浅谈机车站场调车作业安全防护系统研究及意义

高 旭

(国能新朔铁路有限责任公司 机务分公司 科技装备中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

目前，担当牵引任务的机车从出段至始发车站进行挂车作业，中间站执行调车作业任务或终到车站摘挂至进入段内的过程中(包括出段/入段、进入/驶离车站、穿越车站股道、转线等)，乘务员依据地面调车信号机的显示(蓝、白灯或红灯)操纵机车运行。因受站场轨道电路等条件制约，地面信号机显示蓝灯或白灯时，以及出库闸楼信号机显示红灯时，机车信号均为白灯状态，当机车在上述场景下运行时，列车运行监控装置(LKJ)只具备防止超速运行功能，不能对调车关闭信号、股道存留车、尽头线车挡等进行防护控制，安全防护完全由司机人工控制。所以在以上情况下，一旦司机操纵失误，就可能导致发生冒出关闭信号、挤坏道岔、冲撞车挡、或与其他到发列车发生冲突的事故，是行车安全的重大安全隐患。

1 研究方向及目标

通过研究站场联锁信号设备接口技术、调车管理系统与联锁系统、列控车载设备通信技术，获取进路状态、站场状态等各种地面线路状态的方法和联锁信息的动态显示，并实现车载和地面设备的信息交互。根据调车作业需求，研究既有专调机车的站场调车作业防护控制功能优化方案，研究对调车信号、超速防护等控制功能的优化。研究调车作业时站场平面信息显示、站场状态实时显示、机车绝对位置显示等的人机交互技术。研究机车运行作业远程监测技术、机车运行记录数据远程下载技术、系统设备状态监测技术。研究机车区间作业(包括救援、路用作业)的安全防护。实现调车作业防冒、防撞和防超、防冲撞道岔、防止越过尽头线、防止越过接触网终点标、区间作业(包括救援、路用作业)防护等控制，解决目前机车调车作业缺乏有效技防手段的问题，降低调车作业安全风险；系统能够通过接收地面控制服务器发送的车站联锁信息，实现地面调车信号在机车上的复示，解决因站场环境复杂、司机对站场不熟悉、瞭望条件有限等不利因素导致司机误认调车信号的问题。将调车作业安全防护的信息集成在LKJ屏幕显示器中进行显示，根据司机调车作业所需的站场轨道区段占用/出清、道岔定位/反位、调车信号开放(白灯)/关闭(蓝灯)，以及接触网终点、站界等停车防护点位置和类型等信息以平面化的方式动态显示，辅助司机调车作业的各种信息一目了然，便于司机操作。

2 系统方案研究

2.1 系统架构

机车站场调车作业安全防护系统由车载子系统、地面控制子系统、地面监测和分析子系统组成。

车载子系统负责机车状态信息采集和地面控制信息接收，并根据北斗差分定位进行机车位置定位，实现调车作业和区间作业的安全防护，同时将防护信息在人机交互单元上进行显示。地面控制子系统通过与联锁系统接口接收车站联锁信息，通过LTE网络(或公网)或数传电台发送至车载设备。车地通信根据实际情况采用无线数传电台或LTE网络(或公网)通信方式。

2.1.1 联锁信息接口技术

实现与站场联锁信号设备接口，获取地面站场联锁系统的表示站场设备设施状态的实时信息，主要包括列车信号机状态、调车灯信号状态、道岔开放方向、轨道区段占用和出清状态等。接口采用隔离方式，信息的获取不影响联锁信号设备正常工作。

2.1.2 基于通信的无线信号控制技术

实现调车管理系统与计算机联锁通信获取进路状态、站场状态等各种地面线路状态，同时通过无线通信网络与车载设备相连，实时获取列车的状态，并结合地面情况，调车作业计划编制远程自动上传，智能调度系统使调车作业运用管理更加直观、实时和智能。

2.1.3 站场调车作业防护控制技术

实现既有专调机车的站场调车作业防护控制需求，并结合机车站场调车作业的特征和司机操作的实际需求，研究适应机车站场调车作业防护控制模式。主要研究以下内容。

2.1.3.1 调车信号处理。车载设备接收站场联锁信息后，根据机车所在位置，实时计算处理机车运行前方的调车进路信息以及前方调车信号状态。

2.1.3.2 调车防超速控制。对机车在轨道区段、道岔区段、特殊限速区段、牵引推进状态等不同位置和调车作业状态下的防超速控制需求进行分析，研究适应机车站场调车作业的防超速控制模式。

