鐵水聯(lián)運(yùn)碼頭前沿車船直取車輛交接安全防護(hù)系統(tǒng)及方法

蔡家軍

(中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430074)

1 概述

鐵路專用線引入港口棧橋或碼頭前沿，集裝箱船舶裝載集裝箱靠泊碼頭，岸橋?qū)b箱船進(jìn)行裝卸船操作，岸橋吊車將集裝箱貨物直接從船舶轉(zhuǎn)運(yùn)到鐵路車輛上或由鐵路車輛直接轉(zhuǎn)運(yùn)到船舶，無需中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)和場(chǎng)內(nèi)集卡車等水平運(yùn)輸設(shè)備。由岸橋吊直接將集裝箱一次裝卸完成車船接駁，可以解決疏港鐵路“最后一公里”銜接不暢的問題，減少港口倒裝、減少搬運(yùn)次數(shù)，降低倒裝時(shí)間，降低接駁成本，由此構(gòu)建鐵水聯(lián)運(yùn)高效率綜合交通運(yùn)輸體系。

港口裝卸線直接利用港口棧橋碼頭平臺(tái)，在棧橋岸橋或門機(jī)走行軌之間設(shè)一條盡頭式裝卸線。引入鐵路裝卸線上碼頭，新鋪設(shè)鐵路軌道覆蓋港口泊位，并利用碼頭吊裝設(shè)備進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)。鐵路作業(yè)線布置于岸橋起重機(jī)（岸橋）或門座起重機(jī)（門機(jī)）裝卸范圍內(nèi)，鋪設(shè)鐵路鋼軌作為裝卸線。集裝箱船舶裝載集裝箱靠泊碼頭，岸橋?qū)b箱船進(jìn)行裝卸船操作，岸橋吊車將集裝箱貨物直接從船舶轉(zhuǎn)運(yùn)到鐵路車輛上或由鐵路車輛直接轉(zhuǎn)運(yùn)到船舶，無需中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)和場(chǎng)內(nèi)集卡車等水平運(yùn)輸設(shè)備，降低集裝箱聯(lián)運(yùn)中轉(zhuǎn)時(shí)間，提高作業(yè)效率。

在該作業(yè)過程中鐵路調(diào)車機(jī)車用途是車站與港口裝卸線之間的取送車作業(yè)，不配備自動(dòng)化控制系統(tǒng)。鐵路調(diào)車機(jī)推送車輛進(jìn)入港口裝卸線后停在指定位置，調(diào)車機(jī)車摘鉤退出裝卸線離去。由具有精確定位功能的軌道牽引車在另一端連接車輛后，牽引鐵路車輛在港口前沿碼頭上前進(jìn)或后退，實(shí)施裝卸車輛在岸橋下精確定位移動(dòng)，配合岸橋快速裝卸作業(yè)。

岸橋及門座起重機(jī)裝卸集裝箱時(shí)，大車基本不做縱向移動(dòng)，吊具小車在船舶與車輛之間橫向移動(dòng)裝卸集裝箱；鐵路車輛在軌道牽引車的帶動(dòng)下沿著裝卸線縱向移動(dòng)，待裝卸車輛與岸橋保持相對(duì)定位，每作業(yè)完一組集裝箱后，軌道牽引車推動(dòng)集裝箱車輛前進(jìn)或后退一個(gè)集裝箱箱位，并與岸橋吊具對(duì)位，岸橋進(jìn)行下一鉤的車船裝卸作業(yè)。岸橋在船舶和鐵路車輛之間連續(xù)裝卸集裝箱。集裝箱裝卸岸橋、門吊設(shè)備橫向大車基本不需要移動(dòng)，提高了裝卸效率。

軌道牽引車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過牽引使裝卸編組車輛前進(jìn)后退與岸橋保持精確定位。整列車作業(yè)完后，軌道牽引車與裝卸車輛脫鉤分離，再由調(diào)車機(jī)車進(jìn)入裝卸線，連接鐵路車輛，牽引完成裝卸作業(yè)的集裝箱車列駛離碼頭，集裝箱車船直取裝卸作業(yè)完成。

