路權(quán)切換場景下鐵路道口控制方案研究

宋文婷

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

鐵路道口是指鐵路線路上路面寬度在2.5 m 及以上，直接與道路貫通的平面交叉[1]。2013 年發(fā)布的《鐵路道口管理辦法》中規(guī)定“既有鐵路與道路的平面交叉應(yīng)逐步改為立體交叉。新建、改建鐵路原則上不設(shè)置平面交叉”[2]。目前中國國家鐵路集團公司管轄范圍內(nèi)的鐵路平交道口數(shù)量正逐年減少，但是在一些礦企、港區(qū)的自管自維專用線項目中，受地形條件、施工難度、工程投資等因素的影響，公路、鐵路交叉部分仍會采用平交道口[3]。此外，一些海處項目也會有平交道口的設(shè)置需求[4]。

道口在鐵路運輸中是一個比較特殊的存在，是整個交通網(wǎng)絡(luò)中鐵路和公路唯一存在路權(quán)沖突的區(qū)域。從保證鐵路運輸效率、保障列車運行安全的角度，公鐵平交道口信號系統(tǒng)的控制方案一直遵循鐵路路權(quán)優(yōu)先的原則。本文根據(jù)鐵路區(qū)間道口信號設(shè)備技術(shù)條件，結(jié)合實際建設(shè)項目新港專用線安順路道口設(shè)置需求，研究了一種特殊場景下鐵路路權(quán)優(yōu)先切換為公路路權(quán)優(yōu)先的道口信號系統(tǒng)控制方案。

1 方案需求

新港專用線是某市港區(qū)企業(yè)為實現(xiàn)鐵路水路聯(lián)運，從該市普鐵火車站接軌的一條企業(yè)專用鐵路線路，由企業(yè)進行本線內(nèi)的調(diào)度管理和設(shè)備設(shè)施維護。受普鐵火車站和港區(qū)企業(yè)地理位置限制，兩站間的區(qū)間線路與市內(nèi)主干道路安順路互相交叉。

考慮到此處車輛繁忙、人口相對密集，為保證車輛和行人的安全、提高道口防護的可靠性，需設(shè)置有人值守的平交道口信號控制系統(tǒng)。道口信號系統(tǒng)控制方案采用道口自動通知、道口自動信號及道口自動欄木，避免人工操縱失誤帶來的運輸影響。

安順路方向距道口300 m 左右的位置為本區(qū)的消防支隊所在地，參考建標(biāo)152—2017《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，消防隊出警應(yīng)在5 min 內(nèi)到達(dá)火災(zāi)所在的轄區(qū)邊緣[5]。因消防出警速度要求高，經(jīng)研究決定消防出警時鐵路列車運行需讓行公路消防車通行，無法讓行時最多影響出警時間不得超過30 s。因此本工程平交道口的控制方案需滿足平時以鐵路路權(quán)優(yōu)先、消防出警時以公路路權(quán)優(yōu)先的需求，實現(xiàn)特殊場景下的路權(quán)切換。

2 方案研究

2.1 道口條件及設(shè)備

新港專用線企業(yè)車站和國鐵普速車站間采用人工調(diào)度指揮方式，按調(diào)車模式進行接發(fā)車作業(yè)，區(qū)間無信號軌道電路。兩站間區(qū)間線路長度約為8.5 km，線路設(shè)計最高運行速度為40 km/h。安順路道口距普速車站約7 km，距港區(qū)車站約1.5 km，道口寬度為20 m。

道口鐵路方向設(shè)有遮斷信號機和遮斷預(yù)告信號機，公路方向設(shè)有聲光報警器、道口欄木，道口房內(nèi)設(shè)有道口控制箱、道口操縱盤、電源屏。本段線路沒有軌道電路，無法通過軌道區(qū)段占用條件來檢查列車接近和離去的信息，因此本方案采用設(shè)置列車檢測傳感器的方式，采集列車經(jīng)過的信息。

