基于公網(wǎng)VPN及北斗定位技術(shù)的企業(yè)鐵路STP控車(chē)方案研究

張延通，趙升源

調(diào)車(chē)作業(yè)的安全防護(hù)不僅關(guān)系著列車(chē)運(yùn)行的安全，而且直接影響列車(chē)編組計(jì)劃的執(zhí)行、列車(chē)運(yùn)行圖的實(shí)現(xiàn)以及車(chē)輛周轉(zhuǎn)。無(wú)線(xiàn)調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)（Shunting Train Protection，STP）作為重要的調(diào)車(chē)作業(yè)技防設(shè)備，有效防止了調(diào)車(chē)機(jī)調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中“冒進(jìn)防護(hù)信號(hào)”“擠道岔”“沖撞土擋”“脫線(xiàn)”等事故的發(fā)生，在保障調(diào)車(chē)作業(yè)安全的同時(shí)，還有效提高了站場(chǎng)整體作業(yè)效率［1］。

目前的STP系統(tǒng)主要安裝在專(zhuān)用調(diào)車(chē)機(jī)上，由車(chē)站地面控制設(shè)備和車(chē)載控制設(shè)備組成［2］。當(dāng)調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)進(jìn)入車(chē)站聯(lián)鎖集中區(qū)，經(jīng)過(guò)定位應(yīng)答器后，車(chē)載控制設(shè)備確認(rèn)機(jī)車(chē)所在位置，通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)通信系統(tǒng)把機(jī)車(chē)車(chē)號(hào)、機(jī)車(chē)位置等信息，發(fā)送給STP系統(tǒng)的車(chē)站地面控制設(shè)備，進(jìn)行入網(wǎng)注冊(cè)申請(qǐng)；地面控制設(shè)備接收到注冊(cè)申請(qǐng)信息后，在滿(mǎn)足入網(wǎng)條件時(shí)，向該機(jī)車(chē)發(fā)送確認(rèn)注冊(cè)信息，為該機(jī)車(chē)分配注冊(cè)號(hào)，建立安全控制信息通道，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)車(chē)監(jiān)控工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車(chē)站對(duì)所轄專(zhuān)業(yè)調(diào)車(chē)機(jī)的調(diào)車(chē)作業(yè)防護(hù)［3-4］。該方案雖然技術(shù)成熟，但由于采用的數(shù)傳電臺(tái)通信方式受到電臺(tái)通信距離限制，無(wú)法做到全線(xiàn)機(jī)車(chē)跟蹤監(jiān)控，且使用無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行車(chē)地通信，通信效率低，可監(jiān)控機(jī)車(chē)數(shù)量有限［5］。而企業(yè)鐵路多采用小運(yùn)轉(zhuǎn)模式作業(yè)，調(diào)車(chē)方式均屬于本務(wù)機(jī)車(chē)調(diào)車(chē)作業(yè)，存在作業(yè)站場(chǎng)、作業(yè)進(jìn)路隨機(jī)等特點(diǎn)［6］，針對(duì)這種作業(yè)模式，目前的STP系統(tǒng)不太適用。

為解決企業(yè)鐵路調(diào)車(chē)作業(yè)安全防護(hù)問(wèn)題，本文提出一種高性?xún)r(jià)比的基于公網(wǎng)虛擬專(zhuān)網(wǎng)（VPN）通信和北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的改進(jìn)型STP 控車(chē)方案。該方案通過(guò)在企業(yè)鐵路調(diào)度中心設(shè)置地面中心服務(wù)系統(tǒng)，取消車(chē)站設(shè)備和地面應(yīng)答器，依靠成熟的公網(wǎng)VPN 通信技術(shù)完成車(chē)地通信，利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)完成選站注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條線(xiàn)路上所有作業(yè)機(jī)車(chē)的集中跟蹤控制。

