基于公網VPN及北斗定位技術的企業鐵路STP控車方案研究

張延通，趙升源

調車作業的安全防護不僅關系著列車運行的安全，而且直接影響列車編組計劃的執行、列車運行圖的實現以及車輛周轉。無線調車機車信號和監控系統（Shunting Train Protection，STP）作為重要的調車作業技防設備，有效防止了調車機調車作業過程中“冒進防護信號”“擠道岔”“沖撞土擋”“脫線”等事故的發生，在保障調車作業安全的同時，還有效提高了站場整體作業效率［1］。

目前的STP系統主要安裝在專用調車機上，由車站地面控制設備和車載控制設備組成［2］。當調車機車進入車站聯鎖集中區，經過定位應答器后，車載控制設備確認機車所在位置，通過數傳電臺通信系統把機車車號、機車位置等信息，發送給STP系統的車站地面控制設備，進行入網注冊申請；地面控制設備接收到注冊申請信息后，在滿足入網條件時，向該機車發送確認注冊信息，為該機車分配注冊號，建立安全控制信息通道，系統進入調車監控工作狀態，實現車站對所轄專業調車機的調車作業防護［3-4］。該方案雖然技術成熟，但由于采用的數傳電臺通信方式受到電臺通信距離限制，無法做到全線機車跟蹤監控，且使用無線數傳電臺進行車地通信，通信效率低，可監控機車數量有限［5］。而企業鐵路多采用小運轉模式作業，調車方式均屬于本務機車調車作業，存在作業站場、作業進路隨機等特點［6］，針對這種作業模式，目前的STP系統不太適用。

為解決企業鐵路調車作業安全防護問題，本文提出一種高性價比的基于公網虛擬專網（VPN）通信和北斗衛星定位技術的改進型STP 控車方案。該方案通過在企業鐵路調度中心設置地面中心服務系統，取消車站設備和地面應答器，依靠成熟的公網VPN 通信技術完成車地通信，利用北斗衛星定位技術完成選站注冊，實現對整條線路上所有作業機車的集中跟蹤控制。

1 總體思路

本方案的總體思路是在調度中心設置調車中心系統。調車中心系統按業務及功能劃分為多個服務器，所有關鍵設備均采用雙系冗余配置。其中，跟蹤控制服務器實現對所有車站的調車信息處理，通信服務器負責跟蹤控制服務器與其他業務之間的信息處理，STP 接口服務器負責與調度中心TDCS/CTC 系統對接，4G 通信接口服務器負責處理公網通信并與機車車載終端對接。跟蹤控制服務器一方面通過STP接口服務器與調度中心TDCS/CTC 系統對接，接收管轄內所有車站的聯鎖碼位信息、所有機車的車次號信息和各車站車務終端傳回的調車作業信息；另一方面通過公網4G通信與機車車載終端對接，機車車載終端再與機車LKJ進行通信，進而實現對整條線路上所有車站調車作業過程中的機車進行跟蹤與控制。此外，中心服務系統提供可視化的人機接口，可實時查看所有監控機車的作業情況和作業單執行情況。本方案中，各車站無需單獨安裝地面主機機柜和地面應答器?？傮w架構見圖1。

圖1 總體架構

2 通信方案

調度中心機房配置中心調車安全防護子系統，內部配置防火墻、路由器和交換機，與運營商4G網絡連接。交換機作為接入層網絡設備，與調車中心系統內部各服務器和路由器連接，通過劃分虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）實現地面中心設備的環路組網；路由器作為匯聚層網絡設備，與交換機和防火墻連接，路由器與交換機之間實現雙路鏈路冗余，通過路由器搭建中心調車安全防護子系統與運營商通信網絡之間的通信隧道（Generic Routing Encapsulation，GRE），并對系統內部原始數據進行GRE 封裝；防火墻作為核心層網絡設備，與路由器和運營商網絡連接，使用IPSec VPN 加密技術對系統數據進行封裝加密，與專用4G通信網絡進行數據傳輸與交互。

