路權(quán)切換場(chǎng)景下鐵路道口控制方案研究

宋文婷

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

鐵路道口是指鐵路線(xiàn)路上路面寬度在2.5 m 及以上，直接與道路貫通的平面交叉[1]。2013 年發(fā)布的《鐵路道口管理辦法》中規(guī)定“既有鐵路與道路的平面交叉應(yīng)逐步改為立體交叉。新建、改建鐵路原則上不設(shè)置平面交叉”[2]。目前中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)公司管轄范圍內(nèi)的鐵路平交道口數(shù)量正逐年減少，但是在一些礦企、港區(qū)的自管自維專(zhuān)用線(xiàn)項(xiàng)目中，受地形條件、施工難度、工程投資等因素的影響，公路、鐵路交叉部分仍會(huì)采用平交道口[3]。此外，一些海處項(xiàng)目也會(huì)有平交道口的設(shè)置需求[4]。

道口在鐵路運(yùn)輸中是一個(gè)比較特殊的存在，是整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)中鐵路和公路唯一存在路權(quán)沖突的區(qū)域。從保證鐵路運(yùn)輸效率、保障列車(chē)運(yùn)行安全的角度，公鐵平交道口信號(hào)系統(tǒng)的控制方案一直遵循鐵路路權(quán)優(yōu)先的原則。本文根據(jù)鐵路區(qū)間道口信號(hào)設(shè)備技術(shù)條件，結(jié)合實(shí)際建設(shè)項(xiàng)目新港專(zhuān)用線(xiàn)安順路道口設(shè)置需求，研究了一種特殊場(chǎng)景下鐵路路權(quán)優(yōu)先切換為公路路權(quán)優(yōu)先的道口信號(hào)系統(tǒng)控制方案。

1 方案需求

新港專(zhuān)用線(xiàn)是某市港區(qū)企業(yè)為實(shí)現(xiàn)鐵路水路聯(lián)運(yùn)，從該市普鐵火車(chē)站接軌的一條企業(yè)專(zhuān)用鐵路線(xiàn)路，由企業(yè)進(jìn)行本線(xiàn)內(nèi)的調(diào)度管理和設(shè)備設(shè)施維護(hù)。受普鐵火車(chē)站和港區(qū)企業(yè)地理位置限制，兩站間的區(qū)間線(xiàn)路與市內(nèi)主干道路安順路互相交叉。

考慮到此處車(chē)輛繁忙、人口相對(duì)密集，為保證車(chē)輛和行人的安全、提高道口防護(hù)的可靠性，需設(shè)置有人值守的平交道口信號(hào)控制系統(tǒng)。道口信號(hào)系統(tǒng)控制方案采用道口自動(dòng)通知、道口自動(dòng)信號(hào)及道口自動(dòng)欄木，避免人工操縱失誤帶來(lái)的運(yùn)輸影響。

安順路方向距道口300 m 左右的位置為本區(qū)的消防支隊(duì)所在地，參考建標(biāo)152—2017《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，消防隊(duì)出警應(yīng)在5 min 內(nèi)到達(dá)火災(zāi)所在的轄區(qū)邊緣[5]。因消防出警速度要求高，經(jīng)研究決定消防出警時(shí)鐵路列車(chē)運(yùn)行需讓行公路消防車(chē)通行，無(wú)法讓行時(shí)最多影響出警時(shí)間不得超過(guò)30 s。因此本工程平交道口的控制方案需滿(mǎn)足平時(shí)以鐵路路權(quán)優(yōu)先、消防出警時(shí)以公路路權(quán)優(yōu)先的需求，實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)景下的路權(quán)切換。

2 方案研究

2.1 道口條件及設(shè)備

新港專(zhuān)用線(xiàn)企業(yè)車(chē)站和國(guó)鐵普速車(chē)站間采用人工調(diào)度指揮方式，按調(diào)車(chē)模式進(jìn)行接發(fā)車(chē)作業(yè)，區(qū)間無(wú)信號(hào)軌道電路。兩站間區(qū)間線(xiàn)路長(zhǎng)度約為8.5 km，線(xiàn)路設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為40 km/h。安順路道口距普速車(chē)站約7 km，距港區(qū)車(chē)站約1.5 km，道口寬度為20 m。

