自動化駝峰溜放進路和速度安全控制的研究

胡衛(wèi)東 鐘衛(wèi)紅（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

胡衛(wèi)東，男，高級工程師，主要研究方向包括駝峰信號聯(lián)鎖和駝峰自動化的研究與實踐；曾參與“TW-2型駝峰自動化系統(tǒng)”和TW系列駝峰自動化系統(tǒng)（含TWD型系統(tǒng)、CIPS下駝峰自動化分系統(tǒng)）等項目。曾獲得2005年第七屆詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)獎（青年獎）、1998年“鐵道部青年科技拔尖人才”、兩次鐵道部優(yōu)秀工程設(shè)計三等級，兩次中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎三等獎等榮譽。2004年“編組站聯(lián)鎖自動化系統(tǒng)”獲得國家發(fā)明專利，編號ZL200410000939.4（排名第 2）。

溜放進路和速度的自動控制是自動化駝峰最核心的兩大功能。溜放進路自動控制是根據(jù)待解列車解體計劃的鉤序、目的股道號，自動選排分路道岔，控制自由溜放的車組從峰頂?shù)竭_要求的調(diào)車線股道；溜放速度自動控制是通過間隔制動實現(xiàn)溜放車組在駝峰溜放區(qū)保持合理的間隔，通過目的制動實現(xiàn)溜放車組在調(diào)車線股道與前方車組安全連掛。

1 溜放進路和速度控制的安全要求

自動化駝峰技術(shù)條件指出“盡管自動化駝峰不屬于故障-安全系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和單項設(shè)備的設(shè)計應(yīng)貫徹故障-安全原則”，應(yīng)從兩方面理解該技術(shù)條件：

首先，該條件明確自動化駝峰不屬于故障-安全系統(tǒng)，自動化駝峰控制系統(tǒng)也不屬于故障-安全系統(tǒng)，這是由駝峰解體作業(yè)高效要求、動態(tài)控制和因素復(fù)雜的特點決定的。

自動化駝峰技術(shù)條件對溜放速度自動控制的安全性要求如下。

1）除抱閘車等特殊情況外，不應(yīng)有車輛在減速器上被夾停的事故發(fā)生。

2）除特殊車輛、特殊氣候條件，系統(tǒng)不能對車輛進行有效制動外，因嚴重超速沖撞引起的事故率應(yīng)小于10-5。

上述技術(shù)要求點明了溜放速度控制的非安全性，車輛夾停可能導(dǎo)致后鉤車沖撞本鉤車，出口超速可能導(dǎo)致本鉤車超速沖撞前鉤車；控制系統(tǒng)對于溜放速度控制安全未要求也達不到100％。

3）系統(tǒng)應(yīng)具有途停、側(cè)撞、摘錯鉤、錯溜、追鉤、釣魚、滿線、堵門、道岔恢復(fù)、道岔封鎖、軌道電路輕車跳動等的檢測和相應(yīng)的防護措施。

上述技術(shù)要求點明了溜放進路控制的復(fù)雜性，溜放過程中因車組走行、分路道岔控制的不正常情況可能出現(xiàn)鉤車追鉤、側(cè)撞甚至脫線的風(fēng)險，系統(tǒng)即使檢測到并采取相應(yīng)的防護措施，其防護的安全性未要求也達不到100％。

其次，盡管自動化駝峰不屬于故障-安全系統(tǒng)，溜放進路和溜放速度的自動控制存在諸多不安全的因素，但是自動化駝峰控制系統(tǒng)在設(shè)計時仍應(yīng)貫徹故障-安全原則，即通過分析自動化駝峰控制中可能存在的風(fēng)險源和設(shè)備故障可能導(dǎo)致的危險側(cè)，采取相應(yīng)的風(fēng)險防范措施和故障-安全手段，將控制的危險性降低到最小。

