淺談機車站場調車作業安全防護系統研究及意義

高 旭

(國能新朔鐵路有限責任公司 機務分公司 科技裝備中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

目前，擔當牽引任務的機車從出段至始發車站進行掛車作業，中間站執行調車作業任務或終到車站摘掛至進入段內的過程中(包括出段/入段、進入/駛離車站、穿越車站股道、轉線等)，乘務員依據地面調車信號機的顯示(藍、白燈或紅燈)操縱機車運行。因受站場軌道電路等條件制約，地面信號機顯示藍燈或白燈時，以及出庫閘樓信號機顯示紅燈時，機車信號均為白燈狀態，當機車在上述場景下運行時，列車運行監控裝置(LKJ)只具備防止超速運行功能，不能對調車關閉信號、股道存留車、盡頭線車擋等進行防護控制，安全防護完全由司機人工控制。所以在以上情況下，一旦司機操縱失誤，就可能導致發生冒出關閉信號、擠壞道岔、沖撞車擋、或與其他到發列車發生沖突的事故，是行車安全的重大安全隱患。

1 研究方向及目標

通過研究站場聯鎖信號設備接口技術、調車管理系統與聯鎖系統、列控車載設備通信技術，獲取進路狀態、站場狀態等各種地面線路狀態的方法和聯鎖信息的動態顯示，并實現車載和地面設備的信息交互。根據調車作業需求，研究既有專調機車的站場調車作業防護控制功能優化方案，研究對調車信號、超速防護等控制功能的優化。研究調車作業時站場平面信息顯示、站場狀態實時顯示、機車絕對位置顯示等的人機交互技術。研究機車運行作業遠程監測技術、機車運行記錄數據遠程下載技術、系統設備狀態監測技術。研究機車區間作業(包括救援、路用作業)的安全防護。實現調車作業防冒、防撞和防超、防沖撞道岔、防止越過盡頭線、防止越過接觸網終點標、區間作業(包括救援、路用作業)防護等控制，解決目前機車調車作業缺乏有效技防手段的問題，降低調車作業安全風險；系統能夠通過接收地面控制服務器發送的車站聯鎖信息，實現地面調車信號在機車上的復示，解決因站場環境復雜、司機對站場不熟悉、瞭望條件有限等不利因素導致司機誤認調車信號的問題。將調車作業安全防護的信息集成在LKJ屏幕顯示器中進行顯示，根據司機調車作業所需的站場軌道區段占用/出清、道岔定位/反位、調車信號開放(白燈)/關閉(藍燈)，以及接觸網終點、站界等停車防護點位置和類型等信息以平面化的方式動態顯示，輔助司機調車作業的各種信息一目了然，便于司機操作。

2 系統方案研究

2.1 系統架構

機車站場調車作業安全防護系統由車載子系統、地面控制子系統、地面監測和分析子系統組成。

車載子系統負責機車狀態信息采集和地面控制信息接收，并根據北斗差分定位進行機車位置定位，實現調車作業和區間作業的安全防護，同時將防護信息在人機交互單元上進行顯示。地面控制子系統通過與聯鎖系統接口接收車站聯鎖信息，通過LTE網絡(或公網)或數傳電臺發送至車載設備。車地通信根據實際情況采用無線數傳電臺或LTE網絡(或公網)通信方式。

2.1.1 聯鎖信息接口技術

實現與站場聯鎖信號設備接口，獲取地面站場聯鎖系統的表示站場設備設施狀態的實時信息，主要包括列車信號機狀態、調車燈信號狀態、道岔開放方向、軌道區段占用和出清狀態等。接口采用隔離方式，信息的獲取不影響聯鎖信號設備正常工作。

2.1.2 基于通信的無線信號控制技術

實現調車管理系統與計算機聯鎖通信獲取進路狀態、站場狀態等各種地面線路狀態，同時通過無線通信網絡與車載設備相連，實時獲取列車的狀態，并結合地面情況，調車作業計劃編制遠程自動上傳，智能調度系統使調車作業運用管理更加直觀、實時和智能。

2.1.3 站場調車作業防護控制技術

實現既有專調機車的站場調車作業防護控制需求，并結合機車站場調車作業的特征和司機操作的實際需求，研究適應機車站場調車作業防護控制模式。主要研究以下內容。

2.1.3.1 調車信號處理。車載設備接收站場聯鎖信息后，根據機車所在位置，實時計算處理機車運行前方的調車進路信息以及前方調車信號狀態。

2.1.3.2 調車防超速控制。對機車在軌道區段、道岔區段、特殊限速區段、牽引推進狀態等不同位置和調車作業狀態下的防超速控制需求進行分析，研究適應機車站場調車作業的防超速控制模式。

