新型铁路调车防护系统

林晓军

（中国铁路济南局集团有限公司，山东济南 250000）

随着铁路运输业的持续发展，对列车行车安全需求不断提升，对行车安全装备的要求也进一步提高。我国铁路采用中国列车运行控制系统（CTCS）[1]，使列车区间运行安全得到设备保障，但在出入库、中间站调车、区间调车作业过程中存在防护功能的薄弱环节，较多依赖司机人工操作，本务机车、轨道车调车作业事故时有发生，威胁列车运行安全，因此调车安全作业防护需着力解决。

1 调车作业机控设备现状分析

当前机车、轨道车上均安装相应的运行控制装置：（1）机车上安装列车运行监控装置（LKJ）：提供车站、库内调车作业40 km/h 的顶棚限速控制；依据地面信标实现土挡防护。（2）轨道车上安装轨道车运行控制设备（GYK）：提供车站、库内调车作业40 km/h 的顶棚限速控制。但上述2种设备在调车作业安全防护的功能比较有限。（3）针对驻站专用调车，安装了无线调车机车信号和监控系统（STP）［2-5］，功能较完善但存在同时受控移动设备有限、投资大、建设周期长等问题。STP系统结构见图1。

STP系统由地面设备和车载设备组成。地面设备主要包括：地面主机、数传电台、电务维护终端、车务维护终端、地面点式应答定位器。车载设备主要包括：车载主机、数传电台、应答定位器接收模块及天线、LKJ调车监控接口盒（完成与LKJ设备通信）。

车载设备与地面设备通过数传电台通信，地面设备从车站联锁获取调车信号、道岔、轨道区段占用状态和调车进路等信息，结合车载设备发送的位置等信息，实时计算列车防护控制曲线，实现防护功能。STP系统选择地面信标进行定位、通过数传电台传输联锁信息和地面设备计算防护控制曲线的方案，增加了设备投资和站场安装、施工的难度。直接采用STP系统用于机车及轨道车的调车防护，存在如下问题：

图1 STP系统结构

（1）STP系统主要针对特定站场和相对固定的专调机车，不同站场所用技术不统一，不同厂家不能互联互通，不适应于机车、轨道车大范围多站场切换调用。

（2）STP系统车地通信采用数传电台一对一轮询机制，每站只能5～8个车载设备在线运用，编组场、区段站等车站机车、轨道车同时在线数量多，无法同时运用。

（3）STP 系统车载设备、地面设备投资较大，1 个标准站投资约60 万元，机车加装费用约20 万元，全路已加装STP地面系统的车站大约10%，剩余车站如加装则费用巨大。

（4）STP系统的车载及地面设备较多，施工和后期维护的工作量较大。

综上所述，当前安装的列控设备（LKJ、GYK）只实现了有限的调车作业防护功能［6］，没有覆盖防护调车作业过程中的主要风险点，如调车信号、固定地点、运行径路限速等场景的作业防护，而且当前列控设备的技术体系中缺少获取地面调车信号、车站联锁的信息接口和站场数据等，不具备调车防护的功能，只能交由司机人工防护，因此调车作业中会出现撞车挡、挤道岔、掉无电区、超速、闯蓝灯、掉道、越站界等问题。而STP 系统由于同时在线受控对象有限，STP 技术方案无法直接应用于机车、轨道车上的调车作业防护，而且投资大、建设周期长，这也是STP 系统发展20余年仍未全面应用的主要原因。

2 新型铁路调车防护系统方案

2.1 设计原则

（1）技术应符合安全、可靠、成熟、先进的原则，充分利用既有设备，避免设备重复投资。

（2）适应本务机车和轨道车调车作业安全防护的需求。

（3）遵循故障-安全原则，适应铁路运输安全发展的需要。

（4）与既有设备及操作方式兼容，便于维护管理以及司机操作。

2.2 关键技术

2.2.1 列车定位技术

目前铁路列车定位普遍采用信标、应答器等定位方式，在钢轨线路中间安装地面设备，列车经过时读取地面设备信息完成定位。由于车站线路复杂，存在地面设备数量多、施工成本高、后期维护工作量大和车载定位不连续等问题。随着中国北斗卫星导航系统日益完善［7］，单点定位精度4～5 m，性能优于全球定位系统（GPS），但仍不能满足区分站内不同股道的精准定位，需要采用地基增强差分北斗定位技术，可实现厘米级定位。新型铁路调车防护系统通过在铁路沿线建设地基差分增强站，向车载设备发送差分修正信息，由车载设备采取自主定位算法消除卫星固有误差，如星历误差、卫星钟差、大气层折射误差、多径误差等，从而实现厘米级定位（见图2）。

图2 差分定位示意图

安装北斗差分定位设备的机车、轨道车在运行过程中，实测处于载波相位差分技术（RTK）固定解状态的差分定位精度结果，通过数据比对表明RTK 下的卫星定位精度稳定地保持在0.16 m 以下，精度能满足调车防护系统在站场里定位股道的要求。与其他技术相比，北斗卫星差分定位技术作为我国自主知识产权技术不仅技术更新可持续跟进、实施难度低、施工成本低和维护工作量小，而且定位精度高，可实现列车的连续定位，不受气候影响。

