专用铁路列车安全防护控制方案的研究

汤永 解培金 龙海卿

摘要：本文研究了专用铁路的运输环境特点，针对专用铁路的改造需求，分析其运输控制系统的设计思路，并提出基于无线通信的控车模式。该方案能够保证列车运行的安全性与可靠性。

关键词：防护控制；安全制动控制；精准定位

1 引言

专用铁路是指运输企业或其它管理单位专为系统内部提供运输服务的铁路，现阶段大部分专用铁路运量大、运输效率低、作业流程多、功能配备复杂，其运输环境主要包含以下几个特点：

1）运输线路复杂、道岔数量多；

2）闭塞分区距离短，一般在60～300米左右，普遍采用25Hz或50Hz的相敏轨道电路；

3）线路运输总长一般在10～20公里左右；

4）机车采用司机目视行车的控制方式；

5）车辆运输小编组，一般是两到四节；

6）运输日作业时间长，一般在18～24小时；

专用铁路落后的控车方式已影响到厂区运输的效率与安全，现有大部分专用铁路改造需求已成为现阶段迫切需解决的问题。

2 设计思路

为优化专用铁路的系统性能，现结合现场运输作业的环境，对既有专用铁路运输系统进行重新设计，其设计原则主要包含以下几点：1）新系统需兼容既有运行控制系统，保证既有列车在新系统都能够正常的运行；2）新系统的施工安装应较少的影响线路运输；3）新系统在保障安全的基础上，应提升系统的运行效率；4）系统在减轻司机劳动强度同时，应尽量朝智能化、无人化的方向发展。

在考虑 “系统设计原则”的同时，结合现有铁路系统的常规改造方式，现给出两种设计思路，1）从工程层面对线路进行改造，缓解既有线路的运输压力，提高系统整体运输能力；2）对列车控制技术进行改进，通过运行控制方式的改变，来提升列车速度，保障运行的安全。由于施工改造会影响专用铁路的运营，所以工程改造只能是局部小规模的。车载安全防护控制系统作为列车安全运行的关键控制子系统，它的设计好坏有利于整个系统安全与效率的提升，本文通过研究车载防护控制系统，来改进专用铁路运输系统的性能。

3 车载安全防护控制设备的设计

车载安全控制设备也称为车载安全防护控制设备，它是列车运行过程中保障其安全的重要设备，列车运行防护主要是速度的监控与防护，故而将车载安全防护也称为“速度防护”或“超速防护”。车载安全防护控制设备的基本原理是根据速度传感器的速度距离信息以及对标信息来实时更新列车位置，另结合地面实时变化的路况信息以及前方运行过程的障碍物信息来获取移动授权点，移动授权为列车安全运行的最大范围，列车通过计算最不利的限速曲线，进而控制列车运行的安全。

车载安全防护控制系统的架构设计需考虑其现有复杂环境特征、企业的系统需求以及未来的发展方向，同时设计过程需保证系统的实时性、安全性、可靠性、可扩展性以及可维护性等多方面的性能要求。考虑到车载安全防护控制系统从无到有过程开发工作量太大，本文参考既有车载安全防护控制系统的特点，以及未来运输业的发展方向，选择在既有车载防护控制系统的基础上，对车载安全防护控制设备进行结构和功能的改造。

3.1 系统结构研究

车载安全防护控制系统为保障运行列车的安全，需获取以下接口数据信息，1）列车运行的精准速度信息；2）列车移动授权信息；3）列车精准位置信息；4）影响列车安全的设备状态信息；5）实时变化的线路状态信息。

列车在专用铁路运行速度相对偏低，车轮发生空转或滑行的概率较小，系统设计过程可以忽略雷达速度传感器而只采用轮轴速度传感器，且头尾各设置一套；另外线路结构复杂，精准定位难道大，线路可采用固定应答器实时精确列车位置；由于现有专用铁路大部分都采用相敏轨道电路，无法与既有铁路一样，通过地面移频轨道电路实现移动授权信息的获取，另外考虑到系统的正常运营，如果采用可变应答器传输移动授权信息，现有线路需进行施工修改设计，涉及面较广，不利于方案实施，所以移动授权通过无线通信传输的方式获取较为合理，它覆盖面广，系统施工过程简单，信息的获取也能够保证实时性。现根据系统环境、功能需求以及与外部系统的通信接口方式，列举其组件以及相互连接关系，具体如图1所示。