2 溜放進路和速度控制的風(fēng)險分析

下面以TW-2型駝峰自動化系統(tǒng)為例，分析溜放進路和速度控制中存在的風(fēng)險。

2.1 控制設(shè)備描述

大能力駝峰，在溜放區(qū)設(shè)有峰下一部位減速器和線束二部位減速器用于實現(xiàn)間隔制動，設(shè)有快動分路道岔用于實現(xiàn)溜放進路的選排；在調(diào)車線始端設(shè)有三部位減速器用于實現(xiàn)目的制動。此外，TW-2系統(tǒng)還安裝了以下測量設(shè)備：

1）一分路道岔保護區(qū)段內(nèi)裝有兩個踏板，用于計算溜放車組的摘鉤輛數(shù)；

2）一分路道岔保護區(qū)段內(nèi)裝有測重設(shè)備，用于測量溜放車組的重量；

3）在減速器前裝有一個踏板，用于計算溜放車組通過的軸數(shù)；

4）在減速器前或后裝有雷達設(shè)備，用于測量溜放車組的速度；

5）三部位減速器出口處裝有測長設(shè)備，用于測量調(diào)車線的空閑長度。

2.2 控制風(fēng)險分析

溜放進路和速度控制中嚴重危害自動化駝峰作業(yè)安全的風(fēng)險是鉤車脫線及鉤車高速沖撞，其風(fēng)險來源于分路道岔、鉤車間隔、減速器控制精度及測量設(shè)備故障等，其表現(xiàn)形式為途停、側(cè)撞、追鉤、滿線、堵門、道岔恢復(fù)、軌道電路輕車跳動等。

溜放過程中出現(xiàn)摘錯鉤、錯溜、釣魚、道岔封鎖等情況，其危害程度一般且可控，因此不在本文討論范圍。

2.2.1 分路道岔的風(fēng)險

溜放進路與調(diào)車進路不一樣，進路不是事先全部選排完畢后再使用，而是根據(jù)車組溜行逐級向分路道岔傳遞進路命令。溜放鉤車占用上一級道岔時，才向下一級道岔發(fā)令轉(zhuǎn)動；如果下一級道岔因故未轉(zhuǎn)到位，鉤車自由運動到該級道岔時就可能脫線。

溜放進路中的分路道岔僅采用區(qū)段鎖閉，即軌道電路占用時不允許道岔操縱，一旦軌道電路出清即可執(zhí)行下一鉤命令；如果鉤車在占用道岔區(qū)段過程中發(fā)生輕車跳動，而且下一鉤命令的去向與本鉤不一致，就可能造成道岔中途轉(zhuǎn)換，鉤車脫線。

2.2.2 鉤車間隔的風(fēng)險

鉤車間隔是指前后溜放的兩鉤車之間的距離，由于溜放過程是連續(xù)的，可能同時有多組鉤車在分路道岔控制區(qū)域內(nèi)，鉤車的速度有快、有慢。遇到前慢（低速甚至途停）后快的情況時，如果兩鉤車是經(jīng)過道岔的同方向，可能發(fā)生追鉤，嚴重的可能高速正面沖撞；如果兩鉤車是經(jīng)過道岔的不同方向，可能發(fā)生側(cè)沖，嚴重的可能高速側(cè)面沖撞。

2.2.3 減速器控制精度的風(fēng)險

減速器控制精度是指車組實際出口速度與計算速度的誤差。間隔制動控制精度偏差較大時，如果超速可能造成與前鉤車的間隔問題；如果夾停或速度嚴重偏低，可能造成與后鉤車的間隔問題；這兩個問題的后果都有可能造成追鉤或側(cè)沖，嚴重的造成正面高速沖撞或側(cè)面高速沖撞。目的制動控制精度偏差較大時，如果超速可能與前鉤車正面高速沖撞；如果夾停或速度嚴重偏低，可能造成后鉤車與之正面高速沖撞。

