高速铁路大风报警信息实时传输系统方案研究

窦垭锡，蔺 伟，刘 畅

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081）

大风是影响铁路安全运营的主要自然灾害之一，严重时会导致列车脱线、接触网断线等重大事故，危急行车安全。为保障高速列车的安全运行，对大风灾害实时监测并及时报警是迫切需要解决的问题。我国高速铁路地震预警系统已经实现地震预警信息传输，必要时可触发列车紧急制动[1]，而大风报警信息的发布和处理还依赖于调度人员手工操作，时效性较差且容易出现遗漏。为此，研究高速铁路大风报警信息实时传输系统，以保障高速列车在大风天气下运营的安全性和可靠性。

1 高速铁路大风报警信息实时传输系统架构

目前大风报警的处置流程主要是由现场风速监测点对风速数据进行采集，经过计算机处理后实时传送至铁路局集团公司大风监测中心，当大风监测中心调度终端发出报警信息后，调度员进行报警信息确认，然后在调度集中系统(CTC)查找处于报警区段的列车信息，通过电话或调度命令的形式通知司机限速运行，司机接收到调度命令或通知后，应立即采取措施，必要时调度员可通过临时限速服务器进行限速[2-3]。为提升大风报警处置效率和智能化水平，开展大风报警信息实时传输系统的方案研究。

大风报警信息实时传输需要高速铁路自然灾害及异物侵限系统铁路局中心系统[4](以下简称“防灾铁路局中心系统”)、列车位置信息提供系统、大风报警信息实时传输系统、铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)及动车组车载设备共同实现。大风报警信息实时传输系统与各系统接口网络应采用冗余设置，接口服务器之间采用TCP/IP协议传输数据。

大风报警信息实时传输系统由报警信息处理单元和通信接口单元2部分组成，大风报警信息实时传输系统架构如图1所示。

1.1 报警信息处理单元

报警信息处理单元主要包括报警接口服务器、报警应用服务器、数据存储服务器和操作终端。报警接口服务器用于接收风速报警数据，并将报警数据发送给报警应用服务器，同时将动车组车载设备执行情况反馈给防灾铁路局中心系统。报警应用服务器用于接收大风报警信息并进行综合分析处理，对报警信息进行过滤整合后，最终形成大风报警处置信息发送给通信接口单元。数据存储服务器用于存储大风报警信息、列车位置信息、报警处置信息、回执信息、警报解除信息和设备工作状态等，并提供统计查询服务。操作终端用于提供大风报警信息、处置等级、系统设备状态、车载设备状态等内容的可视化和可操作维护界面。

1.2 通信接口单元

通信接口单元主要包括通信应用服务器和通信接口服务器。通信应用服务器用于接收大风报警处置信息，根据其中包含的线路号、限速区段等信息，列车位置信息，查询警报影响范围内的列车信息，同时监测线路运行的列车车载设备的状态信息，并将处置信息执行情况反馈给报警信息处理单元。通信接口服务器用于实现大风信息传输系统与GSM-R通信系统间和列车位置信息提供系统间的数据转发、协议转换等功能，与GSM-R通信系统间的数据交互包括大风报警处置信息、车载设备执行状态、司机手动签收报警信息情况等，与列车位置信息提供系统间的数据交互。

图1 大风报警信息实时传输系统架构Fig.1 Architecture of real-time transmission system of wind alarm information

2 高速铁路大风报警信息实时传输方案

大风报警信息实时传输系统通过与防灾铁路局中心系统进行数据交互获取大风报警数据，分析生成大风报警范围，通过与列车位置信息提供系统进行数据交互获取当前线路上列车运行位置、行车方向、机车号等信息，将大风报警信息与列车位置信息进行综合分析处理后，自动通过GSM-R网络将大风报警信息发送至大风报警范围内的列车车载装置，提示司机手动限速。

列车位置信息提供系统需提供列车位置公里标、线路号、行车方向及机车号等信息，而如何获取准确的列车位置信息是大风报警实时传输的前提。将可以获取列车位置信息的几种方式进行对比分析，选择CTC系统作为列车位置信息提供系统。CTC系统是调度中心对某一区段内的信号设备进行集中控制、对列车运行直接指挥、管理的技术装备[5]，其中列车位置信息可以通过高安全等级的联锁、列控系统获得，可靠性更高。

动车组车载设备在实时接收到大风报警处置信息后，发出声音提示并对大风报警处置信息进行签收确认、打印，同时将车载设备执行状态发送给大风信息传输系统。目前将动车组具备相关功能的车载设备进行对比分析，车载地震装置具备无线传输通道、显示终端等组件，通过升级设备可具备接收调度命令接收的能力[6]，因而选择此设备作为车载设备接收大风报警信息。

大风报警信息实时传输系统方案示意图如图2所示。

防灾铁路局中心系统实时发送大风报警信息，经由报警信息处理单元分析处理后形成大风报警处置信息发送至通信接口单元，通信接口单元实时接收由CTC系统发送的列车位置信息，结合大风报警处置信息中的限速区段信息，将符合处置条件的列车信息发送给地震铁路局中心系统，然后发送给车载地震装置，车载地震装置发出声光报警信息提示司机进行手动限速运行。大风信息传递流程如图3所示。

图2 大风报警信息实时传输系统方案示意图Fig.2 Plan of real-time transmission system of wind alarm information