道口鐵路方向設(shè)有遮斷信號(hào)機(jī)和遮斷預(yù)告信號(hào)機(jī)，公路方向設(shè)有聲光報(bào)警器、道口欄木，道口房?jī)?nèi)設(shè)有道口控制箱、道口操縱盤(pán)、電源屏。本段線(xiàn)路沒(méi)有軌道電路，無(wú)法通過(guò)軌道區(qū)段占用條件來(lái)檢查列車(chē)接近和離去的信息，因此本方案采用設(shè)置列車(chē)檢測(cè)傳感器的方式，采集列車(chē)經(jīng)過(guò)的信息。

2.2 路權(quán)切換情景分析

在鐵路路權(quán)優(yōu)先的情況下，道口信號(hào)系統(tǒng)控制道口設(shè)備動(dòng)作程序如下。

當(dāng)列車(chē)向道口方向運(yùn)行，通過(guò)接近區(qū)段起點(diǎn)的檢測(cè)傳感器時(shí)，傳感器將列車(chē)經(jīng)過(guò)信息通過(guò)電信號(hào)傳給道口設(shè)備控制箱。

道口控制箱接收到報(bào)警命令后，自動(dòng)觸發(fā)公路報(bào)警信號(hào)，聲光報(bào)警器開(kāi)始閃紅燈并發(fā)出報(bào)警聲音，催促道口處的車(chē)輛和行人迅速通過(guò)。

設(shè)定時(shí)間后欄木自動(dòng)落下，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路通行的封鎖，等待鐵路列車(chē)的經(jīng)過(guò)。如遇特殊情況，道口值班員可及時(shí)按壓遮斷信號(hào)按鈕，鐵路方向上的遮斷信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈，禁止鐵路列車(chē)通行，道口控制設(shè)備轉(zhuǎn)為人工控制模式操縱。

當(dāng)列車(chē)離去道口時(shí)，離去傳感器采集到列車(chē)尾部駛離的信息，道口控制箱控制聲光報(bào)警信號(hào)取消，欄木開(kāi)放。

在基本控制方案的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)消防出警公路路權(quán)優(yōu)先的切換，需先判斷道口信號(hào)控制系統(tǒng)切換條件及切換時(shí)機(jī)，再進(jìn)行相應(yīng)的道口設(shè)備動(dòng)作控制。根據(jù)列車(chē)通過(guò)道口時(shí)運(yùn)行過(guò)程的分析，道口控制系統(tǒng)收到消防出警的信息時(shí)，判斷鐵路列車(chē)通過(guò)緊急制動(dòng)是否可以在遮斷信號(hào)機(jī)前停下，若可以則應(yīng)立即切換鐵路路權(quán)為公路路權(quán)，否則不做切換。

本次道口控制系統(tǒng)方案的特殊設(shè)計(jì)需要增加2 個(gè)電信號(hào)的采集條件，分別是消防出警信息和列車(chē)是否到達(dá)遮斷信號(hào)機(jī)外側(cè)緊急制動(dòng)距離的信息，通過(guò)不同時(shí)間場(chǎng)景條件完成道口設(shè)備不同的控制策略。