2.2.4 測量設(shè)備故障的風(fēng)險

1）雷達故障

雷達是減速器控制的眼睛，雷達故障時無法反饋鉤車實際速度而使鉤車在減速器上失控，無論夾停或不作為均可能造成風(fēng)險。

2）踏板故障

踏板故障表現(xiàn)為不計軸或丟軸。減速器前的踏板作用之一是探測鉤車進入減速器以實施控制的“開機”點，踏板故障影響減速器控制的時機，可能導(dǎo)致減速器出口速度偏高甚至失控；作用之二是作為大組車放頭攔尾開始控制軸數(shù)的依據(jù)，如果因為計軸設(shè)備安裝尺寸不符要求或電氣特性等原因大量丟軸時，可能導(dǎo)致減速器出口速度偏高甚至失控。

3）測長故障

調(diào)車線空閑長度是計算三部位出口速度的重要參數(shù)，測長故障時無法獲知調(diào)車線空閑長度，可能導(dǎo)致減速器出口偏高甚至失控。

4）測重故障

鉤車重量信息對于減速器控制、減速器出口速度計算都很重要，測重故障時無法獲知鉤車的重量信息，可能導(dǎo)致減速器出口速度偏高甚至失控。

3 溜放進路和速度控制的安全設(shè)計

根據(jù)上述控制風(fēng)險的分析，TW-2系統(tǒng)著重在分路道岔控制、鉤車間隔控制、減速器控制精度提高和測量設(shè)備故障處理等4個方面采取相應(yīng)的風(fēng)險防范措施和故障-安全手段，以使控制風(fēng)險降低到最小。

3.1 分路道岔的安全控制

3.1.1 “軌道電路輕車跳動”的防護

TW-2系統(tǒng)在分路道岔區(qū)段鎖閉的基礎(chǔ)上，增加了區(qū)段占用屏蔽時間的防護手段。

利用一分路踏板或解體計劃中的輛數(shù)信息、分路道岔區(qū)段長度及鉤車通過分路道岔的最高限制速度（一分路道岔區(qū)段為18.0 km/h、其他區(qū)段為21.6 km/h），計算鉤車從占用到出清該道岔區(qū)段的最小時限，稱為軌道電路區(qū)段占用屏蔽時間。

在區(qū)段屏蔽時間內(nèi)發(fā)生的軌道電路瞬間跳動，系統(tǒng)將判定為 “輕車跳動”；一旦系統(tǒng)判定發(fā)生了輕車跳動，及時報警并在區(qū)段屏蔽時間內(nèi)拒絕為后續(xù)鉤車發(fā)出道岔控制指令；對于一分路道岔，一旦系統(tǒng)判定發(fā)生了輕車跳動，及時報警并拒絕為后續(xù)鉤車發(fā)出道岔控制指令。

3.1.2 “道岔恢復(fù)”的防護

當(dāng)溜放鉤車占用上一級分路道岔時，向下一級分路道岔發(fā)令轉(zhuǎn)動，下一級道岔因故不能在規(guī)定時間內(nèi)（電動道岔1.2～1.4 s、風(fēng)動道岔1.0～1.2 s）轉(zhuǎn)換到底時，由系統(tǒng)控制道岔往回轉(zhuǎn)；而后自動鎖閉該道岔，避免新的轉(zhuǎn)轍嘗試，直至確認正常后人工解除鎖閉。

3.1.3 “道岔擠岔”的防護

當(dāng)分路道岔擠岔后，將上一級分路道岔鎖向異向，防止后續(xù)鉤車正面相撞，同時發(fā)出擠岔報警；一分路道岔發(fā)生擠岔后，將駝峰信號機鎖定在關(guān)閉狀態(tài)。

3.2 鉤車間隔的安全控制

鉤車間隔的安全控制是由溜放進路控制和溜放速度間隔控制共同實現(xiàn)的。溜放速度間隔控制由間隔制動位完成，能夠調(diào)節(jié)位于間隔制動位兩側(cè)的鉤車間隔；對于兩鉤車間無間隔制動位的情況，由溜放進路控制實施防護。