2.2.2 站场状态信息获取

实现调车信号的安全防护，需要获取站场状态信息，针对不同的信号来源可采用不同的方案。机务段（折返段）内，可从机务段股道管理自动化系统获取站场状态信息；在安装有STP 系统的车站，可直接利用STP系统广播的站场联锁信息，从车站联锁获取的站场状态信息具备实时性高、时延低等特点；对于区间通过车站或少量调车作业且未安装STP系统的站场，可研究接入调度集中/列车调度指挥系统（CTC/TDCS），获取车站联锁信息，用于车载调车安全防护和预警；对于智能移动脱轨器的车站，系统可预留与脱轨器管理服务器接口。站场状态信息采集方案示意见图3。

图3 站场状态信息采集方案示意图

2.3 系统架构

系统由车载子系统、站场地面子系统和运用维护管理子系统组成，系统总体架构见图4。

（1）车载子系统由调车防护装置和LKJ组成，已安装LKJ 的机车、轨道车可利用既有LKJ，只需加装调车防护装置。调车防护装置具备无线调车机车信号接收、无线调车灯显信令接收、无线通信、北斗差分定位、调车防护控制计算和控车指令输出等功能，调车防护装置与LKJ进行通信，通过LKJ完成人机交互功能、制动指令输出和记录等功能。

（2）站场地面子系统包括站场状态采集接口和北斗差分基站设备。

图4 系统总体架构

（3）运用维护管理子系统通过车地无线通信网络与车载子系统进行数据通信，通过铁路安全传输平台实现接入铁路专用网络，实现车载数据的远程更新及换装［8］、BDS 差分信息采集处理及转发、车载设备运行状态的实时远程监测［9］和回放、生成管理报表等功能。

2.4 车地通信网络

车地通信网络是系统数据传输的关键路径，可采用的方式有GSM-R、数传电台和移动公网（3G/4G）。

GSM-R 无线网络是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统［10］，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信，安全性高；数传电台通信广泛应用于铁路无线列调、平调灯显设备、列尾设备、STP等系统中，采用专用频率，不易受其他设备的干扰，具备数据传输延时短、实时性高、通信覆盖距离较远等优点；移动公网通信（3G/4G）网络采用常规蜂窝组网方式，具有传输速率高、兼容性好、通信质量高、覆盖范围广等特点，具有很强的应用扩展性。

系统车载设备配置数传电台/GSM-R 和移动公网通信设备，在配置STP 的车站通过数传电台与站场地面子系统通信，在GSM-R 覆盖的车站通过GSM-R 网与地面站场子系统通信，其他车站通过移动公网（3G/4G）与站场地面子系统通信。各种车地通信方案对比见表1。

2.5 系统主要功能

系统基于LKJ安全运算平台，通过采集站场地面联锁设备状态信息（调车信号、道岔状态、轨道区段状态），结合车载设备中存储的站场和区间线路基础数据、运行速度等信息，实现对机车、轨道车调车作业的实时防护控制。主要功能如下：

表1 车地通信方案对比

（1）调车作业辅助及安全防护。司机在进行调车作业过程中，需要掌握线路、地面信号和当前车列状态，系统能提供站场情况、地面信号、限速等信息，并以显示、语音等方式提示给司机，辅助司机在恶劣天气、复杂站场和夜间行车视觉不易观察时进行调车作业，减少人为失误。实现站界、尽头线、牵出线、机待线、接触网终点位置、固定脱轨器和道岔、特殊限速地段等固定点防护，以及调车信号机防冒、轨道车区间作业、区间救援等场景的防护控制，采取“机控”替代“人控”，防止调车作业安全事故。

（2）调车作业安全管理。通过提供调车作业过程实时记录、远程监测和回放功能，实现对司机调车作业过程的实时监督，为提高作业效率和事故分析提供技术支撑。

2.6 故障-安全设计

系统按照故障-安全的设计原则，根据获取的联锁信息、系统定位信息以及系统通信状态等条件，设置不同的调车防护控制策略。系统故障后工作状态转换见图5。

当系统判断调车防护控制功能故障时会退出调车防护控制状态，LKJ按照调车目视模式控制，同时输出语音提示指令，LKJ屏幕显示器弹出提示信息；输出语音提示指令7 s 内得到司机按键应答信息的，LKJ 解除输出语音提示指令；输出语音提示指令时间达7 s 未得到司机按键应答信息的，LKJ输出紧急制动指令，确保系统在故障状态下导向安全侧。

图5 系统故障后工作状态转换

3 优势分析

该系统与STP系统相比，利用最新的地基增强北斗差分定位+STP 广播信息，结合移动通信技术，增加了对CTC/TDCS 系统站场状态接口，采取车载调车防护主机计算防护功能并与LKJ深入融合的方案，简化了地面设备、增加了同时在线控制的机车、轨道车数量。该系统在功能、性能、适应性、兼容性等方面更具优势，具体对比见表2。

表2 新型铁路调车防护系统与STP系统对比

4 结束语

2017年6 月，由中国铁路南昌局集团有限公司组织成立新型铁路调车防护系统研究课题组，至2019年底已完成机车、轨道车的运行试用考核。试用考核期间，系统各设备运行稳定、LKJ既有各项控制功能正常、调车防护控制功能正常，满足现场运行需求，有效解决了机车和轨道车调车作业人工操作存在的安全风险，提高了铁路调车作业的安全性。