安順路道口設(shè)備設(shè)置示意如圖1 所示。

圖1 安順路道口設(shè)備設(shè)置示意圖

在接收到消防出警信息的情況下，情景分析及道口設(shè)備動(dòng)作程序如下。

情景一：道口控制箱處理器接收到消防出警信息時(shí)，未接收到列車(chē)接近報(bào)警信息，道口控制箱控制鐵路方向遮斷信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈。道口值班員注意觀察消防出警情況，待消防車(chē)通過(guò)道口后，若還未出現(xiàn)列車(chē)接近報(bào)警，則道口值班員按壓復(fù)原按鈕，道口設(shè)備恢復(fù)正常狀態(tài)；若已收到列車(chē)接近報(bào)警，此時(shí)聲光報(bào)警信號(hào)已響起，道口處車(chē)輛和行人正在快速通過(guò)。此場(chǎng)景下列車(chē)司機(jī)先看到遮斷預(yù)告信號(hào)機(jī)點(diǎn)黃燈，知道前方道口有特殊情況，列車(chē)司機(jī)會(huì)采取常用制動(dòng)措施使列車(chē)在遮斷信號(hào)機(jī)前方停車(chē)，等待通行指令。道口值班人員確認(rèn)道口內(nèi)無(wú)行人車(chē)輛后，人工控制欄木落下，取消遮斷信號(hào)機(jī)顯示，恢復(fù)鐵路列車(chē)通行。

情景二：道口控制箱處理器接收到消防出警信息時(shí)，已收到列車(chē)接近報(bào)警信息，但未收到列車(chē)到達(dá)緊急制動(dòng)點(diǎn)的信息，道口控制箱控制鐵路方向遮斷信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈。道口值班員注意觀察消防出警情況，此時(shí)聲光報(bào)警信號(hào)已響起，道口處車(chē)輛和行人正在快速通過(guò)。此場(chǎng)景下列車(chē)司機(jī)未看到遮斷預(yù)告信號(hào)機(jī)點(diǎn)黃燈，通過(guò)后看到遮斷信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈，列車(chē)司機(jī)會(huì)采取緊急制動(dòng)措施在遮斷信號(hào)機(jī)前方停車(chē)等待。道口值班員在觀察待消防車(chē)通過(guò)道口后，確認(rèn)道口內(nèi)無(wú)行人車(chē)輛，人工控制欄木落下，取消遮斷信號(hào)機(jī)顯示，恢復(fù)鐵路列車(chē)通行。

情景三：道口控制箱處理器接收到消防出警信息時(shí)，已收到列車(chē)通過(guò)了緊急制動(dòng)點(diǎn)，此時(shí)列車(chē)即將到達(dá)道口或正在通過(guò)道口，維持道口設(shè)備動(dòng)作不變，按照預(yù)定的動(dòng)作程序執(zhí)行。

2.3 設(shè)備位置

按照鐵路區(qū)間道口設(shè)備技術(shù)條件，自動(dòng)欄木設(shè)置點(diǎn)為距最近鋼軌3～5 m，本方案中欄木和道口信號(hào)機(jī)按距近側(cè)鋼軌5 m 設(shè)置，鐵路運(yùn)行方向上遮斷信號(hào)機(jī)設(shè)置在距離道口邊緣50 m 處。在接近區(qū)段起點(diǎn)設(shè)置遮斷預(yù)告信號(hào)機(jī)和接近傳感器1，在緊急制動(dòng)區(qū)段起點(diǎn)設(shè)置制動(dòng)傳感器2，在道口邊界外側(cè)10 m 位置設(shè)置出清傳感器3。

2.3.1 接近通知時(shí)間的確定

列車(chē)接近通知時(shí)間

式中：l1為公路方向兩道口信號(hào)機(jī)之間距離，取值為10 m；l2為道路車(chē)輛確認(rèn)信號(hào)顯示的最小距離，取值為5 m；l3為道路車(chē)體長(zhǎng)度，機(jī)動(dòng)車(chē)取值為22 m，牛、馬車(chē)取值為7 m；t1為道路車(chē)輛以規(guī)定最低速度通過(guò)道口（在列車(chē)接近通知開(kāi)始，保證使已經(jīng)闖入道口的車(chē)輛能完全出清道口）的時(shí)間，單位為s；t2為道口欄木關(guān)閉動(dòng)作時(shí)間，取值為10 s；t3為司機(jī)采取緊急制動(dòng)確認(rèn)時(shí)間，取值為5 s；vd為車(chē)輛通過(guò)道口的規(guī)定最低速度，非機(jī)動(dòng)車(chē)輛取5 km/h，機(jī)動(dòng)車(chē)輛取10 km/h[1]。