3.2.1 速度跟蹤功能

實現(xiàn)間隔控制必須了解溜放區(qū)內(nèi)各溜放車組的位置、走行速度情況，車組位置可以通過分路道岔軌道電路跟蹤，車組走行速度情況通過簡單的軌道電路跟蹤無法準確提供。TW-2系統(tǒng)獨辟蹊徑，利用分路道岔區(qū)段設(shè)兩個軌道電路的條件，動態(tài)地測量鉤車在該道岔上的進入和出清速度，結(jié)合鉤車在減速器上的雷達測速，可以測得每鉤車走在不同地點的十多個速度，基本上實時掌握了鉤車溜放速度，實現(xiàn)了鉤車在溜放進路上的全線速度跟蹤。基于速度跟蹤功能，才能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制和防護功能。

3.2.2 溜放速度間隔控制

以二部位間隔控制為例，其基本步驟如下。

第一步根據(jù)線路縱斷面、三部位的制動能高、鉤車重量等級等因素確定本鉤車（進入二部位的鉤車）的基本定速。

第二步檢查鉤車的目標股道徑路上有無途停車、堵門車、滿線車等特殊情況，若有，二部位出口速度直接設(shè)定到最低值，完成。

第三步檢算本鉤車與前鉤車（已離開二部位去往三部位的鉤車）的間隔。如果存在間隔問題，計算后直接降低二部位定速，跳過第四步，完成。

第四步檢算本鉤車與后鉤車（離開一部位未進入二部位的鉤車）的間隔，確定基本定速基礎(chǔ)上的加速量，計算二部位定速，完成。

3.2.3 “途停”的檢測和防護

TW-2系統(tǒng)認定溜放鉤車走行速度低于8 km/h為途停；鉤車走行在軌道區(qū)段上或死區(qū)段上時，如果占用時間超過了按最低走行速度8 km/h計算的時間限（根據(jù)解體計劃中的輛數(shù)和站場區(qū)段距離參數(shù)表計算）時，也判為途停。

發(fā)生途停后，系統(tǒng)及時關(guān)閉駝峰信號機，將鉤車剛出清的道岔鎖閉至去往途停車的方向，預(yù)防鉤車側(cè)撞；進一步將剛出清道岔的上一級道岔鎖閉至異向，預(yù)防鉤車正面沖撞。

3.2.4 “堵門”的檢測和防護

溜放鉤車在警沖標區(qū)段發(fā)生途停，當(dāng)解除途停鎖閉時轉(zhuǎn)為堵門防護；沒有來由的警沖標區(qū)段占用（鉤車倒溜或尾部調(diào)車侵入等），立即啟動堵門防護。

發(fā)生堵門后，系統(tǒng)及時報警并且始終將對應(yīng)的最后分路道岔鎖閉到通往該股道的位置，防止鄰線進入溜放鉤車，直至警沖標區(qū)段出清為止。

3.2.5 “側(cè)撞”的檢測和防護

如果兩鉤車在某分路道岔上的間隔較緊（沒有達到追鉤），兩鉤車對該道岔方向要求不同，并且鉤車速度前慢后快（前鉤車速度大于8 km/h的途停判別限），當(dāng)達到一定速度差時，就有可能在前鉤車沒有離開該道岔的警沖點時后鉤車前部進入了警沖點，從而造成側(cè)撞。

預(yù)計側(cè)撞后，系統(tǒng)及時報警并且關(guān)閉駝峰信號機。

3.2.6 “追鉤”的檢測和防護

如果兩鉤車在某分路道岔上的間隔較緊，小于該道岔軌道電路區(qū)段長度時，將無法轉(zhuǎn)轍道岔以控制鉤車去往不同的股道，當(dāng)兩鉤車占用同一個軌道電路區(qū)段時，稱為追鉤。

認定追鉤后，系統(tǒng)及時合并和清除后鉤車的溜放信息，防止后續(xù)鉤車可能發(fā)生的逐鉤錯位、鉤鉤錯道的嚴重后果。

3.2.7 “滿線”的檢測和防護

滿線是指鉤車在三部位減速器區(qū)段上途停（鉤車在減速器上雷達測速連續(xù)4 s低于3 km/h），或警沖標區(qū)段與三部位減速器區(qū)段之間的死區(qū)段上發(fā)生途停（鉤車離開警沖標區(qū)段，在減速器前死區(qū)段速度低于5 km/h）。兩個條件滿足其一，即啟動滿線防護。

