无联锁区域调车进路确认装置的研发

刘明翔，朱玉敏

（中国铁路广州局集团公司 广州车务段 1、高级工程师 2、工程师 广东广州 510600）

1 问题的提出

在无联锁区域，道岔由人工扳动，进路上没有允许行进信号，仅有道岔表示器，进路的安全性缺乏保证。为保障调车作业安全，运输管理部门制定了“要道还道”操作规定，首先由调车员根据调车作业计划向扳道员要道，然后扳道员人工扳动道岔、构建调车进路，确认后用信号灯/旗向要道者回示，即为还道。调车人员在得到扳道员的还道信号后，也要确认道岔的定反位标志，判断计划指定的调车进路与所回进路相符。

在图1所示的无联锁区域中，调车进路SE从始端S至终端E，需手工扳动道岔1、2、3、4至正确的方法。显然，如果道岔被扳到错误的方向，就会构成错误的调车进路。

图1 调车场平面示意图

无联锁区域调车进路的建立，完全依赖作业人员对视觉信号的人工确认。作业人员的精神状态、可视距离、标志的好坏，都足以影响调车进路的正确开通与否。这种由人工来判断多个道岔开通状态的操作，极容易造成进路错误或未准备好进路就还道的情况。此时若车列移动，就会造成进错异线与存车冲突、挤岔、脱线等调车作业事故。

据统计，广州局集团公司2005年以来调车作业事故67%发生在无联锁区域，其主要表现形式是调车进路错误下盲目动车。这种情况在全路也很常见。如何经济、有效地消除无联锁区域调车进路人工确认的安全隐患，降低调车作业事故率，就成为一项具有很强现实意义的研究。

本文针对无联锁区域调车进路正确性确认问题，研制出经济合理的无联锁区域调车进路确认装置，能在不进行大规模联锁改造情况下，正确及时地建立调车进路，消除人为因素带来的安全隐患。

2 需求分析

在无联锁区调车进路建立和确认，必须在人工扳动道岔后，由设备及时判断出进路上所有道岔的开通方向，迅速计算出当下调车进路的开通指向，及时准确地将进路最终指向发布给各岗位的调车作业人员。调车长或司机根据所回复的进路，确认与调车计划匹配后，启动调车机车进行作业。

无联锁区调车进路正确建立和快速确认，关键是不间断监测道岔的定、反位状态，快速判定构建的调车进路，充分利用已有的调车电台，同时又不能违反既定规章。

实现该目标的一种方法是将无联锁道岔改造为电气集中联锁道岔。但这种改造需要投入大量的资金，单个道岔改造费用平均需要30～60万元。同时还需要对既有车站联锁系统进行同步升级，施工期间必须停止全站一切接发列车和调车作业，对运输经营极为不利。因此对于作业量较少、远离信号楼的站场线路，将无联锁道岔改造为电气集中联锁形式，在技术经济评价上是不经济的。目前全路还存在大量的无联锁区，这些区域调车进路建立，还完全由人工进行，调车脱线或进错异线的风险因素依然存在。在这种情况下，研发低成本的无联锁区域调车进路确认装置，就成为降低调车事故概率、提高作业效率的重要途径。

本文提出并研发一种低成本电气集中联锁替代系统，该系统模仿电气集中联锁进路确认装置，自动实现调车进路的建立和判别。从需求的角度，该系统应能解决以下问题：

1）道岔状态要能不间断监测，采集的数据必须准确无误；无法获取数据时，要及时向系统发出报警信息。我们使用双冗余、数值相反的传感器，确定道岔的定、反位和密贴状况。

2）道岔开通数据要能快捷和不间断上传，其传输通道、传输方式、传输协议，要满足扳道时间要求，数据的发收点要能识别和记录，发生通讯问题，系统能及时报警。

3）系统的数据处理，要能判断故障类型并示警，能及时准确地计算出调车进路开通方向，最后用计算机图形将站场和开放的调车进路表示出来。

4）改造既有的无线调车灯显设备，使参与调车作业的任一作业人员，按需要无线查询调车进路装置，该系统能将当下调车进路的开通指向，向全体人员广播。

3 系统原理和构成

3.1 道岔开通方向的判定 图2为道岔示意图。图中粗线条为基本轨，细线条为尖轨部分。设道岔开通水平方向为定位(标识为1)，则开通下斜方向为反位(标识为0)。S1/S2为安装在道岔上的传感器，它是侦测道岔开向的关键基本器件。再设，基本轨和尖轨密贴时，传感器输出值为1，斥离时输出值为0。则有：