具體來說，中心調車安全防護子系統內部服務器發出的數據，經過接入層的交換機在環路組網中整合、處理后生成原始數據，傳向匯聚層的路由器，經過GRE 虛擬專網隧道后，在原始數據前增加“IP 報頭”和“GRE 頭”，對原始數據做進一步封裝，形成“IP 報頭+GRE 頭+原始數據”格式的中間數據；隨后，封裝后的中間數據由匯聚層向核心層的防護墻傳輸，做進一步的IPSec 加密封裝，在中間數據的頭部增加“新IP 報頭”和“ESP 頭”，在中間數據尾部增加“ESP trailer”和“ESP auth”，形成“新IP 報頭+ESP 頭+IP 報頭+GRE 頭+原始數據+ESP trailer+ESP auth”格式的加密數據，隨后發向專用的4G通信網絡。

運營商對中心調車安全防護子系統傳來的加密數據，通過專用的網絡通道發送給作業中的調車機車。每臺非固定調車機車上，配置裝有雙4G 異模通信模塊的車載終端設備，4G通信模塊支持移動、聯通等多個運營商的4G 通信。車載終端采用接入點名稱（Access Point Name，APN）網絡接入技術配置車載終端4G通信方式，使用基于APN技術的專用物聯卡，用于車載終端與中心調車安全防護子系統之間的通信。

中心調車安全防護子系統與非固定調車機車之間采用雙路4G冗余通信的方案，既解決了數傳電臺傳輸區域小的問題，又解決了單個4G通信存在安全性和不穩定性的問題，適合本務機車的調車安全防護。

3 選站方案

本方案工作方式與常規的STP 相同，是以站場為單位對進行調車作業的機車進行安全防護。車載設備和地面設備之間通常有3 種狀態：斷開、連接、監控。當車載設備無法收到選定站場的任何信息時，為斷開狀態；當車載設備只收到選定站場的聯鎖碼位信息時，為連接狀態；連接狀態下的車載設備，向地面發起注冊后，收到本車的進路控制信息，此時即進入監控狀態，系統將對機車進行調車安全防護。

但與常規方案不同，本方案并未使用自動化程度低、效率低的人工選站方式或成本高、靈活性低的應答器識別選站方式，而是采用一種基于衛星定位的自動選站方案。本方案中，車載設備引入衛星定位模塊，機車進行實時定位，并將定位信息作為選站的重要依據，其主要作用包括2 點：一是確定當前機車作業的站場；二是對相應站場的聯鎖碼位管理，包括站場碼位發送申請和站場碼位停發申請等。選站流程見圖2。

圖2 基于衛星定位的自動選站方法流程

站場區域的選擇需根據實際情況，選取一個站場中心點，測量其經緯度坐標，并確定一個至少可以覆蓋所有作業區段的半徑長度，形成一個圓形區域，該區域即為站場區域。站場鎖定是指某個站場，不受其它選站條件約束，無條件作為機車當前作業站場的情況。鎖定的站場最多只能存在一個。

本方案可根據站場的數據配置，在車列接近站場時基于衛星定位進行自動選站，提前獲取聯鎖碼位信息，司機可通過車載終端提前獲知前方信號機情況，全程無需人為介入，自動化程度、安全性與調車防護作業效率都較傳統方案有所提高。同時，該方案中站場區域的劃定只需通過數據配置，無需安裝應答器。一方面避免了安裝應答器帶來的成本消耗、人員消耗、設備維護消耗等；另一方面針對不同的站場情況、站改情形，只修改相應數據即可，易于后期維護，靈活性高，適應性強。

4 異常情況分析與優化

《無線調車機車信號和監控系統技術條件》（TB/T 3505—2018）第5.3.1 章節對正常調車監控條件進行了定義：在正常調車監控條件下（無線通信正常，LKJ工作正常，機車測速測距準確度符合要求，車列制動軟管連接狀態符合相關規定的要求，系統聯鎖信息采集及傳輸符合要求并工作正常，無調車信號突變及分路不良等異常情況），結合LKJ 實現調車作業防護功能［7］。即STP 正常工作的前提條件包括無線通信正常，LKJ 工作正常，機車測速測距準確度符合要求，以及無調車信號突變、分路不良等異常情況。在實際應用中發現，STP 異常注銷的案例中，除極少數通信異常外，多是因系統判斷出現分路不良，注銷機車。