2.1.3.3 调车防冒进控制。对机车在调车信号机、尽头线车挡、存留车股道的存留车等防护点前的控制需求进行分析，研究适应机车站场调车作业的防冒进控制模式。

2.1.4 调车作业时的人机交互技术

对机车在站场调车作业时，机车运行和司机操纵的特点进行分析，实现适应机车站场调车作业LKJ人机交互技术，主要包括：①站场平面信息显示。研究人机界面单元屏幕显示器显示区域的划分、信息布置与色彩运用规范，按照人机工程学原理提高显示、提示信息的辨识效率，降低辨读难度，提升用户体验。②站场状态实时显示。研究实时显示站场股道、轨道区段、道岔、信号机等设备设施工作状态。③机车绝对位置显示。研究站场调车作业时，机车绝对位置的实时动态显示，以便于司机操纵和瞭望。

2.2 系统组成

2.2.1 地面子系统

2.2.1.1 调车管理系统。 调车管理系统主要由中心应用服务器、调度工作站、车站服务器、车站工作站、通信接口服务器等设备组成；调车管理系统通过串口通信方式实现了与联锁系统的接口。其主要功能包括：站场图信息显示、信号控制、列车运行描述及控制、机车运用管理和报警/事件管理、调车作业计划编制远程自动上传；以及进行列车的跟踪及识别，监控车载设备等功能。

2.2.1.2 定位基站。 系统在站场建立定位基站，用于长期连续跟踪观测卫星信号，定位基站根据自身已知坐标和各卫星的坐标，求出差分修正值，实时发送给定位服务器。

2.2.2 车载子系统

车载子系统应以LKJ为基础增加扩展单元，扩展单元应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、BDS定位、调车防护控制计算等功能。扩展单元应具备BDS定位、3G/4G通信和数传电台功能，通过BDS定位模块获取轨道车的卫星定位信息，通过数传电台模块或3G/4G通信获取站场调车信号和进路信息、站场图数据等，结合自身的机车位移、方向等信息生成控车和显示信息发送到LKJ。LKJ扩展增加调车防护的核心控制计算以及显示和报警功能。

2.2.3 系统通信网络

系统网络通信负责各子系统间以及子系统内部各设备间的数据交互，通信是整个系统的基础保障。车地通信根据实际情况采用无线数传电台或LTE网络(或公网)通信方式。

3 系统功能研究

系统应包括的调车作业功能包括：①白灯限速防护、禁止信号控制、无接触网区防护、土挡防护、道岔防护、区段限速控制、存留车股道限速控制等，调车防护场景齐全；②具备区间作业(包括救援、路用作业)防护控制模式功能，特别是对于救援作业反向运行的控制起到安全保障；③具备机车运行作业远程监测、记录数据远程下载、运行记录数据分析和回放功能。对调车和区间作业的过程实现了安全防护，保障了机车行车安全。

3.1 调车作业安全防护

3.1.1 白灯限速防护

调车作业运行前方调车信号机显示为白灯时，监控机车以不超过调车限速的速度越过该调车信号机。

3.1.2 禁止信号控制

运行前方调车信号机为禁止信号时，以该信号机为控制目标点，监控机车在该信号机前停车。

3.1.3 无接触网区防护

当电力机车在段场内运行，前方进路存在无接触网区的，以无接触网区控制起点为停车的控制目标点，监控机车在目标点前停车。

3.1.4 土挡防护

前方进路为尽头线车挡时，系统监控机车以不超过规定的速度进入尽头线运行，并以尽头线车挡防护点为停车的控制目标点，监控机车在车挡前停车。

3.1.5 道岔防护

机车前方进路存在需要限速的道岔时，以道岔位置为控制目标点计算产生控制模式曲线，并以道岔限速值监控机车通过道岔区段。

3.1.6 区段限速控制

机车前方进路存在限速区段时，以前方调车信号机为控制目标点计算产生控制模式曲线，并以区段限速值监控机车通过限速区段。

3.1.7 存留车股道限速控制

前方线路中停有存留车辆，监控机车以不超过规定的速度进入存车股道。

3.2 区间作业安全防护

3.2.1 作业区段防护

机车区间作业运行至作业起点前，控制机车在作业起点前停车，解锁操作越过作业起点后自动转入作业封锁控制。

3.2.2 封锁区段防护

机车进入作业封锁区范围后，系统根据机车运行方向，控制机车在作业区间起点和终点前停车。

3.3 显示与报警

屏幕显示器应具备通过读取站场图数据实时绘制站场平面图，显示轨道区段占用情况、调车信号机显示情况、道岔定反位状态和机车位置。对调车信号变化、调车进路变化、前方防护点类型变化等信息进行语音提示。