2.1.3.3 調車防冒進控制。對機車在調車信號機、盡頭線車擋、存留車股道的存留車等防護點前的控制需求進行分析，研究適應機車站場調車作業的防冒進控制模式。

2.1.4 調車作業時的人機交互技術

對機車在站場調車作業時，機車運行和司機操縱的特點進行分析，實現適應機車站場調車作業LKJ人機交互技術，主要包括：①站場平面信息顯示。研究人機界面單元屏幕顯示器顯示區域的劃分、信息布置與色彩運用規范，按照人機工程學原理提高顯示、提示信息的辨識效率，降低辨讀難度，提升用戶體驗。②站場狀態實時顯示。研究實時顯示站場股道、軌道區段、道岔、信號機等設備設施工作狀態。③機車絕對位置顯示。研究站場調車作業時，機車絕對位置的實時動態顯示，以便于司機操縱和瞭望。

2.2 系統組成

2.2.1 地面子系統

2.2.1.1 調車管理系統。 調車管理系統主要由中心應用服務器、調度工作站、車站服務器、車站工作站、通信接口服務器等設備組成；調車管理系統通過串口通信方式實現了與聯鎖系統的接口。其主要功能包括：站場圖信息顯示、信號控制、列車運行描述及控制、機車運用管理和報警/事件管理、調車作業計劃編制遠程自動上傳；以及進行列車的跟蹤及識別，監控車載設備等功能。

2.2.1.2 定位基站。 系統在站場建立定位基站，用于長期連續跟蹤觀測衛星信號，定位基站根據自身已知坐標和各衛星的坐標，求出差分修正值，實時發送給定位服務器。

2.2.2 車載子系統

車載子系統應以LKJ為基礎增加擴展單元，擴展單元應具備無線調車機車信號接收、無線調車燈顯信令接收、無線通信、BDS定位、調車防護控制計算等功能。擴展單元應具備BDS定位、3G/4G通信和數傳電臺功能，通過BDS定位模塊獲取軌道車的衛星定位信息，通過數傳電臺模塊或3G/4G通信獲取站場調車信號和進路信息、站場圖數據等，結合自身的機車位移、方向等信息生成控車和顯示信息發送到LKJ。LKJ擴展增加調車防護的核心控制計算以及顯示和報警功能。

2.2.3 系統通信網絡

系統網絡通信負責各子系統間以及子系統內部各設備間的數據交互，通信是整個系統的基礎保障。車地通信根據實際情況采用無線數傳電臺或LTE網絡(或公網)通信方式。

3 系統功能研究

系統應包括的調車作業功能包括：①白燈限速防護、禁止信號控制、無接觸網區防護、土擋防護、道岔防護、區段限速控制、存留車股道限速控制等，調車防護場景齊全；②具備區間作業(包括救援、路用作業)防護控制模式功能，特別是對于救援作業反向運行的控制起到安全保障；③具備機車運行作業遠程監測、記錄數據遠程下載、運行記錄數據分析和回放功能。對調車和區間作業的過程實現了安全防護，保障了機車行車安全。

3.1 調車作業安全防護

3.1.1 白燈限速防護

調車作業運行前方調車信號機顯示為白燈時，監控機車以不超過調車限速的速度越過該調車信號機。

3.1.2 禁止信號控制

運行前方調車信號機為禁止信號時，以該信號機為控制目標點，監控機車在該信號機前停車。

3.1.3 無接觸網區防護

當電力機車在段場內運行，前方進路存在無接觸網區的，以無接觸網區控制起點為停車的控制目標點，監控機車在目標點前停車。

3.1.4 土擋防護

前方進路為盡頭線車擋時，系統監控機車以不超過規定的速度進入盡頭線運行，并以盡頭線車擋防護點為停車的控制目標點，監控機車在車擋前停車。

3.1.5 道岔防護

機車前方進路存在需要限速的道岔時，以道岔位置為控制目標點計算產生控制模式曲線，并以道岔限速值監控機車通過道岔區段。

3.1.6 區段限速控制

機車前方進路存在限速區段時，以前方調車信號機為控制目標點計算產生控制模式曲線，并以區段限速值監控機車通過限速區段。

3.1.7 存留車股道限速控制

前方線路中停有存留車輛，監控機車以不超過規定的速度進入存車股道。

3.2 區間作業安全防護

3.2.1 作業區段防護

機車區間作業運行至作業起點前，控制機車在作業起點前停車，解鎖操作越過作業起點后自動轉入作業封鎖控制。

3.2.2 封鎖區段防護

機車進入作業封鎖區范圍后，系統根據機車運行方向，控制機車在作業區間起點和終點前停車。

3.3 顯示與報警

屏幕顯示器應具備通過讀取站場圖數據實時繪制站場平面圖，顯示軌道區段占用情況、調車信號機顯示情況、道岔定反位狀態和機車位置。對調車信號變化、調車進路變化、前方防護點類型變化等信息進行語音提示。