若S1=1，由道岔的机械构成知，则必有S2=1，道岔开通定位，即标识（S1，S2）=1，反之，道岔开通反位，即标识（S1，S2）=0。

图2 道岔示意图

3.2 进路建立的原理 按上述原则，由图1可知，确定唯一开通的调车进路SE(粗线条)。则可用进路上所有道岔的开通标识序列0101表示调车进路SE，二者是对应的。进路建立的原理表示见表1。

表1 进路建立的原理表示

数字序列10011……0，可唯一代表着由S端，经由a、b、c、d、e……n到E端的唯一调车进路。

3.3 系统总成 进路确认装置系统架构见图3。系统由主机、采集分机、电台分机、有线/无线网络传输设备等几部分构成。关键部件为室外采集开关1(传感器)、分机MCU单元2、电台分机控制器6。

图3 进路确认装置的系统架构

3.3.1 结构说明 采集传感开关1安装在道岔上；分机MCU单元2，主要用作处理所辖区域传感开关所采集的道岔开通和密贴程度数据，统一数据格式，加密和校验数据，防止传输过程的干扰；网络单元按现场实际架设，可用有线/无线，也可混合组网，稳定可靠并具一定经济性；系统核心单元安装在工控机上，作用是根据道岔开通方向和密贴情况的数据，及时计算出调车进路的开通方向，并生成语音文本备查；电台分机控制器6的作用是，使硬件充分兼容模拟、数字电台，就近处理和传递数据，方便电台语音通讯。

3.3.2 数据处理流程 当道岔扳动后，室外采集开关1(传感器)会将道岔的开通方向和密贴程度，用连续或离散变量形式传送到当地的采集分机；采集分机对变量进行数字化，送LED7段数码管显示器显示，扳道人员据此可知进路的开通方向。通过有线或无线传输网络，采集分机数据加密处理后送到系统的工控主机；工控主机8收集齐所有数据，依照无联锁区域上线路和道岔的拓朴关系，快速计算出调车进路最终的开通方向，并将结果存储起来；调车作业人员需要时，操作手持电台上的查询按钮，系统立即通过通讯网络将调车进路开通安全数据发送到电台分机；电台分机进路数据合成语音向所有调车人员广播出去。整个流程全方位记录。

全部过程均按故障导向安全的原则建立，其中任一环节发生问题，系统都会记录并发出警示。

4 关键技术

4.1 组网技术及选择 道岔开通方向数据采集后，必须迅速传递到数据处理中心，由系统计算出调车进路的开通指向，并回答调车人员的随时查询，其时间滞后不大于15 s。

1)有线组网方法有：422、485总线网、局域网，数据输送通过电缆和光纤，其抗干扰能力很强，速度取决于信号处理设备。建设难点是铺设过程要挖沟和过轨，不但费用高而且还需要协调工务、电务及通讯部门。

2)无线组网方法有：数传电台总线网、GPRS、ZigBee、Lora等，这种方法的建设难点，在于要考虑数据传输过程中的抗干扰能力，以及数据处理的时效性。

各种组网方案优缺点分析如下：

422总线网可以实现双向四线双工通信，速度快，数据可靠，传输距离不长，线材成本高；485总线网是异步单工通信比较成熟的总线网，速率高，通信可靠，最长距离可达1.2 Km；局域网优点很多，但布网成本很高；数传电台总线网采用轮询方式单工通信，数据延时小，但传递的数据量小；GPRS，稳定可靠，但数据的安全性难以保证，延迟也无法控制，且使用需要付费；ZigBee组网技术，可以实现自动入网、自动修复连接等功能，但同样存在数据延迟；Lora组网技术具有低功耗，远距离的优势，目前刚开始在国内应用。无线路由组网，前期投资和维护成本相当高。