3.4 运行信息记录与回放功能

系统应保留既有LKJ的运行信息记录功能不变，具备调车防护模式和区间作业模式下的信息记录功能：①进路信息，主要包括前方信号状态、距防护点距离、限速信息等；②提示窗口信息，主要包括系统自动定位信息等；③调车操作信息，主踪/出站调车通知书编号、确认机车位置信息等；④设备基本信息，主要包括软件版本信息、站场图基础数据版本信息等。

3.5 人机交互功能

①具备站场平面图、模式曲线图显示功能；②站场平面图形可根据机车运行自动追踪连续显示；③站场平面应具备轨道区段、调车信号机、道岔等设备设施的状态显示和调车作业时特殊地点(站界、一度停车牌、电化区域等)的显示；④运行前方一定里程范围的控制模式曲线；⑤以图形或数字形式，显示实际轨道车运行速度、限制速度、距前方信号机距离、里程和日历时钟等；⑥无线调车灯显信令(平面调车)按既有LKJ平面调车灯显方式显示；⑦显示调车作业运行中的重要提示信息。

4 系统研究意义

4.1 经济意义

通过在机车上加装站场调车作业安全防护系统，将会提升运行安全性和运输效率，降低人力成本。主要基于以下几个方面：①系统自带站场图数据的远程换装功能，大幅减少因数据换装投入的工作人员数量并提升换装效率；按照铁路机车数量129台(段属9台HXD1、段属45台SS4B<代管2台>、段属26台内燃<代管2台>、联运单位59台SSG)估算，全面推广应用调车防护系统，可以大幅减少站场图数据换装使用工作人员数量，预计每年可减少人工换装1 500余台次，节约人工20人左右，每年直接增加经济效益为200余万元。②系统实现全电子化调车作业计划传输功能，大幅减少相关人力资源投入和办公用品消耗。

按照铁路既有机车数量129台估算，全面推广应用调车防护系统，可以大幅减少作业计划传输使用工作人员数量，预计每年可减少人工传输1 000台次，节约人工10人，每年直接增加经济效益为100余万元。

4.2 社会意义

4.2.1 调车作业控制精益求精

系统采用的轮对测速、北斗差分定位等多通道融合的测速测距技术，进一步提升了站场调车作业的控制精度，解决了传统测速测距定位受空转、轮滑等因素影响干扰的问题。

4.2.2 通信技术的兼容与拓展

站场调车作业安全防护系统兼容数传电台传输，随着新型无线通信技术的应用推广，可实现更高效的车地数据交互，进一步提升控制的实时性与安全性。

4.2.3 调车作业的车地协作发展

系统通过无线信息传输技术，打通了调车作业和地面管理的信息传输通道，车地协同作业更加规范化；且具备调车作业远程监测功能，作业人员可以在地面实时监测列车作业过程，有利于规范机车调车作业，减少人为误操作而导致的超速、甚至脱轨事故的发生。

4.2.4 设备运维能力的提升

系统提供站场图数据远程换装功能，作业人员可以通过系统实现数据的远程换装和运行记录文件的远程下载，进一步提升了系统的智能运维能力，减少作业人员投入。

研究铁路站场调车作业安全防护系统，可以有效解决常年困扰重载铁路调车作业缺乏技防手段、作业事故频繁的行业难题，为其他重载铁路线路调车作业安全防护提供思路和示范。

4.3 安全意义

①提升调车作业安全防护，解决机车站场调车过程中存在的挤、撞、脱、冒问题，保障机车调车安全。②提升区间作业安全防护，解决机车救援、路用等区间作业非法进入或越出作业区域，特别是区间反向运行的救援作业的安全防护问题，保障区间作业安全。③提升站场调车作业的安全性，机车安全防护系统在LKJ的安全防护下进行控制列车运行，并根据调车信号机、道岔和区段限速、无网区和存车线等信息，精准控制列车运行在LKJ安全防护速度曲线运行，确保列车运行安全。解决原来仅依靠司机看调车信号行车，易造成调车事故的问题。