1 總體思路

本方案的總體思路是在調(diào)度中心設(shè)置調(diào)車(chē)中心系統(tǒng)。調(diào)車(chē)中心系統(tǒng)按業(yè)務(wù)及功能劃分為多個(gè)服務(wù)器，所有關(guān)鍵設(shè)備均采用雙系冗余配置。其中，跟蹤控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有車(chē)站的調(diào)車(chē)信息處理，通信服務(wù)器負(fù)責(zé)跟蹤控制服務(wù)器與其他業(yè)務(wù)之間的信息處理，STP 接口服務(wù)器負(fù)責(zé)與調(diào)度中心TDCS/CTC 系統(tǒng)對(duì)接，4G 通信接口服務(wù)器負(fù)責(zé)處理公網(wǎng)通信并與機(jī)車(chē)車(chē)載終端對(duì)接。跟蹤控制服務(wù)器一方面通過(guò)STP接口服務(wù)器與調(diào)度中心TDCS/CTC 系統(tǒng)對(duì)接，接收管轄內(nèi)所有車(chē)站的聯(lián)鎖碼位信息、所有機(jī)車(chē)的車(chē)次號(hào)信息和各車(chē)站車(chē)務(wù)終端傳回的調(diào)車(chē)作業(yè)信息；另一方面通過(guò)公網(wǎng)4G通信與機(jī)車(chē)車(chē)載終端對(duì)接，機(jī)車(chē)車(chē)載終端再與機(jī)車(chē)LKJ進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整條線(xiàn)路上所有車(chē)站調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中的機(jī)車(chē)進(jìn)行跟蹤與控制。此外，中心服務(wù)系統(tǒng)提供可視化的人機(jī)接口，可實(shí)時(shí)查看所有監(jiān)控機(jī)車(chē)的作業(yè)情況和作業(yè)單執(zhí)行情況。本方案中，各車(chē)站無(wú)需單獨(dú)安裝地面主機(jī)機(jī)柜和地面應(yīng)答器。總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 總體架構(gòu)

2 通信方案

調(diào)度中心機(jī)房配置中心調(diào)車(chē)安全防護(hù)子系統(tǒng)，內(nèi)部配置防火墻、路由器和交換機(jī)，與運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)連接。交換機(jī)作為接入層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，與調(diào)車(chē)中心系統(tǒng)內(nèi)部各服務(wù)器和路由器連接，通過(guò)劃分虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）實(shí)現(xiàn)地面中心設(shè)備的環(huán)路組網(wǎng)；路由器作為匯聚層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，與交換機(jī)和防火墻連接，路由器與交換機(jī)之間實(shí)現(xiàn)雙路鏈路冗余，通過(guò)路由器搭建中心調(diào)車(chē)安全防護(hù)子系統(tǒng)與運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)之間的通信隧道（Generic Routing Encapsulation，GRE），并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部原始數(shù)據(jù)進(jìn)行GRE 封裝；防火墻作為核心層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，與路由器和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)連接，使用IPSec VPN 加密技術(shù)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝加密，與專(zhuān)用4G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交互。

具體來(lái)說(shuō)，中心調(diào)車(chē)安全防護(hù)子系統(tǒng)內(nèi)部服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)接入層的交換機(jī)在環(huán)路組網(wǎng)中整合、處理后生成原始數(shù)據(jù)，傳向匯聚層的路由器，經(jīng)過(guò)GRE 虛擬專(zhuān)網(wǎng)隧道后，在原始數(shù)據(jù)前增加“IP 報(bào)頭”和“GRE 頭”，對(duì)原始數(shù)據(jù)做進(jìn)一步封裝，形成“IP 報(bào)頭+GRE 頭+原始數(shù)據(jù)”格式的中間數(shù)據(jù)；隨后，封裝后的中間數(shù)據(jù)由匯聚層向核心層的防護(hù)墻傳輸，做進(jìn)一步的IPSec 加密封裝，在中間數(shù)據(jù)的頭部增加“新IP 報(bào)頭”和“ESP 頭”，在中間數(shù)據(jù)尾部增加“ESP trailer”和“ESP auth”，形成“新IP 報(bào)頭+ESP 頭+IP 報(bào)頭+GRE 頭+原始數(shù)據(jù)+ESP trailer+ESP auth”格式的加密數(shù)據(jù)，隨后發(fā)向?qū)Ｓ玫?G通信網(wǎng)絡(luò)。

