面向地方貨運鐵路的智能列控系統(tǒng)研究

張志春、何澄、張亞忠

（1.陜西鐵路物流集團有限公司，陜西 西安 719300；2.陜西靖神鐵路有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；3.卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

0 引言

我國鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15 萬km，其中高速鐵路不足4 萬km。面對普速鐵路運輸不斷提高的運量需求，需要對普速鐵路列控系統(tǒng)進行一定的升級改造。如果將全部普速鐵路列控系統(tǒng)升級為高鐵列控系統(tǒng)，將存在以下問題：

其一，高鐵列控系統(tǒng)軌旁設(shè)備眾多、線纜鋪設(shè)極其復(fù)雜，尤其是列車占用檢查和完整性監(jiān)控所需的軌道電路設(shè)備安裝維護成本較高，列車定位所需的實體應(yīng)答器布置安裝復(fù)雜。

其二，高鐵列控系統(tǒng)雖然對固定閉塞進行了優(yōu)化，但列車目標(biāo)制動點仍然應(yīng)在前方列車所占用閉塞分區(qū)的外方，尚沒有突破軌逋電路的限制，不能最大限度地減少列車追蹤間隔。

由于地方貨運鐵路普遍站間距離短，軌道利用率不高，以上問題更為突出，因此提高地方貨運鐵路的運輸效率問題受到廣泛關(guān)注。

隨著我國鐵路科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，列控技術(shù)發(fā)展聚焦在衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用和移動閉塞等方向上，旨在應(yīng)用最新技術(shù)和創(chuàng)新手段，提升鐵路運輸能力、服務(wù)質(zhì)量和列控系統(tǒng)性能，降低全生命周期成本。智能列控系統(tǒng)是在已有列控系統(tǒng)的研究和開發(fā)成果的基礎(chǔ)上，針對地方貨運鐵路的應(yīng)用需求，綜合運用北斗衛(wèi)星定位的多源融合列車自主定位、移動閉塞、電子地圖、完整性檢測、基于IP 的（4G）無線通信等技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)運行高效化、軌旁設(shè)備簡約化、室內(nèi)設(shè)備集中化，滿足移動閉塞運行要求的智能列控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能列控系統(tǒng)主要由車載設(shè)備、地面設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

車載設(shè)備主要包括車載主機、車載外圍設(shè)備及列尾設(shè)備，車載設(shè)備采用冗余結(jié)構(gòu)，單系獨立設(shè)備故障后不影響系統(tǒng)運用。

地面設(shè)備主要由軌旁設(shè)備和中心設(shè)備組成：軌旁設(shè)備主要包括車站聯(lián)鎖設(shè)備、定位應(yīng)答器、衛(wèi)星差分基站等；中心設(shè)備主要包括無線閉塞中心、臨時限速服務(wù)器。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于北斗衛(wèi)星的列車自主定位

車載設(shè)備融合北斗導(dǎo)航、速度傳感器等多種信息，結(jié)合電子地圖、虛擬應(yīng)答器和實體應(yīng)答器，實現(xiàn)滿足列車運行控制精度、安全性、可靠性要求的列車綜合定位功能。

在衛(wèi)星信號接收良好的地區(qū)，列車定位依靠衛(wèi)星定位，融合慣性導(dǎo)航、車輪速度傳感器進行定位；在車站，通過增加衛(wèi)星差分基站提高衛(wèi)星定位的精度；在短隧道等衛(wèi)星信號短時遮擋地區(qū)，主要依靠慣性導(dǎo)航和車輪速度傳感器進行定位；在長隧道等衛(wèi)星信號受遮擋地區(qū)，在隧道內(nèi)配置無源應(yīng)答器，輔助慣性導(dǎo)航和車輪速度傳感器進行列車定位。車載設(shè)備應(yīng)能夠接收北斗差分信息，提高衛(wèi)星定位的精度。北斗差分定位信息傳輸路徑如圖2 所示。