計(jì)算可得

本方案中T 按大數(shù)取整為31 s。

2.3.2 列車(chē)緊急制動(dòng)距離的確定

列車(chē)緊急制動(dòng)距離按照適用于任何鐵路貨車(chē)和任何線(xiàn)路條件的原則，計(jì)算得出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)為臨界點(diǎn)的最大值，確保列車(chē)運(yùn)行安全。

參照TG 01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（普速鐵路部分）[6]，速度120 km/h 及以下的列車(chē)制動(dòng)距離不得超800 m，按照司機(jī)緊急確認(rèn)時(shí)間為5 s，則該速度下列車(chē)實(shí)際操作制動(dòng)距離為

根據(jù)

計(jì)算可得列車(chē)由120 km/h 的速度制動(dòng)到0，制動(dòng)加速度a=-0/88 m/s2；因此鐵路貨車(chē)制動(dòng)加速度至少應(yīng)滿(mǎn)足a=-0/88 m/s2的條件。

在本工程中v0=40 km/h，計(jì)算可得列車(chē)緊急制動(dòng)距離為S制動(dòng)=70 m。

2.3.3 接近區(qū)段長(zhǎng)度的確定

式中：vg為列車(chē)在接近區(qū)段內(nèi)運(yùn)行的最高速度，vg取值為40 km/h；L1為道口中心到遮斷信號(hào)機(jī)的長(zhǎng)度，L1取值為60 m；L2為列車(chē)緊急制動(dòng)長(zhǎng)度，L2取值為70 m。

計(jì)算可得

接近傳感器1 設(shè)置在接近區(qū)段的起點(diǎn)，因此接近傳感器1 設(shè)置在道口中心474 m 的位置。

2.3.4 緊急制動(dòng)傳感器2 位置的確定

緊急制動(dòng)傳感器2 設(shè)置需考慮列車(chē)司機(jī)收到制動(dòng)命令后的反應(yīng)時(shí)間，按司機(jī)接收到制動(dòng)指令后反應(yīng)時(shí)間為5 s 計(jì)算，列車(chē)采取緊急制動(dòng)后應(yīng)在鐵路遮斷信號(hào)機(jī)前停下。

因此緊急制動(dòng)傳感器2 設(shè)置在距離鐵路遮斷信號(hào)機(jī)126 m 的位置，則距道口中心距離為186 m。

2.4 控制邏輯設(shè)計(jì)

道口信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定型產(chǎn)品從接近點(diǎn)式報(bào)警的DX3 型[7]慢慢過(guò)渡到模塊化的道口信號(hào)設(shè)備，目前各道口控制處理器多采用模塊化的電路板，具有列車(chē)接近、離去的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并預(yù)留信號(hào)DI 輸入與DO輸出控制接口[8]。道口主機(jī)內(nèi)CPU 主板可接收各傳感器板、DI 輸入板的電信號(hào)并進(jìn)行邏輯處理，將運(yùn)算結(jié)果輸出至室外控制單元。在道口控制設(shè)備安裝時(shí)設(shè)置好控制系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)道口設(shè)備的自動(dòng)控制。

常規(guī)的道口控制處理器通常以鐵路路權(quán)優(yōu)先來(lái)設(shè)置道口控制邏輯，不滿(mǎn)足本工程中道口信號(hào)控制方案需實(shí)現(xiàn)公鐵路權(quán)切換的特殊需求。根據(jù)前文情景分析，本次道口信號(hào)系統(tǒng)方案的特殊設(shè)計(jì)在于道口控制處理器的輸入信息中增加列車(chē)經(jīng)過(guò)緊急制動(dòng)區(qū)段起點(diǎn)的信息和消防出警的信息。緊急制動(dòng)區(qū)段起點(diǎn)傳感器信息通過(guò)電纜將制動(dòng)傳感器2 與控制主機(jī)連接即可采集，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)道口控制器接收到傳感器2 發(fā)送的一個(gè)電信號(hào)。