圖1 碼頭前沿車船直取車輛交接示意圖Fig.1 Schematic diagram of vehicle handover at wharf apron

如圖1所示，基于鐵路裝卸線引入到港口碼頭棧橋或碼頭前沿，由軌道牽引車牽引車輛移動(dòng)定位配合岸橋?qū)崿F(xiàn)車船直取裝卸作業(yè)模式下，提出一種控制軌道牽引車與取送車調(diào)車機(jī)車的車輛安全交接的系統(tǒng)和方法。車地安全控制系統(tǒng)與港口棧橋上軌道牽引車聯(lián)動(dòng)，建立一套軌道牽引車與調(diào)車機(jī)車安全接駁業(yè)務(wù)流程和控制系統(tǒng)，保障港口碼頭上軌道牽引車與鐵路取送調(diào)車機(jī)的車輛交接作業(yè)安全。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

鐵水聯(lián)運(yùn)軌道牽引車的車地安全防護(hù)系統(tǒng)由地面信號(hào)防護(hù)子系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)，區(qū)段檢測(cè)子系統(tǒng)、室內(nèi)監(jiān)控子系統(tǒng)組成。如圖2所示。

圖2 軌道牽引車車輛交接安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Vehicle handover safety protection system structure diagram

地面信號(hào)防護(hù)子系統(tǒng)由防護(hù)信號(hào)機(jī)D1、D2及信號(hào)控制器組成，用于防護(hù)裝卸線作業(yè)區(qū)域的岸橋、門吊、裝卸車輛和軌道牽引車不受外來機(jī)車車輛沖撞，防護(hù)調(diào)車機(jī)車在取送車過程中不受軌道牽引車的沖撞，指揮調(diào)車機(jī)車及車輛進(jìn)入港口作業(yè)區(qū)的時(shí)機(jī)。

區(qū)段檢測(cè)子系統(tǒng)由設(shè)在港口碼頭作業(yè)區(qū)的分界L1處的計(jì)軸或軌道電路，L3機(jī)窩B處的牽引車定位裝置（計(jì)軸或行程開關(guān)）組成，用于檢測(cè)調(diào)車機(jī)車、裝卸車輛、軌道牽引車在港口作業(yè)區(qū)的區(qū)段位置定位。

監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)置于港口機(jī)房?jī)?nèi)，設(shè)有防護(hù)信號(hào)機(jī)控制電路、區(qū)段定位監(jiān)測(cè)裝置、機(jī)車車輛車號(hào)信息交換設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)用于地面信號(hào)防護(hù)子系統(tǒng)、調(diào)車機(jī)車、軌道車輛、軌道牽引車定位系統(tǒng)與軌道牽引車車載子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交換，控制系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)流程，保證港口棧橋上軌道牽引車與鐵路調(diào)車機(jī)車在作業(yè)中相互不發(fā)生沖撞，確保作業(yè)安全。

軌道牽引車車載子系統(tǒng)用于控制軌道牽引車運(yùn)行，從而牽引鐵路集裝箱車輛運(yùn)行；收集軌道牽引車的各種狀態(tài)信息，通過車載通信系統(tǒng)與防護(hù)控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。接受并執(zhí)行監(jiān)控子系統(tǒng)的防護(hù)指令。

3 系統(tǒng)設(shè)置方案

為保障調(diào)車車輛與軌道牽引車安全，在碼頭前沿港口棧橋作業(yè)區(qū)設(shè)置安全防護(hù)系統(tǒng)，避免調(diào)機(jī)車輛與軌道牽引車出現(xiàn)安全事故，調(diào)車機(jī)和軌道牽引車在固定位置交接車輛。

1）調(diào)度信息交換系統(tǒng)