圖2 北斗差分定位信息傳輸路徑

2.2 基于車載的列車完整性檢測

基于車載的列車完整性檢測主要是基于列車制動管風(fēng)壓檢測的列尾防護裝置，通過檢測列車制動風(fēng)管壓力的情況，判斷列車的完整狀態(tài)和制動狀態(tài)的異常。當(dāng)列車制動風(fēng)管壓力因非正常原因而泄漏，低于正常值時，列尾設(shè)備判斷完整性故障，發(fā)出報警提示以保證列車的運行安全。但是基于列車制動管風(fēng)壓檢測的列尾防護裝置存在一些問題。例如，風(fēng)壓折角塞門關(guān)閉，導(dǎo)致采用人工方式查詢風(fēng)壓不能保證列尾風(fēng)壓檢測的實時性；公用的通信通道使得無線列調(diào)與列尾檢測系統(tǒng)之間存在沖突和干擾。

智能列控系統(tǒng)采用的安全列尾主機不僅可以實時監(jiān)控列車風(fēng)管壓力，同時還通過衛(wèi)星定位單元實時獲取列尾的位置、速度、加速度信息，判斷列車的完整性。保證了在列車運行過程中的完整性監(jiān)控，在提升效率的同時，具備更高的安全性。

列尾主機與車載主機的無線通信使用國密安全協(xié)議，列尾主機周期性地向車載主機發(fā)送列尾風(fēng)壓信息和北斗定位信息，車載主機通過計算列首及列尾的相對車長、速度、風(fēng)壓等，結(jié)合地圖匹配等技術(shù)，判斷列車的完整性狀態(tài)。車載主機考慮列車運行線路周圍的山體、隧道、建筑物等對北斗定位功能的影響，合理設(shè)計列尾風(fēng)壓、北斗定位信息在不同工況下判斷列車完整性狀態(tài)的權(quán)重。車載主機和列尾主機無線通信示意如圖3 所示。

圖3 列尾主機無線通信示意圖

2.3 LTE 無線通信技術(shù)

LTE 無線通信技術(shù)為高鐵列控系統(tǒng)使用的GSMR 無線通信技術(shù)升級后的技術(shù)，具有高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容等方面的優(yōu)勢，并且在公眾移動通信領(lǐng)域、各行業(yè)應(yīng)用上已經(jīng)非常成熟，具備完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，利用LTE 技術(shù)構(gòu)建寬帶移動通信平臺，并承載車地?zé)o線通信、安全列尾等安全業(yè)務(wù)是鐵路信號無線發(fā)展的方向。

智能列控系統(tǒng)車載設(shè)備使用雙套APN 專線接入，通過安全數(shù)據(jù)通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｍㄟ^LTE 無線通信技術(shù)，可以使車地信息交互在1s 內(nèi)完成，極大地提升了信息交互的實時性，為列控系統(tǒng)的安全性提供了保障。LTE 無線網(wǎng)絡(luò)通信方式如圖4所示。

圖4 LTE 無線網(wǎng)絡(luò)通信方式

2.4 移動閉塞技術(shù)

智能列控系統(tǒng)車載設(shè)備以無線閉塞中心發(fā)送的行車許可作為行車憑證。基于列車的精確定位和車地雙向連續(xù)通信，后車的行車許可能夠到達(dá)前車的安全車尾，實現(xiàn)列車緊密追蹤、列車超速防護，可以有效解決現(xiàn)行機車信號使用的控車安全性不足的問題，同時移動閉塞實現(xiàn)了運能動態(tài)配置的功能，根據(jù)運能需要增加和縮短列車的追蹤間隔。

移動閉塞區(qū)間能力提升原理如圖5 所示。

圖5 移動閉塞區(qū)間能力提升

在智能列控系統(tǒng)中，區(qū)間后車以前車車尾作為危險點進行追蹤運行。此時，列車在區(qū)段內(nèi)任意位置的間隔為前后兩車在安全間隔距離的運行時間。區(qū)間追蹤間隔示意圖見圖6。

