連結復雜，且進路較多時，采用拋棄算法對計算效率的提高非常顯著。

4.3 電臺查詢技術方案 無線調車燈顯設備系統，實現了無線通話、控制機車起停和速度。中國鐵路總公司相關文件嚴格規范和限制了電臺上信令按鈕的設置和使用，使用者必須遵守。本文研發的替代系統既不能改變調車作業方法，又不能增加作業人員負擔，還要適應電臺由模擬向數字制式的轉換。對于模擬電臺，受調車電臺組合鍵的啟發，這里定義了側面通話鍵組合的協議，在規定時間內斷續按壓幾次，即可發出查詢指令。對于數字電臺，如果電臺廠家開放了側面鍵通訊協議，則可在此基礎上開發側面鍵查詢功能；如果電臺廠家不開放側面鍵通訊協議，則可采取增加原有信令板通訊功能的方法并將其連接側面鍵，供進路查詢使用。

5 推廣與應用

無聯鎖區域調車進路確認裝置目前已在廣州局集團公司近30個車站運用，并推廣到上海局、昆明局部分車站。該裝置使用效果良好。以廣州車務段為例，應用該裝置后，基本上消除了調車事故的發生。

使用本裝置，改造一付道岔的花費只需6～8萬元，且可利用調車間隙施工，對日常調車作業影響極小；同時不增加調車人員所攜帶的燈顯設備。與電氣集中改造每付道岔要30～60萬元的投入相比，本裝置的經濟效益非常明顯，具有廣闊的推廣應用前景。