鐵路港灣站調(diào)度系統(tǒng)與港口調(diào)度系統(tǒng)有信息交換系統(tǒng)，用于交換港口與鐵路之間的貨物、裝卸車作業(yè)計(jì)劃和實(shí)時(shí)作業(yè)進(jìn)度信息。車站調(diào)度與港口調(diào)度間的信息交換系統(tǒng)可以是專用網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)、手動(dòng)傳輸交換，人工語音通信交換，紙質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)、傳真、圖像信息交換。

2）港灣站出站口端區(qū)段監(jiān)測(cè)裝置

設(shè)置檢測(cè)鐵路機(jī)車車輛進(jìn)入退出港口專用線的區(qū)段檢測(cè)裝置，檢測(cè)鐵路車站向港口駛?cè)搿Ⅰ偝龈蹫痴玖熊嚒⒄{(diào)車機(jī)車、車列的時(shí)機(jī)。檢測(cè)到的信息通過調(diào)度信息交換系統(tǒng)傳遞給港口調(diào)度系統(tǒng)。

出站口區(qū)段監(jiān)測(cè)裝置可以是信號(hào)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，軌道電路裝置，軌道計(jì)軸監(jiān)測(cè)裝置，車輪傳感器，車號(hào)識(shí)別裝置，也可以是人工判斷方式。

3）港區(qū)作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)

港區(qū)作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)置港口作業(yè)防護(hù)區(qū)域，防護(hù)范圍由3段組成L1、L2、L3：防護(hù)區(qū)長(zhǎng)度L1，鐵路裝卸線棧橋邊緣至走行線防護(hù)區(qū)邊界的長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)裝卸車列的最大長(zhǎng)度；港口碼頭前沿裝卸線長(zhǎng)度L2，L2裝卸區(qū)長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)裝卸區(qū)車列（含牽引車）的最大長(zhǎng)度的2倍，即碼頭前沿（或棧橋）裝卸線長(zhǎng)度是車列最大長(zhǎng)度的2倍（不含機(jī)窩）；機(jī)窩B長(zhǎng)度L3是軌道牽引車車體長(zhǎng)度及制動(dòng)距離之和，如圖3所示。

在港區(qū)作業(yè)防護(hù)區(qū)走行線L1入口端（邊界），設(shè)置區(qū)段檢測(cè)裝置（車輪傳感器或計(jì)軸器或軌道電路）檢測(cè)車輛出入L1區(qū)段，或利用港口調(diào)度系統(tǒng)設(shè)在此處的車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，檢測(cè)調(diào)車機(jī)車和車輛進(jìn)入和退出港口作業(yè)防護(hù)區(qū)L1的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

L1邊界處設(shè)有面向港口外側(cè)的防護(hù)信號(hào)機(jī)D1，用于防止外來的調(diào)車機(jī)車、車輛在港口裝卸線車船直取作業(yè)過程中對(duì)裝卸機(jī)具、車輛和牽引車引起的可能沖撞進(jìn)行防護(hù)。

圖3 車輛交接安全防護(hù)系統(tǒng)布置圖Fig.3 Vehicle handover safety protection system layout

在港口碼頭前沿裝卸線入口處（L1、L2分界）設(shè)置停車標(biāo)，鐵路調(diào)車機(jī)車在L1區(qū)段停車標(biāo)處停車，車輛停在L2區(qū)段內(nèi)交接車輛。入口處區(qū)段檢測(cè)裝置（車輪傳感器、計(jì)軸器、軌道電路），檢測(cè)L1區(qū)段是否有車占用。

停車標(biāo)前方可以設(shè)置為軌道牽引車平時(shí)停車位，即機(jī)窩A，機(jī)窩可以設(shè)置在碼頭前沿裝卸線入口端（機(jī)窩A）或盡頭端（機(jī)窩B），盡頭端的機(jī)窩為機(jī)窩B，機(jī)窩A不影響港口棧橋上集卡車和岸橋作業(yè)通行。機(jī)窩B設(shè)置位置也盡量不影響港口碼頭前沿作業(yè)。