2.2 路權(quán)切換情景分析

在鐵路路權(quán)優(yōu)先的情況下，道口信號系統(tǒng)控制道口設(shè)備動作程序如下。

當(dāng)列車向道口方向運行，通過接近區(qū)段起點的檢測傳感器時，傳感器將列車經(jīng)過信息通過電信號傳給道口設(shè)備控制箱。

道口控制箱接收到報警命令后，自動觸發(fā)公路報警信號，聲光報警器開始閃紅燈并發(fā)出報警聲音，催促道口處的車輛和行人迅速通過。

設(shè)定時間后欄木自動落下，實現(xiàn)對公路通行的封鎖，等待鐵路列車的經(jīng)過。如遇特殊情況，道口值班員可及時按壓遮斷信號按鈕，鐵路方向上的遮斷信號機點紅燈，禁止鐵路列車通行，道口控制設(shè)備轉(zhuǎn)為人工控制模式操縱。

當(dāng)列車離去道口時，離去傳感器采集到列車尾部駛離的信息，道口控制箱控制聲光報警信號取消，欄木開放。

在基本控制方案的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)消防出警公路路權(quán)優(yōu)先的切換，需先判斷道口信號控制系統(tǒng)切換條件及切換時機，再進行相應(yīng)的道口設(shè)備動作控制。根據(jù)列車通過道口時運行過程的分析，道口控制系統(tǒng)收到消防出警的信息時，判斷鐵路列車通過緊急制動是否可以在遮斷信號機前停下，若可以則應(yīng)立即切換鐵路路權(quán)為公路路權(quán)，否則不做切換。

本次道口控制系統(tǒng)方案的特殊設(shè)計需要增加2 個電信號的采集條件，分別是消防出警信息和列車是否到達(dá)遮斷信號機外側(cè)緊急制動距離的信息，通過不同時間場景條件完成道口設(shè)備不同的控制策略。

安順路道口設(shè)備設(shè)置示意如圖1 所示。

圖1 安順路道口設(shè)備設(shè)置示意圖

在接收到消防出警信息的情況下，情景分析及道口設(shè)備動作程序如下。

情景一：道口控制箱處理器接收到消防出警信息時，未接收到列車接近報警信息，道口控制箱控制鐵路方向遮斷信號機點紅燈。道口值班員注意觀察消防出警情況，待消防車通過道口后，若還未出現(xiàn)列車接近報警，則道口值班員按壓復(fù)原按鈕，道口設(shè)備恢復(fù)正常狀態(tài)；若已收到列車接近報警，此時聲光報警信號已響起，道口處車輛和行人正在快速通過。此場景下列車司機先看到遮斷預(yù)告信號機點黃燈，知道前方道口有特殊情況，列車司機會采取常用制動措施使列車在遮斷信號機前方停車，等待通行指令。道口值班人員確認(rèn)道口內(nèi)無行人車輛后，人工控制欄木落下，取消遮斷信號機顯示，恢復(fù)鐵路列車通行。

情景二：道口控制箱處理器接收到消防出警信息時，已收到列車接近報警信息，但未收到列車到達(dá)緊急制動點的信息，道口控制箱控制鐵路方向遮斷信號機點紅燈。道口值班員注意觀察消防出警情況，此時聲光報警信號已響起，道口處車輛和行人正在快速通過。此場景下列車司機未看到遮斷預(yù)告信號機點黃燈，通過后看到遮斷信號機點紅燈，列車司機會采取緊急制動措施在遮斷信號機前方停車等待。道口值班員在觀察待消防車通過道口后，確認(rèn)道口內(nèi)無行人車輛，人工控制欄木落下，取消遮斷信號機顯示，恢復(fù)鐵路列車通行。

情景三：道口控制箱處理器接收到消防出警信息時，已收到列車通過了緊急制動點，此時列車即將到達(dá)道口或正在通過道口，維持道口設(shè)備動作不變，按照預(yù)定的動作程序執(zhí)行。