消防出警信息的采集需進(jìn)行特殊電路設(shè)計(jì)。本方案中在消防接警大廳靠墻位置設(shè)置一個(gè)出警通知箱盒，封裝出警信息按鈕（BJA）和出警繼電器（BJJ）。道口值班房?jī)?nèi)設(shè)出警接收繼電器（JBJJ），接警大廳和道口值班房之間通過(guò)1 根8 芯電纜傳輸信息。控制電路如圖2 所示。

圖2 消防報(bào)警控制電路圖

當(dāng)消防接警大廳接線(xiàn)員收到火災(zāi)信息并判斷需要出警后，立刻按壓出警信息按鈕，出警繼電器BJJ 勵(lì)磁接通出警電路，道口房?jī)?nèi)的出警接收繼電器JBJJ 隨之勵(lì)磁吸起，接通道口控制箱內(nèi)的采集電路，道口控制器接收到出警電信號(hào)。

本文研究方案將采集到的這3 個(gè)信息作為道口系統(tǒng)輸入的開(kāi)關(guān)量，按照表1 的控制邏輯進(jìn)行編程，輸出對(duì)鐵路遮斷信號(hào)機(jī)控制命令。

表1 道口控制處理器編程邏輯

2.5 效果分析

按照情景一和情景二的道口信號(hào)控制系統(tǒng)的控制策略，當(dāng)?shù)揽谛盘?hào)控制系統(tǒng)接收到消防出警信息時(shí)，鐵路的遮斷信號(hào)機(jī)立即點(diǎn)亮，取消鐵路方向上的列車(chē)通行路權(quán)，待消防車(chē)通過(guò)后再恢復(fù)列車(chē)運(yùn)行。這2 個(gè)情景的道口控制策略滿(mǎn)足特殊條件下公路路權(quán)優(yōu)先的需求。

在場(chǎng)景三的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，沒(méi)有進(jìn)行公路路權(quán)的絕對(duì)切換，但是實(shí)質(zhì)對(duì)消防出警的影響不大。以道口控制箱接收到消防出警信息時(shí)列車(chē)車(chē)頭剛好通過(guò)緊急制動(dòng)傳感器2，此時(shí)為影響消防出警時(shí)間的最大臨界點(diǎn)。

按列車(chē)整編車(chē)長(zhǎng)為800 m、列車(chē)運(yùn)行速度40 km/h考慮，列車(chē)從車(chē)頭通過(guò)緊急制動(dòng)傳感器2 至車(chē)尾出清傳感器3 的運(yùn)行距離約1 000 m，則列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)時(shí)間為90 s。欄木開(kāi)放時(shí)間取10 s，因此接收出警信息至欄木開(kāi)放公路方向通車(chē)的時(shí)間最多為100 s。根據(jù)《公安消防部隊(duì)執(zhí)勤戰(zhàn)斗條令》規(guī)定“公安消防中隊(duì)執(zhí)勤人員聽(tīng)到出動(dòng)信號(hào)后，首車(chē)駛離車(chē)庫(kù)的時(shí)間一般不得超過(guò)一分鐘”[8]。按照一般情況，消防支隊(duì)收到出警指令至車(chē)出庫(kù)門(mén)的時(shí)間定為60 s，庫(kù)門(mén)行駛至道口處約為25 s。因此情景三中，影響消防車(chē)隊(duì)出警的時(shí)間約為15 s，屬于可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以新港專(zhuān)用線(xiàn)區(qū)間公鐵平交道口作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的道口設(shè)計(jì)需求分析，提出了一種特殊場(chǎng)景下公路路權(quán)優(yōu)先的道口設(shè)備設(shè)置方案和道口信號(hào)控制方案，并設(shè)計(jì)了不同情景下道口信號(hào)設(shè)備的控制邏輯和公鐵路權(quán)切換的實(shí)現(xiàn)方式。道口方案的特殊化設(shè)計(jì)不僅是我國(guó)礦企、港區(qū)的鐵路建設(shè)的需要，在我國(guó)與其他國(guó)家合建的鐵路也有相關(guān)的方案設(shè)計(jì)[9-10]，希望本文能對(duì)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程建設(shè)起到參考作用。