機車調車作業安全監測控制系統設計研究

馬勇，劉軍，王秉乾，沈得智，高翔

（中國鐵路青藏集團公司，青海 西寧 841001）

安全是鐵路運輸的永恒主題。近年來，隨著鐵路裝備技術的革新和安全管理水平的提高，有效地保障了機車在擔當列車牽引任務過程中的行車安全，基本杜絕了列車運行過程中的行車安全事故。

但在調車作業方面，存在本務機車出入段、單機走行及中間站調車作業時，由于既有車載設備不具備通過軌道電路直接獲取調車信號的條件，不能有效地實現調車作業的安全監測和控制，作業過程完全依靠“人控”，缺乏可靠的技防手段。據統計，調車作業冒進信號、擠道岔、越出站界、撞軋脫軌器、電力機車進入無網區等事故，占機務事故的90%以上，調車作業成為機務安全的“重災區”。

本務機車調車作業已成為機務行車安全的“短板”，也是機務安全風險防控難點和盲區，除了健全管理制度、提高人員素質、強化現場盯控等傳統的管理手段外，依托既有的裝備，研發專門針對本務機車調車作業的安全監測控制系統，實現本務機車出入段、單機走行及中間站調車作業時由“人控”變為“機控”，構建“人防、物防、技防”三位一體的安全保障體系，具有十分重要的意義。

1 研究思路

1.1 本務機車調車作業安全控制的難點

本務機車調車作業安全控制的難點有三個方面：一是解決機車在站場內定位問題，特別是移動機車在車站及機務段內的準確定位；二是解決地面調車信號的接收問題，要實現機車運行前方調車信號的準確接收；三是解決全站場數據的預置問題，實現機車對站場基本線路及特殊地段、地點的絕對控制。

1.2 研究設計原則

一是充分利用既有LKJ、TDCS 設備，縮短系統開發周期，避免設備重復投資；對于調車防護控制信息來源，通過接入CTC/TDCS 系統且通過無線通信網絡將采集的聯鎖信息發送至車載，用于車載調車作業監測控制。

二是利用高精度的北斗差分定位技術，提高系統定位精度和控制功能的可靠性，同時減少乘務員操作。

三是符合網絡安全的需要，具備較高的可靠性和安全性。

2 設計思路及總體方案

2.1 主要設計思路

在干線機車上研究開發一種基于地面關鍵地點防護，并利用BD 差分輔助定位以及GSM-R/4G 無線網絡通訊等手段，實現機車調車作業安全監測和控制的系統。車載主機內預置防控點坐標信息及基本站場數據信息，通過接收LKJ 位移信息、BD 定位對站場內機車進行準確定位及信號控制，在機車調車狀態駛向關鍵地點或關閉的調車信號，車載裝置自動啟動速度防護模式和進路防冒模式；將機車實時定位信息與預置好的防控點定位信息進行比對，結合LKJ 制動控制算法處理后給出允許速度和實時距離，可以在預警點和絕對停車點輸出控車信號，防止發生調車安全事故。該系統具有如下功能。

2.1.1 車載設備的防護控制功能

通過TDCS 或機務段股道自動化系統實時獲取站場地面調車信號，由車載設備實現對調車信號的防冒進控制；車載設備能夠準確判斷本務機車位置，實現對站界、土擋停車點的安全防護，特殊限速的防超速控制。系統控制功能主要集中在地面系統實現，降低車載設備的復雜度。

2.1.2 提供直觀的站場調車信息

系統具備向司機提供本務機車在站場或機務段線路上直觀的位置信息，向司機提供站場圖和前方調車進路上的調車信號狀態、道岔方向、軌道區段占用出清、防護點位置、安全防護限速曲線等實時狀態信息。

2.2 總體方案

2.2.1 系統組成

機車調車作業安全監測控制系統系統應由車載子系統、站場地面系統和運用維護管理子系統組成，如圖1 所示。

圖1 系統總體示意圖

2.2.2 硬件總體方案

（1）車載設備：車載部分由調防主機、定位組合天線組成，并通過CAN 隔離通信與LKJ 進行連接，顯示器利用既有LKJ 屏幕（如圖2）。車載系統完成機車位置的實時跟蹤計算，根據防護目標實時計算限制運行速度，確保機車調車作業過程不超速、不越過關閉信號、不沖撞土擋和不越出站界，同時，實時下傳機車所在位置。

圖2 車載設備示意圖

調防主機主要由電源板、LKJ 接口板、備用（數據換裝板）以太網板、BDS 定位板、通信板、定位組合天線組成。

（2）地面設備。由地面中心設備、衛星地基參考站和查詢終端組成。如圖3 所示。

①地面中心設備主要包括系統服務器、終端設備及網絡接口設備。系統服務器由行車許可運算服務器、通信服務器、BDS 差分服務器、站場信息接口服務器、地圖服務器、查詢服務器、運維服務器等應用組成。

②衛星地基參考站由主機和天線兩部分組成。其中主機由電源模塊、定位模塊和通信模塊組成。

③查詢終端具備機車運用狀態實時跟蹤等功能。

圖3 地面設備示意圖

（3）硬件資源優化創新。

①機車站場安全防護，首先要進行位置跟蹤。系統通過與LKJ 的高度融合，通過不增加位移采集設備硬件的基礎上，通過CAN 總線實時獲取LKJ 的位移信息。

②針對機務段內股道自動化設備，增加了信息接收采集模塊，通過專用采集設備，自動計算機車在機務段內的位置。

③在為了使乘務員可以方便地了解前方信號狀態及其他機車的運行情況，而又不給乘務員增加負擔的考慮下，系統復用了LKJ 的顯示屏，通過LKJ 顯示屏可以直接將站場信息和前方跟蹤信號信息進行顯示。