停車標(biāo)外方裝卸車輛作業(yè)區(qū)域L1設(shè)防護(hù)邊界，防護(hù)邊界為碼頭前沿入口外延一列設(shè)計(jì)最大裝卸車列（含牽引車）的長(zhǎng)度；調(diào)車機(jī)及車列車輛需根據(jù)防護(hù)信號(hào)機(jī)D1的顯示是否允許通過或在D1信號(hào)機(jī)前停車。防護(hù)信號(hào)機(jī)D1亮禁止燈光，禁止調(diào)車機(jī)車和攜帶的車輛進(jìn)入裝卸區(qū)，需在防護(hù)信號(hào)機(jī)前方停車；防護(hù)信號(hào)機(jī)D1亮允許燈光，允許調(diào)車機(jī)車推送車輛進(jìn)入裝卸線作業(yè)區(qū)。在D1信號(hào)機(jī)處設(shè)置L1區(qū)段檢測(cè)裝置（車輪傳感器或計(jì)軸器）或車號(hào)識(shí)別裝置，監(jiān)測(cè)調(diào)車機(jī)車和車輛進(jìn)出港口。

在港口碼頭前沿裝卸線盡頭裝設(shè)車檔，車檔前20 m處機(jī)窩B。

機(jī)窩B與裝卸線L2的交界處設(shè)置機(jī)窩牽引車位置區(qū)段檢測(cè)裝置B（計(jì)軸器B、軌道電路或行程開關(guān)），用于檢查機(jī)窩B處軌道牽引車的空閑與占用信息。機(jī)窩B處L3空閑，表示軌道牽引車處于作業(yè)狀態(tài)或在機(jī)窩A待命，機(jī)窩B處占用，表示軌道牽引車在L3安全區(qū)域。

在裝卸線與機(jī)窩B交界處設(shè)置有面向機(jī)窩B的防護(hù)信號(hào)機(jī)D2，用于防護(hù)調(diào)車機(jī)車在裝卸線取送車作業(yè)，防止?fàn)恳囃瑫r(shí)對(duì)向移動(dòng)引起的沖撞危險(xiǎn)。

為保障行車安全，在港口碼頭前沿設(shè)置行車安全控制系統(tǒng)，避免調(diào)車機(jī)及車列與棧橋軌道牽引車出現(xiàn)安全事故。

調(diào)車機(jī)車與軌道牽引車在裝卸線機(jī)車停車標(biāo)碼頭前沿一側(cè)L2固定區(qū)域交接車列車輛。

4 系統(tǒng)安全防護(hù)方法及流程

基于上述鐵水聯(lián)運(yùn)車輛交接安全防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)鐵水聯(lián)運(yùn)車輛交接安全防護(hù)方法流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示，具體如下。

初始狀態(tài)軌道牽引車停在L1區(qū)段機(jī)窩A處，L3機(jī)窩B空閑，D1防護(hù)信號(hào)燈點(diǎn)禁止燈光，禁止港灣站調(diào)車機(jī)車及車輛進(jìn)入港口碼頭前沿裝卸作業(yè)區(qū)。

調(diào)度指揮系統(tǒng)下達(dá)作業(yè)命令，調(diào)車機(jī)推送鐵路車列從港灣站出發(fā)。港灣站出站外方設(shè)置有出站口區(qū)段監(jiān)測(cè)裝置，從港灣站出發(fā)的調(diào)車機(jī)經(jīng)過出站口區(qū)段監(jiān)測(cè)裝置，出站口區(qū)段檢測(cè)裝置識(shí)別有車即將進(jìn)入港口碼頭前沿作業(yè)區(qū)，鐵路車站調(diào)度系統(tǒng)向港口調(diào)度系統(tǒng)報(bào)告實(shí)施港口調(diào)車取送作業(yè)。港口調(diào)度系統(tǒng)向車輛安全防護(hù)控制系統(tǒng)下達(dá)調(diào)車取送作業(yè)開始通知。