運(yùn)營(yíng)商對(duì)中心調(diào)車(chē)安全防護(hù)子系統(tǒng)傳來(lái)的加密數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)通道發(fā)送給作業(yè)中的調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)。每臺(tái)非固定調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)上，配置裝有雙4G 異模通信模塊的車(chē)載終端設(shè)備，4G通信模塊支持移動(dòng)、聯(lián)通等多個(gè)運(yùn)營(yíng)商的4G 通信。車(chē)載終端采用接入點(diǎn)名稱(chēng)（Access Point Name，APN）網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)配置車(chē)載終端4G通信方式，使用基于APN技術(shù)的專(zhuān)用物聯(lián)卡，用于車(chē)載終端與中心調(diào)車(chē)安全防護(hù)子系統(tǒng)之間的通信。

中心調(diào)車(chē)安全防護(hù)子系統(tǒng)與非固定調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)之間采用雙路4G冗余通信的方案，既解決了數(shù)傳電臺(tái)傳輸區(qū)域小的問(wèn)題，又解決了單個(gè)4G通信存在安全性和不穩(wěn)定性的問(wèn)題，適合本務(wù)機(jī)車(chē)的調(diào)車(chē)安全防護(hù)。

3 選站方案

本方案工作方式與常規(guī)的STP 相同，是以站場(chǎng)為單位對(duì)進(jìn)行調(diào)車(chē)作業(yè)的機(jī)車(chē)進(jìn)行安全防護(hù)。車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備之間通常有3 種狀態(tài)：斷開(kāi)、連接、監(jiān)控。當(dāng)車(chē)載設(shè)備無(wú)法收到選定站場(chǎng)的任何信息時(shí)，為斷開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)車(chē)載設(shè)備只收到選定站場(chǎng)的聯(lián)鎖碼位信息時(shí)，為連接狀態(tài)；連接狀態(tài)下的車(chē)載設(shè)備，向地面發(fā)起注冊(cè)后，收到本車(chē)的進(jìn)路控制信息，此時(shí)即進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，系統(tǒng)將對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行調(diào)車(chē)安全防護(hù)。

但與常規(guī)方案不同，本方案并未使用自動(dòng)化程度低、效率低的人工選站方式或成本高、靈活性低的應(yīng)答器識(shí)別選站方式，而是采用一種基于衛(wèi)星定位的自動(dòng)選站方案。本方案中，車(chē)載設(shè)備引入衛(wèi)星定位模塊，機(jī)車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并將定位信息作為選站的重要依據(jù)，其主要作用包括2 點(diǎn)：一是確定當(dāng)前機(jī)車(chē)作業(yè)的站場(chǎng)；二是對(duì)相應(yīng)站場(chǎng)的聯(lián)鎖碼位管理，包括站場(chǎng)碼位發(fā)送申請(qǐng)和站場(chǎng)碼位停發(fā)申請(qǐng)等。選站流程見(jiàn)圖2。

圖2 基于衛(wèi)星定位的自動(dòng)選站方法流程

站場(chǎng)區(qū)域的選擇需根據(jù)實(shí)際情況，選取一個(gè)站場(chǎng)中心點(diǎn)，測(cè)量其經(jīng)緯度坐標(biāo)，并確定一個(gè)至少可以覆蓋所有作業(yè)區(qū)段的半徑長(zhǎng)度，形成一個(gè)圓形區(qū)域，該區(qū)域即為站場(chǎng)區(qū)域。站場(chǎng)鎖定是指某個(gè)站場(chǎng)，不受其它選站條件約束，無(wú)條件作為機(jī)車(chē)當(dāng)前作業(yè)站場(chǎng)的情況。鎖定的站場(chǎng)最多只能存在一個(gè)。