图3 大风信息传递流程图Fig.3 Flow chart of wind information transmission

3 高速铁路大风报警信息实时传输系统关键技术

3.1 提前报警时间计算

当大风报警发生后，即将进入限速区段的列车需要一个提前响应、判断、制动等操作过程，这一系列过程受限于系统精度和接口实现效率。系统精度涉及到CTC系统闭塞分区长度和列车制动后行驶的距离，接口实现效率涉及到无线数据传输时间、司机反应时间。因此，系统选择时间维度进行提前报警，各事件的时间分量是大风信息传输系统保证列车安全运行的重要组成部分。提前报警时间的时间分量示意图如图4所示。

图4 提前报警时间的时间分量示意图Fig.4 Schematic diagram of the time component of the alarm time in advance

（1）列车位置判断精度。列车位置判断主要依靠从CTC系统获取的列车位置信息，而CTC系统可以获取列车在线路上运行时所占用的闭塞分区。因此，闭塞分区长度影响了列车位置判断的精度[7]。大风信息传输系统时应考虑列车位置信息改变的时间，作为提前报警计算的时间分量。

（2）列车制动时间。动车组制动主要有最大常用制动和紧急制动2种情况，涉及的主要是最大常用制动时间。最大常用制动主要是采用降低速度控制方式，制动系统根据速度和司机控制器手柄级位确定所需的减速度，从而计算出应该施加的制动力[8]。因此，在动车组制动时间的计算过程中，列车降低速度是计算列车制动时间的

一个重要参数。

（3）无线数据传输时间。地震铁路局中心系统主要通过GSM-R网络以GPRS方式传输至车载地震装置，车载地震装置接收的紧急处置信息的数据包小于128字节，95%概率下GPRS方式端到端传输总时延不大于2 s[9]。

（4）司机反应时间。司机反应时间是车载地震单元发出声光报警提示后，司机接收到报警提示信息并立即向动车组施加最大常用制动所用的时间。司机的反应时间主要取决于司机制动反应时间、司机持续驾驶时间等因素。

3.2 列车快速定位

大风信息传输系统需要将大风报警处置信息通过GSM-R网络发送给大风报警影响范围内的所有列车，如何能保证在限速区段的列车及时限速到安全运行值，保证即将进入限速区段的列车预留提前报警时间来确保列车以限速值驶入报警区域就显得非常重要。此时系统若能实现列车快速定位，

实时获取列车运行位置将解决这一关键问题。大风信息传输系统通过CTC系统获取当前线路上运行列车的位置信息，当大风信息传输系统计算出大风报警范围后，根据列车位置信息查找处于报警区域的列车信息，此时直接发送大风报警处置信息给此部分的车载地震装置，继续监测正在驶向报警区域的列车，结合提前报警时间和列车行驶速度，查找到在此时间内会驶入报警区域的列车，及时发送大风报警处置信息给此部分车载地震装置，而在大风报警解除之前驶离报警区域的列车，列车应仍保持列车限速值行驶直至大风报警解除。大风报警列车限速示意图如图5所示。

3.3 报警信息过滤处置

图5 大风报警列车限速示意图Fig.5 Sketch of train speed limit for wind alarm

监控单元实时监测瞬时风速，并将超过报警条件的风速数据发送给防灾铁路局中心系统，由防灾铁路局中心系统将风速报警信息直接发送至大风报警信息实时传输系统，此时对风速报警信息进行合理、高效的过滤是影响系统有效性和可靠性的关键因素。监测点实时监测瞬时风速，由于大风多呈区域性分布，可能会出现单监测点报警、连续多点监测点报警，以及分散多点监测点报警的多种情况发生[10]。在风速报警等级发布方面，可能出现连续时间内同一报警等级的频繁报警。为了减少大风报警处置信息的生成次数，减少处置信息传输至列车的次数而减少对动车组司机的干扰，系统需综合考虑多种情况的处置，形成可靠、有效的报警过滤原则，最终达到有效处置的目的。大风报警区域监测点分布示意图如图6所示。

图6 大风报警区域监测点分布示意图Fig.6 Distribution map of monitoring points for wind warning area

3.4 系统接口

大风信息传输系统的对外接口主要包括与防灾铁路局中心系统接口、与地震铁路局中心系统的接口和与CTC系统接口。

（1）与防灾铁路局中心系统接口。大风报警信息实时传输系统与防灾铁路局中心系统间传输的报警数据包括监测点编码、线路编码、风速、风向、限速区段、报警等级等，通信协议遵循防灾铁路局中心系统的软件和数据传输规范。双方通信采用触发式传输机制，一旦发生大风报警变化，立即触发发送。

（2）与地震铁路局中心系统接口。大风报警信息实时传输系统具备与地震铁路局中心系统的接口，通过通信接口服务器与地震铁路局中心系统进行数据交互，2个系统采用网络安全设备进行物理隔离。2个系统间传输的数据包括大风报警处置信息、车载设备执行状态、司机手动签收报警信息等内容。

（3）与CTC系统接口。大风报警信息实时传输系统具备与CTC系统的接口，系统接口采用安全协议，保证信息的有效性、完整性和安全性传输。大风报警信息实时传输系统主要接收CTC系统提供当前在线路上运行的列车的位置信息，包括线路编码、机车号、公里标、运行方向等内容。

4 结束语

为满足大风报警信息传输时效低、流程合理、可靠性高的要求，开展大风报警信息实时传输系统的研究。经过研究，系统通过与防灾铁路局中心系统、地震铁路局中心系统及CTC系统进行数据交互，实现了大风报警信息实时传输至列车车载设备并提示司机手动限速的功能，解决了目前大风报警处置时效性不高、人工处理繁琐及工作量大等问题，提高了动车组列车在大风环境下的运行安全技术保障水平，为提高高速铁路大风报警处置智能化水平提供了一种方法。