動車段調車作業侵入列車進路安全防范技術研究

寇亞洲，馮軍華，王琳，付紫彪

動車段（所）作為動車組檢修養護的重要基地，對保障動車組安全穩定運行起著重要作用。動車段（所）內存在大量的接發車及調車作業，具有作業量大，作業時段集中等特點。近年來，調車作業侵入列車接、發車進路的事故時有發生［1］。目前動車段（所）在站場設計時主要采用設置隔開設備或鎖閉道岔等方式形成進路隔離，用以防范出現調車侵入列車進路造成安全事故的情況。對于沒有設置隔開設備的線路，主要依靠作業人員人工判斷，極易出現車務作業人員因客觀不清楚或主觀違章蠻干，導致發生調車作業侵入列車進路的安全問題。

動車段（所）控制集中系統（Control Centralized System， CCS）是裝備在動車段（所）保障動車組高效檢修、安全運營、合理調度的現代化行車指揮系統［2］，實現接發車與調車作業的綜合自動化。目前，CCS尚不具備調車侵入列車進路的安全防范檢測，為防范上述安全隱患，做到事前檢測，實時監視，提出一種基于作業計劃的調車侵入列車進路安全防范技術方案。下文將從技術方案、算法實現、仿真驗證3個方面進行詳細論述。該方案的實現對確保動車段（所）內接發車及調車作業的安全、有序、平穩運行具有重要意義。

1 技術方案

《鐵路技術管理規程》（高速鐵路部分）第319條規定：接發旅客列車時，與接發列車進路沒有隔開設備或脫軌器的線路，不準向能進入接發列車進路的方向調車［3］。調車冒進信號對列車進路是否存在侵入風險，主要由調車冒進信號后走行的延續通路決定。當延續通路與接發車進路構成平行路徑，不存在區段設備占用沖突，則不存在侵入列車進路風險。若延續通路與接發車進路存在區段設備占用沖突，則可能引發安全隱患。本文以雄安動車運用所為例，針對調車冒進信號侵入列車進路場景進行分析，結合CCS既有作業計劃過程控制，提出相應安全防范措施。

1.1 場景分析

1.1.1 作業范圍劃分

雄安動車運用所作為承擔京雄城際鐵路動車組維修養護的重要基地，根據所內功能設置的不同，其站場可分為存車線、人工清洗線與檢查庫線（簡稱“清洗檢查線”）、綜合維修基地3個部分。其中，存車線承擔動車組接發車的停放作業，清洗檢查線主要完成動車組的檢修整備及清洗作業，綜合維修基地用于除動車組外的其他車列的停放作業。依據站場劃分，雄安動車運用所接發車及調車作業具體內容如下。

1）接發車作業：出入口?存車線，出入口?綜合維修基地；

2）調車作業：存車線?清洗檢查線、綜合維修基地?存車線、綜合維修基地?綜合維修基地、存車線?存車線、清洗檢查線?清洗檢查線。

其中，綜合維修基地?存車線、綜合維修基地?綜合維修基地、存車線?存車線、清洗檢查線?清洗檢查線均為調車折返作業。

圖1為調車冒進信號侵入列車進路示例，0G100次動車組運行經過99#道岔反位到達I-23G1。CR400BF-A-3031動車組冒進SI-22調車信號后，若繼續沿著延續通路走行，將存在侵入0G100次動車組接車進路的風險。因此，梳理雄安動車運用所內可能存在調車作業冒進侵入接發車作業的情況，見表1。雄安動車運用所綜合維修基地設有安全線隔開設備，且安全線道岔常態處于定位，故涉及綜合維修基地范圍的調車作業在冒進信號后將進入安全線，不會對接發車作業產生侵入影響。同時CCS對不同計劃間是否存在進路沖突已具備自動檢測功能。故表1僅考慮動車組以冒進信號方式引起的侵入情況。

表1 調車作業冒進侵入接發車作業

圖1 調車冒進信號侵入列車進路示例

1.1.2 作業場景劃分

CCS依據作業計劃執行進程，將作業計劃執行狀態劃分為“待執行狀態”和“正在執行狀態”。“待執行狀態”指作業計劃進路指令未建立；“正在執行狀態”指計劃進路指令已建立且進路軌道區段未占用或進路軌道區段已占用2種情況。根據作業計劃執行狀態的劃分，接發車作業計劃與調車作業計劃執行狀態組合見圖2。以圖中的箭頭為例，“接車計劃為正在執行狀態，調車計劃為待執行狀態”即列車正在進行接車作業，此時值班員若對其他車辦理調車作業，需考慮是否具有侵入列車進路的風險。