2.3 設(shè)備位置

按照鐵路區(qū)間道口設(shè)備技術(shù)條件，自動欄木設(shè)置點為距最近鋼軌3～5 m，本方案中欄木和道口信號機按距近側(cè)鋼軌5 m 設(shè)置，鐵路運行方向上遮斷信號機設(shè)置在距離道口邊緣50 m 處。在接近區(qū)段起點設(shè)置遮斷預(yù)告信號機和接近傳感器1，在緊急制動區(qū)段起點設(shè)置制動傳感器2，在道口邊界外側(cè)10 m 位置設(shè)置出清傳感器3。

2.3.1 接近通知時間的確定

列車接近通知時間

式中：l1為公路方向兩道口信號機之間距離，取值為10 m；l2為道路車輛確認(rèn)信號顯示的最小距離，取值為5 m；l3為道路車體長度，機動車取值為22 m，牛、馬車取值為7 m；t1為道路車輛以規(guī)定最低速度通過道口（在列車接近通知開始，保證使已經(jīng)闖入道口的車輛能完全出清道口）的時間，單位為s；t2為道口欄木關(guān)閉動作時間，取值為10 s；t3為司機采取緊急制動確認(rèn)時間，取值為5 s；vd為車輛通過道口的規(guī)定最低速度，非機動車輛取5 km/h，機動車輛取10 km/h[1]。

計算可得

本方案中T 按大數(shù)取整為31 s。

2.3.2 列車緊急制動距離的確定

列車緊急制動距離按照適用于任何鐵路貨車和任何線路條件的原則，計算得出的各項數(shù)據(jù)為臨界點的最大值，確保列車運行安全。

參照TG 01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（普速鐵路部分）[6]，速度120 km/h 及以下的列車制動距離不得超800 m，按照司機緊急確認(rèn)時間為5 s，則該速度下列車實際操作制動距離為

根據(jù)

計算可得列車由120 km/h 的速度制動到0，制動加速度a=-0/88 m/s2；因此鐵路貨車制動加速度至少應(yīng)滿足a=-0/88 m/s2的條件。

在本工程中v0=40 km/h，計算可得列車緊急制動距離為S制動=70 m。

2.3.3 接近區(qū)段長度的確定

式中：vg為列車在接近區(qū)段內(nèi)運行的最高速度，vg取值為40 km/h；L1為道口中心到遮斷信號機的長度，L1取值為60 m；L2為列車緊急制動長度，L2取值為70 m。

計算可得

接近傳感器1 設(shè)置在接近區(qū)段的起點，因此接近傳感器1 設(shè)置在道口中心474 m 的位置。

2.3.4 緊急制動傳感器2 位置的確定

緊急制動傳感器2 設(shè)置需考慮列車司機收到制動命令后的反應(yīng)時間，按司機接收到制動指令后反應(yīng)時間為5 s 計算，列車采取緊急制動后應(yīng)在鐵路遮斷信號機前停下。

因此緊急制動傳感器2 設(shè)置在距離鐵路遮斷信號機126 m 的位置，則距道口中心距離為186 m。

2.4 控制邏輯設(shè)計

道口信號控制系統(tǒng)的設(shè)計定型產(chǎn)品從接近點式報警的DX3 型[7]慢慢過渡到模塊化的道口信號設(shè)備，目前各道口控制處理器多采用模塊化的電路板，具有列車接近、離去的實時檢測，并預(yù)留信號DI 輸入與DO輸出控制接口[8]。道口主機內(nèi)CPU 主板可接收各傳感器板、DI 輸入板的電信號并進行邏輯處理，將運算結(jié)果輸出至室外控制單元。在道口控制設(shè)備安裝時設(shè)置好控制系統(tǒng)程序，實現(xiàn)道口設(shè)備的自動控制。