發(fā)生滿線后，系統(tǒng)及時報警并且自動封鎖該股道，禁止后續(xù)鉤車進入該股道，直至人工辦理股道解鎖。

3.3 減速器控制精度的提高

TW-2系統(tǒng)在減速器控制數(shù)學(xué)模型中引入了全新的制動量概念。制動量是溜放鉤車當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度、定速、控制距離、鉤車重量、鉤車軸數(shù)等變量的函數(shù)，反映的是在剩余控制距離內(nèi)，減速器還必須消耗掉的鉤車動能。制動量的引入有效地提高了減速器控制精度。

1）制動量隨著速度的下降而減少，使鉤車緩解前必然經(jīng)過低級別制動，減緩了減速器緩解前鉤車的實際減速度。

2）制動量反映了鉤車不同重量情況下的動能不同，使減速器控制可以針對不同重量的鉤車采取合理的控制策略。

3）對于長鉤車，隨著計軸的累進，制動量越能反映出鉤車有較大動能的情況，使減速器控制可以針對不同輛數(shù)的鉤車采取合理的控制策略。

4）當(dāng)鉤車實際速度大于給定速度時，隨著鉤車即將離去，制動量值劇增，使減速器能在鉤車離開前進行最后的精調(diào)。

3.4 測量設(shè)備故障處理

3.4.1 雷達故障處理

無溜放鉤車進入減速器時，通過采集雷達自檢信號監(jiān)控雷達是否處于工作狀態(tài)，一旦雷達故障及時報警提示。

當(dāng)溜放鉤車進入雷達故障的減速器時，系統(tǒng)按鉤車重量等級計算車輛的平均制動時間，對經(jīng)過的每輛車按照固定時間進行制動，力圖使鉤車在不被夾停的情況下減速出口。

3.4.2 踏板故障處理

將減速器軌道電路作為探測鉤車進入減速器以實施控制的冗余“開機”點，當(dāng)踏板故障不計軸時以減速器軌道電路占用作為“開機”點。

對于需要放頭攔尾的大組車，如果踏板不計軸，則認定踏板故障并停止放頭攔尾功能；如果踏板丟軸嚴重，檢查鉤車第一個軸距離減速器入口開機點的雷達積分距離，當(dāng)該距離大于放頭攔尾軸數(shù)折算的距離時停止放頭攔尾。

3.4.3 測長故障處理

當(dāng)測長故障無法獲知調(diào)車線空閑長度時，系統(tǒng)報警并對三部位自動給定速度采用相對保守6 km/h。

3.4.4 測重故障處理

解體計劃中的重量狀態(tài)信息可以通過車站現(xiàn)車系統(tǒng)獲得，當(dāng)測重故障無法獲得溜放鉤車的重量信息時，根據(jù)解體計劃中該鉤的重量狀態(tài)信息進行減速器控制和減速器出口速度計算。

4 實踐情況

本文研究的TW-2系統(tǒng)溜放進路和速度安全控制的原理和方法最早于1999年底在南京東駝峰場投入使用，并在其后推廣的過程中不斷總結(jié)、提高、完善，現(xiàn)已應(yīng)用在全路幾十個大、中能力駝峰場，包括鄭州北下行駝峰、徐州北上下行駝峰、武漢北上下行駝峰等繁忙站場，多年現(xiàn)場實踐證明：TW-2系統(tǒng)采用的溜放進路和速度安全控制技術(shù)，能夠在滿足國內(nèi)大能力駝峰解體要求的基礎(chǔ)上，提高溜放進路和速度控制的安全性。

[1] TB/T 2306-2006自動化駝峰技術(shù)條件[S].

[2]胡衛(wèi)東.結(jié)合速度跟蹤功能的駝峰溜放進路自動控制的研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2007，4（4）：27-28.

[3]鐘衛(wèi)紅.自動化駝峰溜放車組間隔控制的研究和實踐[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2010，7（3）：45-47.