2.2.3 軟件總體方案

（1）車載軟件。主要是主機軟件（包括主控、通信、定位插件軟件）和LKJ 軟件。LKJ 軟件包括實現調車作業安全控制的基本控制軟件和復用的LKJ 屏幕顯示器軟件。

①主機軟件：存儲各站場基本信息，通過電臺插件獲取站場實時狀態信息，利用定位插件的精確定位信息或屏幕顯示器提供的人工定位信息，實現機車的定位跟蹤功能；向LKJ 發送前方進路上的防控信息，實現最終的安全控制。

②LKJ 軟件：存儲站場基本數據信息，通過CAN 總線實時獲取站場設備狀態信息，即時接收主機發送的前方信號編號、狀態、距離、車位等安全控制信息。站場設備狀態信息及安全控制信息全部LKJ 顯示器上復示，便于乘務員較為直觀、清楚的掌握。

（2）地面軟件。主要有行車許可運算服務器軟件、BDS差分服務器軟件、站場信息接口服務器軟件、通信服務器軟件等。

①行車許可運算服務器軟件根據機車位置、綜合站場地圖、TDCS/CTC 系統實時信息綜合計算生成調車進路信息和調車防護信息。

②BDS 差分服務器軟件接收地面衛星地基參考站發送的差分數據，為車載設備提供一定區域的衛星差分數據，車載設備利用差分數據修正位置誤差，實現機車的精確定位（分米級）。

③站場信息接口服務器軟件與TDCS/CTC 系統、機務段股道管理自動化系統進行接口，從站場信息系統獲取進路、軌道電路和信號狀態等信息，并轉換成本系統特定的數據格式后發送給行車許可運算服務器。

④通信服務器軟件主要進行鐵路數據網、M-GRIS 和MTUP網絡間的數據傳輸管理，并負責機車接入認證及鑒權管理。

2.3 主要控制功能

防止機車調車作業越出站界；防止機車調車作業超過規定限速；防止機車調車作業越過前方關閉的調車信號機；防止機車調車作業進入接觸網無網區；監控機車在盡頭線以規定的安全距離內停車；監控機車以不超過規定的限速進入存車股道；監控機車以不超過道岔限速越過對應道岔；提示司機在脫軌器、一度停車標、專用線大門、道口等關鍵地點注意運行；非集中區調車作業安全風險點控制功能。

2.3.1 白燈信號控制

系統接收到的進路信息中機車運行前方調車信號為白燈時，監控機車以不超過40km/h 的速度運行。

2.3.2 禁止信號防護

系統接收到的進路信息中機車運行前方信號機為禁止信號時，系統按照前方信號機前停車來計算產生控制模式曲線并監控車列運行。

在關閉的信號機前，當機車運行速度和前端距該信號機距離滿足設定的距離和速度條件時，司機按規定方法操作后，系統監控機車接近該信號機。

當機車在關閉的信號機前停車后，司機規定方法操作后，系統按固定模式限速值監控機車越過該信號機。

2.3.3 站界防護

系統接收的進路信息中前方進路存在站界防護點時，以站界位置為控制目標點計算產生控制模式曲線，監控機車運行至站界前停車；需要越過站界時，司機按特定操作后可越過站界。

2.3.4 車檔、接觸網無網區防護

系統接收的進路信息中，前方進路為盡頭線、接觸網無網區時，以車載數據設置的限速值確定為固定模式限速值監控機車運行。

機車在接近車檔、接觸網終點前，系統以盡頭線車擋、無網區為停車的控制目標點計算產生控制模式曲線并監控機車在防控點前停車。

機車在盡頭線車擋防護點前，司機按規定方法操作后，裝置以6km/h 確定為固定模式限速值監控機車接近盡頭線車擋防護點。

2.3.5 道岔、線路限速控制

系統接收的進路信息中表示前方進路中存在需要限速的道岔或線路時，以道岔或線路起始位置為控制目標點計算產生控制模式曲線，并以道岔、線路最低限速值確定為固定模式限速值監控機車通過該區段。

2.3.6 顯示及報警功能

顯示前方信號機名稱及狀態；顯示距前方信號機和防護點的距離；復示站場圖信息，機車定位跟蹤，顯示機車在站場中的位置；報警功能，包括調車超速報警、故障報警、臨時限速超速報警等；安全提示功能，包括脫軌器、一度停車標、專用線大門、道口等關鍵地點等。

4 結語

“機車調車作業安全監測控制系統”于2018 年年初在中國鐵路青藏集團有限公司科研立項，2018 年年底完成了設計開發和實驗室測試，2019 年在西寧機務段DF4D、HXD1D、HXD1C、DF8B 型機車上裝車并試用，6 種防控功能已全部實現，實現了列車模式與調車模式信號防控的無縫銜接，達到了對機車一次任務的全過程安全監控。

青藏集團公司管內線路具有海拔高、線路長、調車作業點分散的特點，運用干部和指導司機對中間站調車作業現場盯控難度大，乘務員在高寒缺氧條件下，容易發生疲勞，調車作業中間斷瞭望、精力不集中的情況屢禁不止，因此， “機車調車作業安全監測控制系統”的開發和應用，得到了機務、運輸系統干部職工的較好評價，取得了良好的社會效應。

同時，該系統在設計時充分考慮了復雜站場施工變化、機車交路跨局輪乘等安全風險，只要實時更新相關站場數據，即可實現對調車作業、機車出入庫作業的防控功能，對全路各鐵路局集團公司的干線機車均有較大的推廣意義。