安全防護(hù)控制系統(tǒng)接收到車號(hào)識(shí)別或車站出口區(qū)段檢測(cè)裝置有調(diào)車機(jī)車及車輛即將進(jìn)入港區(qū)碼頭前沿作業(yè)區(qū)的信息后指令軌道牽引車向盡頭線車檔L3區(qū)段機(jī)窩B行進(jìn)。軌道牽引車從L1區(qū)段機(jī)窩A處行駛至L3區(qū)段機(jī)窩B處，區(qū)段檢測(cè)裝置檢測(cè)軌道牽引車到達(dá)L3區(qū)段機(jī)窩B處，L3區(qū)段機(jī)窩B區(qū)段處此時(shí)為占用狀態(tài)，監(jiān)控子系統(tǒng)指令信號(hào)防護(hù)控制子系統(tǒng)D1防護(hù)信號(hào)燈點(diǎn)亮允許燈光，允許調(diào)車機(jī)車及車輛推送鐵路車列進(jìn)入港口碼頭前沿裝卸作業(yè)區(qū)。

調(diào)車機(jī)車及車輛接收到D1防護(hù)信號(hào)燈點(diǎn)亮允許燈光信號(hào)，調(diào)車機(jī)車推送車列駛?cè)胙b卸作業(yè)區(qū)行駛到L1、L2區(qū)段分界機(jī)車停車標(biāo)處（即接駁點(diǎn)）停車（車輛全部位于碼頭前沿裝卸線L2區(qū)段內(nèi)，調(diào)車機(jī)車位于或部分位于走行線L1區(qū)段內(nèi)）。區(qū)段檢測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到調(diào)車機(jī)車及車輛進(jìn)入L1、L2區(qū)段，向安全防護(hù)系統(tǒng)報(bào)告L1有調(diào)車機(jī)車存在，安全防護(hù)系統(tǒng)指令D2顯示禁止信號(hào)，指令軌道牽引車在L3區(qū)段停車并禁止移動(dòng)，防護(hù)調(diào)車機(jī)車作業(yè)。

調(diào)車機(jī)車與鐵路車列摘鉤，離開走行線L1，反方向越過D1防護(hù)信號(hào)機(jī)，L1區(qū)段空閑，向安全控制系統(tǒng)報(bào)告調(diào)車機(jī)車離開港口防護(hù)區(qū)L1區(qū)段。調(diào)車機(jī)返回港灣站等待鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)下達(dá)的作業(yè)指令。

圖4 車輛交接安全防護(hù)系統(tǒng)作業(yè)流程Fig.4 Operation process of vehicle handover safety protection system

軌道區(qū)段檢測(cè)裝置檢測(cè)到L1空閑，安全控制系統(tǒng)下達(dá)D2開放信號(hào)指令，D2防護(hù)信號(hào)機(jī)顯示允許信號(hào)，允許軌道牽引車進(jìn)入裝卸線接駁區(qū)進(jìn)行車列牽引裝卸作業(yè)，軌道牽引車接收到作業(yè)指令后，進(jìn)入裝卸區(qū)L2并與鐵路車列連接，牽引或推送鐵路車列在港口棧橋作業(yè)區(qū)裝卸線作業(yè)，L3區(qū)段機(jī)窩B區(qū)段空閑，監(jiān)控系統(tǒng)控制D1防護(hù)信號(hào)燈點(diǎn)亮禁止燈光，此時(shí)禁止調(diào)車機(jī)車及車輛進(jìn)入裝卸作業(yè)區(qū)L1、L2區(qū)段。