本方案可根據(jù)站場(chǎng)的數(shù)據(jù)配置，在車(chē)列接近站場(chǎng)時(shí)基于衛(wèi)星定位進(jìn)行自動(dòng)選站，提前獲取聯(lián)鎖碼位信息，司機(jī)可通過(guò)車(chē)載終端提前獲知前方信號(hào)機(jī)情況，全程無(wú)需人為介入，自動(dòng)化程度、安全性與調(diào)車(chē)防護(hù)作業(yè)效率都較傳統(tǒng)方案有所提高。同時(shí)，該方案中站場(chǎng)區(qū)域的劃定只需通過(guò)數(shù)據(jù)配置，無(wú)需安裝應(yīng)答器。一方面避免了安裝應(yīng)答器帶來(lái)的成本消耗、人員消耗、設(shè)備維護(hù)消耗等；另一方面針對(duì)不同的站場(chǎng)情況、站改情形，只修改相應(yīng)數(shù)據(jù)即可，易于后期維護(hù)，靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)。

4 異常情況分析與優(yōu)化

《無(wú)線(xiàn)調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件》（TB/T 3505—2018）第5.3.1 章節(jié)對(duì)正常調(diào)車(chē)監(jiān)控條件進(jìn)行了定義：在正常調(diào)車(chē)監(jiān)控條件下（無(wú)線(xiàn)通信正常，LKJ工作正常，機(jī)車(chē)測(cè)速測(cè)距準(zhǔn)確度符合要求，車(chē)列制動(dòng)軟管連接狀態(tài)符合相關(guān)規(guī)定的要求，系統(tǒng)聯(lián)鎖信息采集及傳輸符合要求并工作正常，無(wú)調(diào)車(chē)信號(hào)突變及分路不良等異常情況），結(jié)合LKJ 實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)作業(yè)防護(hù)功能［7］。即STP 正常工作的前提條件包括無(wú)線(xiàn)通信正常，LKJ 工作正常，機(jī)車(chē)測(cè)速測(cè)距準(zhǔn)確度符合要求，以及無(wú)調(diào)車(chē)信號(hào)突變、分路不良等異常情況。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，STP 異常注銷(xiāo)的案例中，除極少數(shù)通信異常外，多是因系統(tǒng)判斷出現(xiàn)分路不良，注銷(xiāo)機(jī)車(chē)。

4.1 異常原因分析

STP 對(duì)車(chē)列（機(jī)車(chē)）首尾位置的計(jì)算是基于LKJ 里程和軌道電路占用狀態(tài)變化［8-9］，而基于軌道電路狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)的定位算法，容易存在定位誤差，且誤差隨著時(shí)間的累積可能會(huì)超過(guò)站場(chǎng)內(nèi)部分區(qū)段的長(zhǎng)度，甚至可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)車(chē)實(shí)際位置與軌道電路實(shí)際占用區(qū)段不一致的情況［10］。當(dāng)此種情況發(fā)生時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致STP 判定出現(xiàn)了分路不良而注銷(xiāo)機(jī)車(chē)，對(duì)后續(xù)調(diào)車(chē)作業(yè)安全埋下重大安全隱患。經(jīng)分析，該位置誤差主要來(lái)源于位置校準(zhǔn)誤差和LKJ發(fā)送的里程誤差。

首先是位置校準(zhǔn)誤差，為確保系統(tǒng)安全防護(hù)作用，需在軌道電路占用/出清時(shí)，根據(jù)延遲波動(dòng)峰值對(duì)碼位信息的采集時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)車(chē)列位置進(jìn)行校準(zhǔn)，即保證計(jì)算車(chē)列位置比實(shí)際車(chē)列位置靠前。所以延遲波動(dòng)越大，計(jì)算車(chē)列位置與實(shí)際車(chē)列位置的誤差也就越大。如前文所述，本方案的調(diào)車(chē)中心系統(tǒng)設(shè)置在調(diào)度中心，并與調(diào)度中心的TDCS/CTC系統(tǒng)接口通信，接收管轄內(nèi)所有車(chē)站的聯(lián)鎖碼位信息。整個(gè)信息交互過(guò)程為“車(chē)站聯(lián)鎖系統(tǒng)—車(chē)站CTC 系統(tǒng)—調(diào)度中心CTC 系統(tǒng)—調(diào)車(chē)中心系統(tǒng)—機(jī)車(chē)車(chē)載系統(tǒng)”，較傳統(tǒng)STP 的“車(chē)站聯(lián)鎖系統(tǒng)—車(chē)站調(diào)車(chē)防護(hù)系統(tǒng)—機(jī)車(chē)車(chē)載系統(tǒng)”的信息交互流程要更長(zhǎng)，相應(yīng)的延遲波動(dòng)也更具不確定性。同時(shí)調(diào)車(chē)中心系統(tǒng)與機(jī)車(chē)車(chē)載系統(tǒng)的通信采用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)，加劇了延遲波動(dòng)的不確定性。