3.4 運行信息記錄與回放功能

系統應保留既有LKJ的運行信息記錄功能不變，具備調車防護模式和區間作業模式下的信息記錄功能：①進路信息，主要包括前方信號狀態、距防護點距離、限速信息等；②提示窗口信息，主要包括系統自動定位信息等；③調車操作信息，主蹤/出站調車通知書編號、確認機車位置信息等；④設備基本信息，主要包括軟件版本信息、站場圖基礎數據版本信息等。

3.5 人機交互功能

①具備站場平面圖、模式曲線圖顯示功能；②站場平面圖形可根據機車運行自動追蹤連續顯示；③站場平面應具備軌道區段、調車信號機、道岔等設備設施的狀態顯示和調車作業時特殊地點(站界、一度停車牌、電化區域等)的顯示；④運行前方一定里程范圍的控制模式曲線；⑤以圖形或數字形式，顯示實際軌道車運行速度、限制速度、距前方信號機距離、里程和日歷時鐘等；⑥無線調車燈顯信令(平面調車)按既有LKJ平面調車燈顯方式顯示；⑦顯示調車作業運行中的重要提示信息。

4 系統研究意義

4.1 經濟意義

通過在機車上加裝站場調車作業安全防護系統，將會提升運行安全性和運輸效率，降低人力成本。主要基于以下幾個方面：①系統自帶站場圖數據的遠程換裝功能，大幅減少因數據換裝投入的工作人員數量并提升換裝效率；按照鐵路機車數量129臺(段屬9臺HXD1、段屬45臺SS4B<代管2臺>、段屬26臺內燃<代管2臺>、聯運單位59臺SSG)估算，全面推廣應用調車防護系統，可以大幅減少站場圖數據換裝使用工作人員數量，預計每年可減少人工換裝1 500余臺次，節約人工20人左右，每年直接增加經濟效益為200余萬元。②系統實現全電子化調車作業計劃傳輸功能，大幅減少相關人力資源投入和辦公用品消耗。

按照鐵路既有機車數量129臺估算，全面推廣應用調車防護系統，可以大幅減少作業計劃傳輸使用工作人員數量，預計每年可減少人工傳輸1 000臺次，節約人工10人，每年直接增加經濟效益為100余萬元。

4.2 社會意義

4.2.1 調車作業控制精益求精

系統采用的輪對測速、北斗差分定位等多通道融合的測速測距技術，進一步提升了站場調車作業的控制精度，解決了傳統測速測距定位受空轉、輪滑等因素影響干擾的問題。

4.2.2 通信技術的兼容與拓展

站場調車作業安全防護系統兼容數傳電臺傳輸，隨著新型無線通信技術的應用推廣，可實現更高效的車地數據交互，進一步提升控制的實時性與安全性。

4.2.3 調車作業的車地協作發展

系統通過無線信息傳輸技術，打通了調車作業和地面管理的信息傳輸通道，車地協同作業更加規范化；且具備調車作業遠程監測功能，作業人員可以在地面實時監測列車作業過程，有利于規范機車調車作業，減少人為誤操作而導致的超速、甚至脫軌事故的發生。

4.2.4 設備運維能力的提升

系統提供站場圖數據遠程換裝功能，作業人員可以通過系統實現數據的遠程換裝和運行記錄文件的遠程下載，進一步提升了系統的智能運維能力，減少作業人員投入。

研究鐵路站場調車作業安全防護系統，可以有效解決常年困擾重載鐵路調車作業缺乏技防手段、作業事故頻繁的行業難題，為其他重載鐵路線路調車作業安全防護提供思路和示范。

4.3 安全意義

①提升調車作業安全防護，解決機車站場調車過程中存在的擠、撞、脫、冒問題，保障機車調車安全。②提升區間作業安全防護，解決機車救援、路用等區間作業非法進入或越出作業區域，特別是區間反向運行的救援作業的安全防護問題，保障區間作業安全。③提升站場調車作業的安全性，機車安全防護系統在LKJ的安全防護下進行控制列車運行，并根據調車信號機、道岔和區段限速、無網區和存車線等信息，精準控制列車運行在LKJ安全防護速度曲線運行，確保列車運行安全。解決原來僅依靠司機看調車信號行車，易造成調車事故的問題。