高速鐵路防災預警信息車地傳輸方案

孟德智

(中國鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100043)

1 概述

防災預警信息是鐵路安全運行的重要控制信息之一，實現(xiàn)防災預警信息快速準確地車地傳輸一直是鐵路防災設計的重點研究工作。鐵路自然災害監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱“監(jiān)測系統(tǒng)”）已實現(xiàn)對鐵路沿線風、雨、雪和地震實現(xiàn)有效、準確、實時的監(jiān)測，為調度指揮及維護管理提供報警、預警信息。如何將防災預警信息快速、準確、可靠地傳遞到正在行駛的列車上，實現(xiàn)列車的限速或停車，涉及防災、信號和通信等多個專業(yè)，成為防災安全監(jiān)控系統(tǒng)設計的難點。

2 既有防災預警信息車地傳輸方案

既有防災預警信息車地傳輸方案是由監(jiān)測系統(tǒng)將防災預警信息傳送至調度所相應線路的調度員處，調度員收到防災預警信息后，通過調度集中系統(tǒng)（CTC）設置限速或停車。通過CTC 或無線閉塞中心（RBC）將限速信息傳至車上，由司機確認限速或停車。既有防災預警信息車地傳輸方案處理流程如圖1 所示。

圖1 既有防災預警信息車地傳輸流程圖Fig.1 Train-ground transmission flow chart of the existing disaster warning information

既有防災預警信息車地傳輸方案存在的主要問題是防災預警信息處理時間較長，列車調度員的負擔較重，容易出現(xiàn)漏報。

3 改進的防災預警信息車地傳輸方案

針對既有防災預警信息車地傳輸方案存在的主要問題，本文根據行車調度管理的實際需求，提出如下3 種可行的防災預警信息車地傳輸方案。

3.1 方案一：監(jiān)測系統(tǒng)與CTC連接，通過CTC傳送防災預警信息

該方案與既有防災預警信息車地傳輸方案基本一致。監(jiān)測系統(tǒng)與CTC 系統(tǒng)通過接口服務器、防火墻等設備實現(xiàn)系統(tǒng)間互聯(lián)，防災預警信息直接在CTC 調度員臺上顯示出來，列車調度員根據預警信息按照目前的方式由人工操作下達。實現(xiàn)本方案需要修改監(jiān)測系統(tǒng)與CTC 接口協(xié)議、軟件及網絡安全設備。本方案防災預警信息車地傳輸處理流程如圖2 所示。

本方案的主要優(yōu)點是優(yōu)化對預警信息的響應時間和流程，對防災預警相關的行車調度管理有了整體的把握。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)與CTC連接，通過CTC送防災預警信息流程圖Fig.2 Flow chart of transmitting disaster warning information by CTC connected to monitoring system

但是本方案需要修改CTC 的軟件及接口協(xié)議可能對列車控制造成影響，同時增加列車調度員控車的負擔。另外監(jiān)測系統(tǒng)與CTC 直接接口需要防災廠家和CTC 廠家共同研究接口協(xié)議和開發(fā)相關軟件，時間周期較長。

3.2 方案二：新設車載預警裝置，通過GP RS接口服務器傳送防災預警信息

本方案由防災GSM-R 通信服務器、既有GPRS接口服務器（GRIS）和新設的車載預警裝置（簡稱“車載設備”）組成，系統(tǒng)構成如圖3 所示。

列車出庫前，車載設備通過GSM-R/GPRS網絡注冊GROS 服務器。列車出庫后，根據收到的GPS/北斗衛(wèi)星數(shù)據，車載設備判斷其所對應的GRIS，并向該GRIS 發(fā)送注冊申請，申請一個專屬IP 地址。GRIS 收到申請后，返回確認注冊信息，并給車載設備分配IP 地址。車載設備完成注冊后，在屏幕上應能顯示當前區(qū)間并初始化所有監(jiān)測點、等待監(jiān)測數(shù)據。當列車行駛到其他GRIS 管理區(qū)域后，車載設備向新GRIS 發(fā)送注冊申請，同時將前一個GRIS 的注冊注銷。

GRIS 與監(jiān)測系統(tǒng)通過電路連接，并接收防災預警信息。監(jiān)測系統(tǒng)只發(fā)送超過門限的數(shù)據給GRIS。GRIS 接收到防災預警信息后，在本地存儲，并將防災預警信息通過GSM-R/GPRS 網絡傳送到注冊在該GRIS 上的所有車載設備上。預警數(shù)據包40 字節(jié)/包，連發(fā)3 次，每次間隔1 s。當無預警信息時，防災通信服務器以每15 min（可設置）一次、每次40 Byte 向注冊的車載設備機車發(fā)送活動性檢測數(shù)據包。

圖3 方案二系統(tǒng)構成示意圖Fig.3 Schematic diagram of system composition of scheme two

車載設備接收到預警數(shù)據后，應能根據GPS/北斗衛(wèi)星定位數(shù)據，判斷列車當前位置并計算本列車與預警信息監(jiān)測點的距離，根據監(jiān)測點與列車間的距離來確定是否需要發(fā)出預警信息，若需要發(fā)出預警信息，車載設備將實時播報預警信息，提示司機預警區(qū)段列車的安全行駛速度。