根据现有专用铁路的用户需求以及车载防护控制系统的结构需求，可使用基于无线传输控制的车载防护控制系统作为基础平台，再进行功能改进，具体原因如下：1）基于通信的车载安全防护控制设备的系统功能结构与图1设计的功能结构大体相同；2）现有专用铁路由于其运输特点决定了轨道电路选型大多未采用移频轨道电路，如果采用现有大铁路车载防护控制设备，如LKJ、200型ATP，外部系统接口发生较大改变，软件代码大面积修改，导致系统设计难度增加。

3.2 系统功能方案设计

在既有专用铁路运输条件下，车载防护控制系统必须利用现有轨旁设备以及新增的线路设备来实现系统功能，主要包括1）列车在线路上的精准定位；2）列车安全制动曲线实现。

3.2.1 列车精准定位

专用铁路运输线路复杂，線路限速要求较多，所以精准定位的要求较高。列车在运行过程中，车载防护控制设备可通过速度传感器的测速信息来累加计算列车每周期的运行距离，由于速度传感器存在位移累加误差，列车可通过线路固定应答器来获取应答器的ID，车载防护控制设备通过查询车载数据便可知经过的应答器的位置，从而校正列车在线路中的位置，保证列车精准定位。

3.2.2 列车安全制动曲线

车载防护控制设备采用连续的速度-距离安全制动模型，实现列车安全速度计算，防止列车超速，确保列车不越过移动授权终点。车载防护控制设备根据安全制动模型和线路限制速度计算速度-距离曲线，并实时监督列车运行，列车安全制动距离曲线图如下所示。列车安全制动距离曲线的生成主要需考虑以下因素：1）移动授权信息；2）列车位置及定位信息；3）线路数据信息。前面3.2.1章节已经对列车位置以及定位信息的获取进行了总结与分析，现主要分析移动授权信息的获取。

由于专用鐵路运输的线路条件已决定通过无线通信列车控制技术获取移动授权信息较为合理。为满足设计要求，现给出两种移动授权的获取方式，第一种是把进路信息直接通过无线方式传输给车载防护控制系统，具体如图3所示。此方式可以减少地面控制设备，加强系统的集成能力。但车载防护控制设备需增加移动授权距离计算的功能，另外地面控制设备无法对所有车辆设备状态进行实时跟踪，系统整体架构不利于系统后续向智能化与无人化的技术扩展。

第二种是参考现有CBTC无线通信的列车控制技术，地面控制设备根据运行线路的状态信息以及线路运行的所有车辆设备状态信息来实时智能综合考虑影响列车运行的因素，计算列车移动授权距离，最后再通过车地无线通信传输给车载防护控制设备，实现列车安全制动曲线的生成，具体传输流程如图4所示。使用第二种方式，车载防护控制设备功能修改范围小，系统智能化程度高，地面设备相应增加，但系统扩展性强，有利于后续系统改进。

4 系统性能分析

本系统与“现有司机目视行车”的方式相比，系统首先保证在闭环的控制信息传输的连续性；另外系统在保证自动化等级提升的同时，系统可靠性与可用性方面都较既有较大提升；最后系统为较少的工程改造投资同时，能够实时传输线路状态信息以及前后方列车状态信息提升运输效率，保证系统的稳定性。

和现有点式控车的方式相比，应答器车地通信传输的方式只有在列车经过可变应答器时，才能获取前方线路状况信息，一旦应答器编码信息错误，系统运行就会出现故障，影响列车的运行安全。采用本系统实现车地通信的传输，传输采用的是冗余网络控制的方式，保证系统信息传输的实时性以及可靠性。所以系统相比于点式控车或司机目视控制的方式都有较大性能提升。

5 结语

本文根据专用铁路系统的特点，分析其车载防护控制系统的方案设计，并证明其可行性。但专用铁路控车的方式较既有控车环境有所不同，后续地面轨旁设备为适应新系统需求，需对轨旁设备进行部分修改，以满足系统技术要求。

根据前面的系统结构设计以及系统功能方案设计，车载防护控制系统已在实验阶段进行系统功能与安全测试，系统有望在后续市场得到更加广泛的应用。

参考文献

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（作者单位：中车时代电气股份有限公司）