圖2 接發車作業與調車作業計劃執行狀態組合

1.2 延續通路冒進侵入判斷

實現調車冒進侵入風險自動檢測功能需要解決的核心技術問題是對調車冒進信號后延續通路的搜索判斷。調車在冒進信號后，可能走行的區段設備包括道岔區段與無岔區段。其中，道岔區段受道岔類型與道岔所處位置限制，對延續通路搜索判斷的影響更為復雜。對于單動道岔，當調車作業延續通路與接發車作業進路形成敵對關系，則判定冒進侵入。對于聯動道岔，當調車作業延續通路與接發車作業進路形成平行關系，則判定不存在冒進侵入，否則具有冒進侵入風險。圖1示例中CR400BF-A-3031動車組冒進調車信號后，可能以“擠岔方式”通過101道岔，從而侵入列車進路，該情況即為冒進侵入。此外，針對接發車作業計劃與調車作業計劃均未執行的情況，在判斷調車冒進的延續通路是否侵入接發車進路時，需以接發車作業進路建立后的道岔位置狀態作為侵入判斷依據。

當判斷延續通路時，若道岔處于轉換中間狀態，則停止判斷，待道岔轉換完畢后再繼續判斷。延續通路冒進侵入的搜索判斷以站場進站信號機為終止。

1.3 防范措施

通過上述場景分析，為實現對冒進侵入風險的事前檢測與實時監視，將防范措施分為兩大類：一是作業計劃執行前的防錯辦檢查；二是作業計劃執行中的報警提示。

作業計劃執行前的防錯辦檢查，是將調車作業計劃冒進侵入作為計劃自觸的檢查條件，為防止作業計劃對應的進路指令錯誤觸發，CCS在作業計劃辦理前進行檢查，并給予現場操作人員對應的冒進沖突提示。作業計劃執行中的報警提示，指CCS對已在執行中的作業計劃進行實時監視，當出現冒進侵入風險時，及時向現場操作人員進行報警提示。

根據作業現場崗位設置，上述防范措施的提示信息將以彈窗形式展示給車站值班員。同時結合現場作業效率，對距當前時間15 min以后的作業計劃的冒進侵入風險不予考慮，因為此時形成了進路的時間隔離，不構成安全隱患。

2 算法實現

鐵路車站站場拓撲結構具有方向性，且站場信號設備之間具有前后的連接關系［4］。考慮到調車冒進信號后需完成延續通路的搜索及判斷延續通路是否構成侵入，本文采用動態有向無環圖算法實現上述功能。

2.1 模型建立

有向無環圖由若干頂點和邊組成，每條邊都從一個頂點指向另一個頂點，沿著這些頂點的方向不會形成閉合環路。動車段（所）站場主要由信號機、道岔、軌道區段組成，這三者存在邏輯連接關系。搜索延續通路時，沿著調車冒進信號后的走行方向，根據道岔位置狀態，不斷查找下一設備直至搜索結束，搜索過程不存在回路。因此，動車段（所）站場可抽象為有向無環圖模型，延續通路的搜索可轉化為對站場有向無環拓撲結構的遍歷［5-7］。

根據有向無環圖理論，將信號機、道岔、軌道區段中的股道與無岔區段抽象成頂點集，設備之間的連接關系抽象成邊集。站場的有向圖模型為G=(V，E)，其中V為頂點集，E為邊集。因站場圖的行車方向分為上行、下行，所以上述頂點集合中的3種設備可抽象為圖3中的設備模型。

圖3 設備模型

為準確描述設備模型，便于后續延續通路的快速搜索，上述設備模型按照基礎屬性、動態屬性與方向屬性進行統一，見表2。

表2 設備模型屬性

除抽象頂點集外，將兩相鄰設備間的連接關系抽象為動態連接模型Wi=g(Vi，Vi+1)。其中，Wi為鄰接頂點間的連通權值，權值為1表示兩鄰接頂點連通，權值為∞表示不連通；g為鄰接頂點間的權值計算函數，受頂點Vi的動態屬性影響，動態影響因素為站場道岔實時位置狀態與計劃排列時道岔轉換位置狀態。