考虑到在铁路站场环境下，移动车辆对无线信号的干扰较大，而可靠的通信是保障系统安全的前提，所以在建立数据传递网时，应优先选择有线方式。在建设不便时，可以选择独立组网，避免使用公网。至于是选择数传电台还是ZigBee组网、或者Lora组网，则取决于无线传输距离和成本核算。

4.2 进路计算方法 这里作两条假设，并仍以图1为例进行说明：

1）调车进路数目有限假设。针对具体的站场，即使考虑到平行进路和共用轨道区段，所有的调车进路都是有限的，且是可穷举的。

2）调车进路标准构型假设。即所有调车进路的构成情形，都可以抽象统一为如图1所示的标准构型。对于多调机作业的站场，实际作业是要分区的，跨区作业必须申请和归还，视为一区作业；对于一区内存在平行进路的站场，可通过切割或增加进路数，总是可以将所有的调车进路的构成情形，统一为图1的布置形式。

4.2.1 枚举算法 枚举算法道岔定反位与进路开通的关系见表2。

表2 枚举算法道岔定反位与进路开通的关系

①S到货1的调车进路，可有1×2×2×2=8个数字序列表示，即其中任一序列就可判定为调车进路为S到货1。标记为进路序列1～8；

②S到货2的调车进路，可有1×1×1×2=2个数字序列表示，即其中任一序列就可判定为调车进路为S到货2。标记为进路序列9～10；

③S到货3的调车进路，可有1×1×1×1=1个数字序列表示。标记为进路序列11；

④S到货4的调车进路，可有1×1×1×1=1个数字序列表示。标记为进路序列12；

⑤S到货5的调车进路，可有1×1×2×2=4个数字序列表示，即其中任一序列就可判定为调车进路为S到货5。标记为进路序列13～16；

则可用16个数字序列表示5条调车进路，但可保证每个数字序列只能对应一条调车进路开通。

通过遍历站场内所有道岔的定反位数据，可获得一个数字序列，将该序列与所有的进路序列表比对，如果完全相符，即可确定唯一开通的调车进路。

4.2.2 抛弃算法 通过分析道岔开通方向与调车进路间的对应关系，可以发现当某道岔处于某一状态(1/0)时，对应的某一进路无法建立。此时定义该道岔开通方向与对应进路的关系为否，标注为0。比对计算中，如果遇到这样的情况，则可以不再继续比对开通这一线路的进路序列表，从而极大地减少了计算工量，提高了算法效率。

根据表2列出的数据，可演算出道岔定反位与进路开通的关系如表3所示。

表3 抛弃算法道岔定反位与进路开通的关系

当连续搜索道岔的定反位时，不再比对的数字列表可持续增加。如相继搜索到1、2号岔均为反位时，则不需比对数字列表1～12，可放弃的计算量更多。4.2.3 一般算法 算法流程如图4所示。

图4 一般算法流程图

当站场道岔数量多，连结复杂，且进路较多时，采用抛弃算法对计算效率的提高非常显著。

4.3 电台查询技术方案 无线调车灯显设备系统，实现了无线通话、控制机车起停和速度。中国铁路总公司相关文件严格规范和限制了电台上信令按钮的设置和使用，使用者必须遵守。本文研发的替代系统既不能改变调车作业方法，又不能增加作业人员负担，还要适应电台由模拟向数字制式的转换。对于模拟电台，受调车电台组合键的启发，这里定义了侧面通话键组合的协议，在规定时间内断续按压几次，即可发出查询指令。对于数字电台，如果电台厂家开放了侧面键通讯协议，则可在此基础上开发侧面键查询功能；如果电台厂家不开放侧面键通讯协议，则可采取增加原有信令板通讯功能的方法并将其连接侧面键，供进路查询使用。

5 推广与应用

无联锁区域调车进路确认装置目前已在广州局集团公司近30个车站运用，并推广到上海局、昆明局部分车站。该装置使用效果良好。以广州车务段为例，应用该装置后，基本上消除了调车事故的发生。

使用本装置，改造一付道岔的花费只需6～8万元，且可利用调车间隙施工，对日常调车作业影响极小；同时不增加调车人员所携带的灯显设备。与电气集中改造每付道岔要30～60万元的投入相比，本装置的经济效益非常明显，具有广阔的推广应用前景。