軌道牽引車牽引鐵路車輛在港口碼頭前沿L1、L2區(qū)域運(yùn)行，與岸橋裝卸作業(yè)配合運(yùn)行，從港口停泊的船舶上轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱。集裝箱車列裝卸完畢，軌道牽引車推送鐵路車列至接駁點(diǎn)（占用L1、L2區(qū)段），并與鐵路車列摘鉤。軌道牽引車行駛到盡頭線L3區(qū)段機(jī)窩B處，區(qū)段檢測(cè)裝置檢測(cè)軌道牽引車已到L3區(qū)段機(jī)窩B處，機(jī)窩B處L3區(qū)段為占用信號(hào)， 監(jiān)控子系統(tǒng)控制防護(hù)信號(hào)燈D1點(diǎn)亮允許燈光，允許調(diào)車機(jī)車進(jìn)入港口裝卸作業(yè)區(qū)。

調(diào)車機(jī)車接收調(diào)度指揮系統(tǒng)命令，進(jìn)入港口棧橋作業(yè)區(qū)牽引集裝箱車列。此時(shí)D1防護(hù)信號(hào)燈點(diǎn)允許燈光信號(hào)，允許調(diào)車機(jī)車越過D1信號(hào)機(jī)，進(jìn)入港口裝卸作業(yè)區(qū)L1區(qū)段并與鐵路車列連接，此時(shí)D2顯示禁止燈光，禁止軌道牽引車離開L3區(qū)段機(jī)窩B。調(diào)車機(jī)車牽引鐵路車列離開L1、L2區(qū)段返回港灣站。

調(diào)車機(jī)車及車列離開裝卸作業(yè)區(qū)，牽引鐵路車列離開L1區(qū)段返回港灣站，L1區(qū)段空閑，安全控制系統(tǒng)指令D2防護(hù)信號(hào)機(jī)顯示允許信號(hào)，允許軌道牽引車離開L3區(qū)段機(jī)窩B。軌道牽引車完成一次港口集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)任務(wù)后，軌道牽引車可以從機(jī)窩B處返回至機(jī)窩A處（即機(jī)窩位）停車, 等待下次作業(yè)。位置監(jiān)測(cè)子檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出機(jī)窩B處L3區(qū)段空閑，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)向信號(hào)防護(hù)子系統(tǒng)下達(dá)指令，D1防護(hù)信號(hào)燈顯示禁止燈光，禁止調(diào)車機(jī)車及車輛駛?cè)敫劭诖a頭前沿作業(yè)區(qū)。

系統(tǒng)中的區(qū)段監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)還可以采用由設(shè)在港口碼頭作業(yè)區(qū)的分界處鐵路車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，軌道牽引車上的車載GPS/BDS接收機(jī)定位裝置組成，用于檢測(cè)調(diào)車機(jī)車、裝卸車輛、軌道牽引車在港口作業(yè)區(qū)的區(qū)段位置定位。GPS/BDS接收機(jī)通過通信網(wǎng)絡(luò)與位置檢測(cè)子系統(tǒng)連接, 用來檢查機(jī)窩處軌道牽引車的空閑與占用信息。GPS/BDS民用碼精度誤差可以滿足軌道牽引車區(qū)段檢測(cè)精度要求。采用差分定位技術(shù)直接計(jì)算列車在三維空間坐標(biāo)系中的絕對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)，再結(jié)合軌道電子地圖進(jìn)行相應(yīng)的換算即可得到列車在線路中的具體位置。

5 結(jié)束語

鐵水聯(lián)運(yùn)碼頭前沿車船直取車輛交接安全防護(hù)系統(tǒng)可以解決港口作業(yè)區(qū)軌道牽引車與取送車調(diào)機(jī)機(jī)車的協(xié)同作業(yè)安全防護(hù)問題，保障鐵水聯(lián)運(yùn)的安全運(yùn)行。隨著中國(guó)鐵水聯(lián)運(yùn)的蓬勃發(fā)展，研究鐵水聯(lián)運(yùn)車船直取車輛交接安全防護(hù)問題, 將為后續(xù)工程提供參考和幫助。