基于公网VPN及北斗定位技术的企业铁路STP控车方案研究

张延通，赵升源

调车作业的安全防护不仅关系着列车运行的安全，而且直接影响列车编组计划的执行、列车运行图的实现以及车辆周转。无线调车机车信号和监控系统（Shunting Train Protection，STP）作为重要的调车作业技防设备，有效防止了调车机调车作业过程中“冒进防护信号”“挤道岔”“冲撞土挡”“脱线”等事故的发生，在保障调车作业安全的同时，还有效提高了站场整体作业效率［1］。

目前的STP系统主要安装在专用调车机上，由车站地面控制设备和车载控制设备组成［2］。当调车机车进入车站联锁集中区，经过定位应答器后，车载控制设备确认机车所在位置，通过数传电台通信系统把机车车号、机车位置等信息，发送给STP系统的车站地面控制设备，进行入网注册申请；地面控制设备接收到注册申请信息后，在满足入网条件时，向该机车发送确认注册信息，为该机车分配注册号，建立安全控制信息通道，系统进入调车监控工作状态，实现车站对所辖专业调车机的调车作业防护［3-4］。该方案虽然技术成熟，但由于采用的数传电台通信方式受到电台通信距离限制，无法做到全线机车跟踪监控，且使用无线数传电台进行车地通信，通信效率低，可监控机车数量有限［5］。而企业铁路多采用小运转模式作业，调车方式均属于本务机车调车作业，存在作业站场、作业进路随机等特点［6］，针对这种作业模式，目前的STP系统不太适用。

为解决企业铁路调车作业安全防护问题，本文提出一种高性价比的基于公网虚拟专网（VPN）通信和北斗卫星定位技术的改进型STP 控车方案。该方案通过在企业铁路调度中心设置地面中心服务系统，取消车站设备和地面应答器，依靠成熟的公网VPN 通信技术完成车地通信，利用北斗卫星定位技术完成选站注册，实现对整条线路上所有作业机车的集中跟踪控制。

1 总体思路

本方案的总体思路是在调度中心设置调车中心系统。调车中心系统按业务及功能划分为多个服务器，所有关键设备均采用双系冗余配置。其中，跟踪控制服务器实现对所有车站的调车信息处理，通信服务器负责跟踪控制服务器与其他业务之间的信息处理，STP 接口服务器负责与调度中心TDCS/CTC 系统对接，4G 通信接口服务器负责处理公网通信并与机车车载终端对接。跟踪控制服务器一方面通过STP接口服务器与调度中心TDCS/CTC 系统对接，接收管辖内所有车站的联锁码位信息、所有机车的车次号信息和各车站车务终端传回的调车作业信息；另一方面通过公网4G通信与机车车载终端对接，机车车载终端再与机车LKJ进行通信，进而实现对整条线路上所有车站调车作业过程中的机车进行跟踪与控制。此外，中心服务系统提供可视化的人机接口，可实时查看所有监控机车的作业情况和作业单执行情况。本方案中，各车站无需单独安装地面主机机柜和地面应答器。总体架构见图1。

图1 总体架构

2 通信方案

调度中心机房配置中心调车安全防护子系统，内部配置防火墙、路由器和交换机，与运营商4G网络连接。交换机作为接入层网络设备，与调车中心系统内部各服务器和路由器连接，通过划分虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）实现地面中心设备的环路组网；路由器作为汇聚层网络设备，与交换机和防火墙连接，路由器与交换机之间实现双路链路冗余，通过路由器搭建中心调车安全防护子系统与运营商通信网络之间的通信隧道（Generic Routing Encapsulation，GRE），并对系统内部原始数据进行GRE 封装；防火墙作为核心层网络设备，与路由器和运营商网络连接，使用IPSec VPN 加密技术对系统数据进行封装加密，与专用4G通信网络进行数据传输与交互。

具体来说，中心调车安全防护子系统内部服务器发出的数据，经过接入层的交换机在环路组网中整合、处理后生成原始数据，传向汇聚层的路由器，经过GRE 虚拟专网隧道后，在原始数据前增加“IP 报头”和“GRE 头”，对原始数据做进一步封装，形成“IP 报头+GRE 头+原始数据”格式的中间数据；随后，封装后的中间数据由汇聚层向核心层的防护墙传输，做进一步的IPSec 加密封装，在中间数据的头部增加“新IP 报头”和“ESP 头”，在中间数据尾部增加“ESP trailer”和“ESP auth”，形成“新IP 报头+ESP 头+IP 报头+GRE 头+原始数据+ESP trailer+ESP auth”格式的加密数据，随后发向专用的4G通信网络。

运营商对中心调车安全防护子系统传来的加密数据，通过专用的网络通道发送给作业中的调车机车。每台非固定调车机车上，配置装有双4G 异模通信模块的车载终端设备，4G通信模块支持移动、联通等多个运营商的4G 通信。车载终端采用接入点名称（Access Point Name，APN）网络接入技术配置车载终端4G通信方式，使用基于APN技术的专用物联卡，用于车载终端与中心调车安全防护子系统之间的通信。

中心调车安全防护子系统与非固定调车机车之间采用双路4G冗余通信的方案，既解决了数传电台传输区域小的问题，又解决了单个4G通信存在安全性和不稳定性的问题，适合本务机车的调车安全防护。

3 选站方案

本方案工作方式与常规的STP 相同，是以站场为单位对进行调车作业的机车进行安全防护。车载设备和地面设备之间通常有3 种状态：断开、连接、监控。当车载设备无法收到选定站场的任何信息时，为断开状态；当车载设备只收到选定站场的联锁码位信息时，为连接状态；连接状态下的车载设备，向地面发起注册后，收到本车的进路控制信息，此时即进入监控状态，系统将对机车进行调车安全防护。