常規(guī)的道口控制處理器通常以鐵路路權(quán)優(yōu)先來設(shè)置道口控制邏輯，不滿足本工程中道口信號控制方案需實現(xiàn)公鐵路權(quán)切換的特殊需求。根據(jù)前文情景分析，本次道口信號系統(tǒng)方案的特殊設(shè)計在于道口控制處理器的輸入信息中增加列車經(jīng)過緊急制動區(qū)段起點的信息和消防出警的信息。緊急制動區(qū)段起點傳感器信息通過電纜將制動傳感器2 與控制主機連接即可采集，列車經(jīng)過時道口控制器接收到傳感器2 發(fā)送的一個電信號。

消防出警信息的采集需進行特殊電路設(shè)計。本方案中在消防接警大廳靠墻位置設(shè)置一個出警通知箱盒，封裝出警信息按鈕（BJA）和出警繼電器（BJJ）。道口值班房內(nèi)設(shè)出警接收繼電器（JBJJ），接警大廳和道口值班房之間通過1 根8 芯電纜傳輸信息。控制電路如圖2 所示。

圖2 消防報警控制電路圖

當(dāng)消防接警大廳接線員收到火災(zāi)信息并判斷需要出警后，立刻按壓出警信息按鈕，出警繼電器BJJ 勵磁接通出警電路，道口房內(nèi)的出警接收繼電器JBJJ 隨之勵磁吸起，接通道口控制箱內(nèi)的采集電路，道口控制器接收到出警電信號。

本文研究方案將采集到的這3 個信息作為道口系統(tǒng)輸入的開關(guān)量，按照表1 的控制邏輯進行編程，輸出對鐵路遮斷信號機控制命令。

表1 道口控制處理器編程邏輯

2.5 效果分析

按照情景一和情景二的道口信號控制系統(tǒng)的控制策略，當(dāng)?shù)揽谛盘柨刂葡到y(tǒng)接收到消防出警信息時，鐵路的遮斷信號機立即點亮，取消鐵路方向上的列車通行路權(quán)，待消防車通過后再恢復(fù)列車運行。這2 個情景的道口控制策略滿足特殊條件下公路路權(quán)優(yōu)先的需求。

在場景三的系統(tǒng)設(shè)計中，沒有進行公路路權(quán)的絕對切換，但是實質(zhì)對消防出警的影響不大。以道口控制箱接收到消防出警信息時列車車頭剛好通過緊急制動傳感器2，此時為影響消防出警時間的最大臨界點。

按列車整編車長為800 m、列車運行速度40 km/h考慮，列車從車頭通過緊急制動傳感器2 至車尾出清傳感器3 的運行距離約1 000 m，則列車正常運行時通過時間為90 s。欄木開放時間取10 s，因此接收出警信息至欄木開放公路方向通車的時間最多為100 s。根據(jù)《公安消防部隊執(zhí)勤戰(zhàn)斗條令》規(guī)定“公安消防中隊執(zhí)勤人員聽到出動信號后，首車駛離車庫的時間一般不得超過一分鐘”[8]。按照一般情況，消防支隊收到出警指令至車出庫門的時間定為60 s，庫門行駛至道口處約為25 s。因此情景三中，影響消防車隊出警的時間約為15 s，屬于可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

本文以新港專用線區(qū)間公鐵平交道口作為研究對象，通過對實際工程的道口設(shè)計需求分析，提出了一種特殊場景下公路路權(quán)優(yōu)先的道口設(shè)備設(shè)置方案和道口信號控制方案，并設(shè)計了不同情景下道口信號設(shè)備的控制邏輯和公鐵路權(quán)切換的實現(xiàn)方式。道口方案的特殊化設(shè)計不僅是我國礦企、港區(qū)的鐵路建設(shè)的需要，在我國與其他國家合建的鐵路也有相關(guān)的方案設(shè)計[9-10]，希望本文能對國內(nèi)外類似工程建設(shè)起到參考作用。