圖6 區(qū)間追蹤間隔

車站同方向發(fā)車間隔L應(yīng)為前行列車出清第一離去區(qū)段，發(fā)車進路解鎖，發(fā)車進路信號即可開放。同方向發(fā)車示意圖見圖7。

圖7 同方向發(fā)車

車站內(nèi)按進路閉塞控制列車運行，區(qū)間實現(xiàn)移動閉塞較站間閉塞能夠提升效率50%以上，與傳統(tǒng)固定閉塞相比，提升效率30%以上，且列車追蹤距離不受閉塞分區(qū)長度限制，能夠更靈活適應(yīng)多種類型、速度列車同時高效運行。

2.5 人機交互技術(shù)

現(xiàn)有普速鐵路列控系統(tǒng)為非安全產(chǎn)品，數(shù)據(jù)為離線存儲數(shù)據(jù)，無法做到實時更新，當(dāng)線路數(shù)據(jù)變更時需要批量更換。而且在列車運行過程中，主要依靠司機進行列車防護，無法滿足在貨運列車不斷提速和加大載重情況下對列控系統(tǒng)操控性能的需求。

智能列控系統(tǒng)車載設(shè)備使用DMI 實現(xiàn)人機交互功能，解決了普速鐵路列控系統(tǒng)車載系統(tǒng)顯示離線數(shù)據(jù)，無法根據(jù)實際的線路情況進行顯示的問題。根據(jù)地方貨運鐵路運行的情況，通過無線通信技術(shù)，可以將中心設(shè)備提供的列車前方線路信息及時地傳遞給車載設(shè)備，車載設(shè)備通過DMI 實時更新線路數(shù)據(jù)與線路限速，使司機對前方線路情況有更加清晰的了解。特別是對于重載貨運列車，列車長度達(dá)幾千米，突發(fā)制動存在非常大的安全隱患，所以，通過DMI 實時顯示前方線路數(shù)據(jù)，有效解決臨時限速情況下的列車安全行駛問題。

2.6 與既有系統(tǒng)兼容性

現(xiàn)有普速鐵路列控系統(tǒng)覆蓋面很廣，因此新的列控系統(tǒng)與既有系統(tǒng)的兼容問題不容忽視。智能列控系統(tǒng)能與既有系統(tǒng)實現(xiàn)智能切換，在不同控制系統(tǒng)的控制區(qū)間實現(xiàn)自動切換，而且通過DMI 對司機進行提示，提高駕駛的簡便性。同時智能列控系統(tǒng)不影響未裝備設(shè)備的列車運行，可以實現(xiàn)普速鐵路列控系統(tǒng)與智能列控系統(tǒng)的混跑，極具實際應(yīng)用的價值。

3 結(jié)語

智能列控系統(tǒng)應(yīng)用北斗衛(wèi)星實現(xiàn)了列車自主安全定位和完整性檢測，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和國家相關(guān)技術(shù)政策，推動了北斗系統(tǒng)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用。同時將智能列控引入鐵路貨運系統(tǒng)，使鐵路貨運更加智能高效。不僅如此，將北斗系統(tǒng)全面引入鐵路行業(yè)，可以切實推動北斗衛(wèi)星定位在鐵路行業(yè)的深度融合發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用，有力拉動鐵路位置服務(wù)相關(guān)的信息消費，促進鐵路行業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)優(yōu)化與轉(zhuǎn)型升級。隨著北斗系統(tǒng)啟動全球覆蓋及地基增強系統(tǒng)的建設(shè)，北斗產(chǎn)業(yè)將在高速鐵路、“一帶一路”等新一輪國家和世界發(fā)展戰(zhàn)略中贏得更多的歷史機遇，“鐵路+北斗”產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將帶來更多的社會效益。