列車在隧道或在地下車站無GPS/北斗衛(wèi)星定位數(shù)據，車載設備應根據列車進隧道時的速度及時間，估測當前的列車位置，進而計算本列車與預警信息監(jiān)測點的距離，根據監(jiān)測點與列車間的距離來確定是否需要發(fā)出預警信息。

本方案防災預警信息車地傳輸處理流程如圖4所示。

圖4 新設車載預警裝置，通過GPRS接口服務器傳送防災預警信息流程圖Fig.4 Flow chart of transmitting disaster warning information from newly set onboard warning device through GPRS interface server

方案的主要優(yōu)點是：除防災GSM-R 通信系統(tǒng)服務器外，對既有其他設備無影響，在小范圍內使用方便；可以通過提前預警機制消除GPRS 網絡延時的不利影響，提高系統(tǒng)的可靠性。

方案的缺點是：高鐵動車組司機室空間有限，車載設備幾乎無處安裝；當有預警信息時，監(jiān)測系統(tǒng)要將預警信息發(fā)送到所有在該服務器注冊的列車上，距離災害位置較遠的列車沒必要接收；GRIS傳送調度命令、車次號校核和進路預告等與行車安全有關的信息，傳送防災預警信息不符合中國鐵路總公司統(tǒng)一規(guī)劃。

3.3 方案三：利用既有機車綜合無線設備，通過監(jiān)測信息GPRS接口服務器傳送防災預警信息

本方案由既有機車綜合無線設備（CIR）、防災GSM-R 通信服務器和監(jiān)測信息GPRS 接口服務器（M-GRIS）組成，如圖5 所示。

隨著高鐵的發(fā)展，越來越多的信息需要通過GSM-R 網絡傳送到列車上，列車上也有一些監(jiān)測信息需要實時傳回地面，如機車信號遠程監(jiān)測業(yè)務、DMS 業(yè)務、TCDS 業(yè)務、活動性檢測業(yè)務和工務晃車業(yè)務等。針對越來越多的需求，原鐵道部頒發(fā)《GSM-R 數(shù)字移動通信應用技術條件第九冊：數(shù)據傳輸應用接口及設備》（鐵運[2012]288 號），規(guī)劃在各路局新設（M-GRIS）專門傳送與行車安全無關的業(yè)務，與行車安全有關的業(yè)務由GRIS 傳送。

在CTCS-2 列控區(qū)段，CIR 在每經過一個閉塞區(qū)間時都通過GRIS 向CTC/TDCS 系統(tǒng)發(fā)送車次號校核信息，車次號校核信息內容包含機車的位置信息（CTCS-2 列控區(qū)段包含公里標和GPS/北斗信息，CTCS-3 列控區(qū)段只包含GPS/北斗信息）、車次號、機車號。在CTCS-3 區(qū)段，CIR 每隔30 s發(fā)送一次車次號校核信息。

圖5 方案三系統(tǒng)構成示意圖Fig.5 Schematic diagram of system composition of scheme three

本方案與方案二業(yè)務流程類似。本方案需要修改CIR 的軟件，使CIR 把車次號校核信息同時發(fā)給GRIS 和M-GRIS，M-GRIS 將以上信息轉發(fā)給災害監(jiān)測系統(tǒng)，使災害監(jiān)測系統(tǒng)能夠掌握列車的實時位置。根據列車位置信息，在發(fā)生自然災害時，災害監(jiān)測系統(tǒng)計算各列車距離災害地點的距離，以判斷把防災預警信息發(fā)給哪些列車。災害監(jiān)測系統(tǒng)將防災預警信息通過GSM-R/GPRS 網絡發(fā)送到相應列車的CIR 上。

本方案的主要優(yōu)點是：使用M-GRIS 設備傳送防災預警信息滿足中國鐵路總公司規(guī)劃；利用既有CIR 設備實現(xiàn)防災預警信息車地傳輸，不新增SIM 卡，可實施性強；可以通過提前預警機制消除GPRS 網絡延時的不利影響，提高系統(tǒng)的可靠性；可通過升級防災GSM-R 通信服務器軟件實現(xiàn)雨、雪等其他防災業(yè)務預警信息車地傳輸?shù)男枨蟆?/p>

本方案缺點是：下發(fā)預警信息和上報車次號校核信息時延長了占用區(qū)間小區(qū)GSM-R 無線信道的時間；預警監(jiān)測點限速范圍和提前預警范圍仍需進一步的研究明確。

4 總結

高速鐵路速度的提升對風、雨、雪和地震等災害情況時的處理速度提出更高的要求。既有的防災預警信息車地傳輸方案對防災預警的響應時間較差，列車調度員的負擔較重，容易出現(xiàn)漏報。本文提出3 種新的高速鐵路防災預警信息車地傳輸方案，通過分析比較，方案三符合中國鐵路總公司的統(tǒng)一規(guī)劃，可實施性最好，投資也較少。因此，高速鐵路防災預警信息車地傳輸建議采用方案三，但需要進一步研究具體的接口及實施方案。