LKJ發(fā)送的里程誤差則主要來(lái)源于機(jī)車(chē)的輪徑值誤差。當(dāng)機(jī)車(chē)輪徑因磨損而減少時(shí)，LKJ記錄的里程將大于實(shí)際里程，從而導(dǎo)致STP 的計(jì)算位置與實(shí)際位置出現(xiàn)偏差。

4.2 優(yōu)化方案

1）為降低誤差，需采集分析相關(guān)數(shù)據(jù)，查找產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸延遲和波動(dòng)的原因，逐步優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，抑制延遲波動(dòng)。此外，還要加強(qiáng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的管理，定期測(cè)量更新調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)輪徑值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，盡可能使STP對(duì)車(chē)列（機(jī)車(chē)）的計(jì)算位置與實(shí)際位置相近。

2）目前，基于地基增強(qiáng)的北斗差分技術(shù)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)、厘米級(jí)的高精度定位，可通過(guò)測(cè)量車(chē)站線(xiàn)路的空間位置信息，制作車(chē)站站場(chǎng)電子地圖，采用車(chē)列（機(jī)車(chē)）高精度衛(wèi)星定位與軌道電路跟蹤結(jié)合的方式，更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)列（機(jī)車(chē)）的位置跟蹤。

3）分析梳理各種系統(tǒng)注銷(xiāo)情況，完善分級(jí)報(bào)警機(jī)制。系統(tǒng)注銷(xiāo)通常可分為可預(yù)期注銷(xiāo)和意外注銷(xiāo)兩類(lèi)。由可預(yù)期事件觸發(fā)的系統(tǒng)注銷(xiāo)，通常屬于非緊急狀況的控制權(quán)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)應(yīng)盡早向乘務(wù)人員發(fā)出提醒，以保證乘務(wù)人員有足夠的時(shí)間完成接管工作，系統(tǒng)發(fā)出的提示應(yīng)跟隨請(qǐng)求時(shí)間逐步提升警告強(qiáng)度。例如從單純視覺(jué)信號(hào)報(bào)警，升級(jí)到視覺(jué)信號(hào)加聲音信號(hào)報(bào)警，直至乘務(wù)人員確認(rèn)。由意外事件觸發(fā)的系統(tǒng)注銷(xiāo)，通常屬于緊急狀況的控制權(quán)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)除向乘務(wù)人員發(fā)出報(bào)警信息外，還應(yīng)采取緊急制動(dòng)等措施，避免事故的發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

為補(bǔ)齊企業(yè)鐵路調(diào)車(chē)安全防護(hù)技術(shù)短板，提出基于公網(wǎng)VPN 及北斗定位技術(shù)的企業(yè)鐵路STP 控車(chē)方案：基于公網(wǎng)VPN 技術(shù)完成車(chē)地通信，利用北斗衛(wèi)星定位完成選站注冊(cè)，并對(duì)車(chē)列（機(jī)車(chē)）在該站區(qū)的調(diào)車(chē)作業(yè)進(jìn)行防護(hù)。這種無(wú)站場(chǎng)地面設(shè)備、無(wú)車(chē)站設(shè)備，僅需在調(diào)度中心安裝地面設(shè)備的方案，無(wú)需新建和維護(hù)鐵路專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該方案已在中國(guó)平煤神馬控股集團(tuán)企業(yè)鐵路部署試用，試驗(yàn)效果滿(mǎn)足企業(yè)鐵路調(diào)車(chē)安全防護(hù)需求，可為其他企業(yè)鐵路推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。