但与常规方案不同，本方案并未使用自动化程度低、效率低的人工选站方式或成本高、灵活性低的应答器识别选站方式，而是采用一种基于卫星定位的自动选站方案。本方案中，车载设备引入卫星定位模块，机车进行实时定位，并将定位信息作为选站的重要依据，其主要作用包括2 点：一是确定当前机车作业的站场；二是对相应站场的联锁码位管理，包括站场码位发送申请和站场码位停发申请等。选站流程见图2。

图2 基于卫星定位的自动选站方法流程

站场区域的选择需根据实际情况，选取一个站场中心点，测量其经纬度坐标，并确定一个至少可以覆盖所有作业区段的半径长度，形成一个圆形区域，该区域即为站场区域。站场锁定是指某个站场，不受其它选站条件约束，无条件作为机车当前作业站场的情况。锁定的站场最多只能存在一个。

本方案可根据站场的数据配置，在车列接近站场时基于卫星定位进行自动选站，提前获取联锁码位信息，司机可通过车载终端提前获知前方信号机情况，全程无需人为介入，自动化程度、安全性与调车防护作业效率都较传统方案有所提高。同时，该方案中站场区域的划定只需通过数据配置，无需安装应答器。一方面避免了安装应答器带来的成本消耗、人员消耗、设备维护消耗等；另一方面针对不同的站场情况、站改情形，只修改相应数据即可，易于后期维护，灵活性高，适应性强。

4 异常情况分析与优化

《无线调车机车信号和监控系统技术条件》（TB/T 3505—2018）第5.3.1 章节对正常调车监控条件进行了定义：在正常调车监控条件下（无线通信正常，LKJ工作正常，机车测速测距准确度符合要求，车列制动软管连接状态符合相关规定的要求，系统联锁信息采集及传输符合要求并工作正常，无调车信号突变及分路不良等异常情况），结合LKJ 实现调车作业防护功能［7］。即STP 正常工作的前提条件包括无线通信正常，LKJ 工作正常，机车测速测距准确度符合要求，以及无调车信号突变、分路不良等异常情况。在实际应用中发现，STP 异常注销的案例中，除极少数通信异常外，多是因系统判断出现分路不良，注销机车。

4.1 异常原因分析

STP 对车列（机车）首尾位置的计算是基于LKJ 里程和轨道电路占用状态变化［8-9］，而基于轨道电路状态变化实现的定位算法，容易存在定位误差，且误差随着时间的累积可能会超过站场内部分区段的长度，甚至可能会出现机车实际位置与轨道电路实际占用区段不一致的情况［10］。当此种情况发生时，就会导致STP 判定出现了分路不良而注销机车，对后续调车作业安全埋下重大安全隐患。经分析，该位置误差主要来源于位置校准误差和LKJ发送的里程误差。

首先是位置校准误差，为确保系统安全防护作用，需在轨道电路占用/出清时，根据延迟波动峰值对码位信息的采集时延进行补偿，对车列位置进行校准，即保证计算车列位置比实际车列位置靠前。所以延迟波动越大，计算车列位置与实际车列位置的误差也就越大。如前文所述，本方案的调车中心系统设置在调度中心，并与调度中心的TDCS/CTC系统接口通信，接收管辖内所有车站的联锁码位信息。整个信息交互过程为“车站联锁系统—车站CTC 系统—调度中心CTC 系统—调车中心系统—机车车载系统”，较传统STP 的“车站联锁系统—车站调车防护系统—机车车载系统”的信息交互流程要更长，相应的延迟波动也更具不确定性。同时调车中心系统与机车车载系统的通信采用运营商公网，加剧了延迟波动的不确定性。

LKJ发送的里程误差则主要来源于机车的轮径值误差。当机车轮径因磨损而减少时，LKJ记录的里程将大于实际里程，从而导致STP 的计算位置与实际位置出现偏差。

4.2 优化方案

1）为降低误差，需采集分析相关数据，查找产生数据传输延迟和波动的原因，逐步优化，减少数据传输延迟，抑制延迟波动。此外，还要加强相关信息数据的管理，定期测量更新调车机车轮径值等关键数据，确保数据的准确性，尽可能使STP对车列（机车）的计算位置与实际位置相近。

2）目前，基于地基增强的北斗差分技术，已经可以实现亚米级、厘米级的高精度定位，可通过测量车站线路的空间位置信息，制作车站站场电子地图，采用车列（机车）高精度卫星定位与轨道电路跟踪结合的方式，更加精准地实现对车列（机车）的位置跟踪。

3）分析梳理各种系统注销情况，完善分级报警机制。系统注销通常可分为可预期注销和意外注销两类。由可预期事件触发的系统注销，通常属于非紧急状况的控制权转换。系统应尽早向乘务人员发出提醒，以保证乘务人员有足够的时间完成接管工作，系统发出的提示应跟随请求时间逐步提升警告强度。例如从单纯视觉信号报警，升级到视觉信号加声音信号报警，直至乘务人员确认。由意外事件触发的系统注销，通常属于紧急状况的控制权转换，系统除向乘务人员发出报警信息外，还应采取紧急制动等措施，避免事故的发生。

5 结束语

为补齐企业铁路调车安全防护技术短板，提出基于公网VPN 及北斗定位技术的企业铁路STP 控车方案：基于公网VPN 技术完成车地通信，利用北斗卫星定位完成选站注册，并对车列（机车）在该站区的调车作业进行防护。这种无站场地面设备、无车站设备，仅需在调度中心安装地面设备的方案，无需新建和维护铁路专用无线通信系统，具有很高的经济效益和社会效益。该方案已在中国平煤神马控股集团企业铁路部署试用，试验效果满足企业铁路调车安全防护需求，可为其他企业铁路推广应用提供技术参考。