綜上所述，起始頂點到任意頂點設備間的動態聯通模型為Ci=Connect(Vi，V0，W)。其中，V0為起始頂點，Vi為任意頂點，W為鄰接邊連通權值的串聯集合，Ci為起始頂點到任意頂點設備間的動態聯通值。根據上述定義，建立雄安動車運用所站場局部動態有向無環圖模型，見圖4。圖4中包含上、下行2個方向，延續通路搜索時僅為單向搜索。

圖4 雄安動車運用所站場局部動態有向無環圖模型

2.2 算法實現

依據上文建立的動態有向無環圖模型，將延續通路的搜索抽象為動態有向無環圖中從起始頂點V0求解生成樹的問題。將調車走行方向作為延續通路搜索方向，調車進路的調車阻擋信號作為延續通路的搜索起點V0，結合接發車聯動道岔、“擠岔方式”侵入等影響因素，動態計算連通權值，建立樹的棧（stack）存儲結構，壓棧記錄搜索樹結果。

多條調車計劃冒進延續通路的搜索進一步抽象為從多個起始頂點Vn求解生成森林的問題。所以調車侵入列車進路可抽象為列車計劃進路設備鏈表和生成樹或生成森林的設備重疊問題。延續通路搜索算法流程見圖5。

圖5 延續通路搜索算法流程

3 仿真驗證

3.1 仿真測試平臺搭建

基于既有CCS系統架構，依托虛擬仿真平臺，在實驗室搭建仿真測試平臺，總體架構見圖6。數據配置采用雄安動車運用所站場數據，對本文所述調車冒進侵入列車進路安全防范技術的準確性與可靠性進行驗證。

圖6 仿真測試平臺總體架構

仿真測試平臺劃分為虛擬化層與實物層兩部分。聯鎖系統、CTC系統與CCS的應用服務器（車次追蹤服務器和集中控制服務器）及CTC接口服務器均采用虛擬化方式搭建［8-9］。CCS的操作顯示終端（值班員終端、信號員終端、站調終端）與數據庫服務器采用實物搭建［10］。仿真測試時，通過聯鎖系統的仿真軟件占壓或出清軌道區段實現動車組現場實際走行場景的仿真模擬［11-12］。由于CCS的值班員終端用于實現接發車計劃與調車計劃的簽收、計劃指令方案的展示調整、接發車計劃閉塞手續的辦理與動車組作業過程的監視等功能［13-14］，且技術方案基于作業計劃實現，因此，相應報警防范措施以提示窗口形式顯示在CCS的值班員終端界面上。

3.2 防錯辦檢查測試

防錯辦檢查功能是針對待執行的調車計劃在觸發時侵入列車進路的風險檢測。根據接發車計劃執行狀態的不同及冒進沖突位置的不同，防錯辦檢查功能的具體場景細化見表3。

表3 防錯辦檢查功能測試場景

結合圖1所示，以表3的場景4為例，待執行的調車計劃CR400BF-A-3025觸發時，查找該計劃的延續通路，若道岔105與103處于定位，調車計劃延續通路將與已執行的接車計劃0G100存在設備沖突，調車計劃CR400BF-A-3025將存在冒進侵入風險。因此，自動觸發調車計劃CR400BFA-3025時，進行防錯辦檢查，車站值班員終端將提示“調車計劃進路在設備99處無隔開設備”，見圖7。

圖7 防錯辦檢查提示

3.3 執行中報警測試

執行中報警功能是針對調車計劃處于正在執行狀態時，系統可實時檢測判斷存在的調車冒進侵入列車進路的風險，并給予作業人員報警提示，具體場景見表4。

表4 執行中報警功能測試場景

結合圖1所示，以表4中的場景11為例，若道岔107處于定位，已執行的調車計劃CR400BF-A-3031其延續通路與已執行接車計劃0G100存在設備沖突。車站值班員終端界面進行報警提示“（CR400BF-A-3031）與設備101處有冒進沖突”，見圖8。該報警提示框持續彈出時間為30 s，并伴有語音報警提示。

圖8 執行中報警提示

4 結束語

本文針對高鐵動車段（所）人為調車作業侵入列車進路的安全風險問題，提出基于作業計劃的調車侵入列車進路安全防范技術方案。該方案依托CCS，采用動態有向無環圖技術，實現調車冒進侵入列車進路場景下，對侵入風險的主動提示與實時報警。該方案的實現對保障動車段（所）內接發車及調車作業的安全、有序、平穩運行具有重要作用，對后期在動車段（所）及高鐵車站的推廣具有重要意義。