4.1 異常原因分析

STP 對車列（機車）首尾位置的計算是基于LKJ 里程和軌道電路占用狀態變化［8-9］，而基于軌道電路狀態變化實現的定位算法，容易存在定位誤差，且誤差隨著時間的累積可能會超過站場內部分區段的長度，甚至可能會出現機車實際位置與軌道電路實際占用區段不一致的情況［10］。當此種情況發生時，就會導致STP 判定出現了分路不良而注銷機車，對后續調車作業安全埋下重大安全隱患。經分析，該位置誤差主要來源于位置校準誤差和LKJ發送的里程誤差。

首先是位置校準誤差，為確保系統安全防護作用，需在軌道電路占用/出清時，根據延遲波動峰值對碼位信息的采集時延進行補償，對車列位置進行校準，即保證計算車列位置比實際車列位置靠前。所以延遲波動越大，計算車列位置與實際車列位置的誤差也就越大。如前文所述，本方案的調車中心系統設置在調度中心，并與調度中心的TDCS/CTC系統接口通信，接收管轄內所有車站的聯鎖碼位信息。整個信息交互過程為“車站聯鎖系統—車站CTC 系統—調度中心CTC 系統—調車中心系統—機車車載系統”，較傳統STP 的“車站聯鎖系統—車站調車防護系統—機車車載系統”的信息交互流程要更長，相應的延遲波動也更具不確定性。同時調車中心系統與機車車載系統的通信采用運營商公網，加劇了延遲波動的不確定性。

LKJ發送的里程誤差則主要來源于機車的輪徑值誤差。當機車輪徑因磨損而減少時，LKJ記錄的里程將大于實際里程，從而導致STP 的計算位置與實際位置出現偏差。

4.2 優化方案

1）為降低誤差，需采集分析相關數據，查找產生數據傳輸延遲和波動的原因，逐步優化，減少數據傳輸延遲，抑制延遲波動。此外，還要加強相關信息數據的管理，定期測量更新調車機車輪徑值等關鍵數據，確保數據的準確性，盡可能使STP對車列（機車）的計算位置與實際位置相近。

2）目前，基于地基增強的北斗差分技術，已經可以實現亞米級、厘米級的高精度定位，可通過測量車站線路的空間位置信息，制作車站站場電子地圖，采用車列（機車）高精度衛星定位與軌道電路跟蹤結合的方式，更加精準地實現對車列（機車）的位置跟蹤。

3）分析梳理各種系統注銷情況，完善分級報警機制。系統注銷通常可分為可預期注銷和意外注銷兩類。由可預期事件觸發的系統注銷，通常屬于非緊急狀況的控制權轉換。系統應盡早向乘務人員發出提醒，以保證乘務人員有足夠的時間完成接管工作，系統發出的提示應跟隨請求時間逐步提升警告強度。例如從單純視覺信號報警，升級到視覺信號加聲音信號報警，直至乘務人員確認。由意外事件觸發的系統注銷，通常屬于緊急狀況的控制權轉換，系統除向乘務人員發出報警信息外，還應采取緊急制動等措施，避免事故的發生。

5 結束語

為補齊企業鐵路調車安全防護技術短板，提出基于公網VPN 及北斗定位技術的企業鐵路STP 控車方案：基于公網VPN 技術完成車地通信，利用北斗衛星定位完成選站注冊，并對車列（機車）在該站區的調車作業進行防護。這種無站場地面設備、無車站設備，僅需在調度中心安裝地面設備的方案，無需新建和維護鐵路專用無線通信系統，具有很高的經濟效益和社會效益。該方案已在中國平煤神馬控股集團企業鐵路部署試用，試驗效果滿足企業鐵路調車安全防護需求，可為其他企業鐵路推廣應用提供技術參考。