机车无线控制系统在新建大高炉铁水运输中的应用研究

赵会勇（本钢集团北营铁运公司，辽宁 本溪 117017）

1 引言

北营公司原有铁路92公里，机车40台，目前铁路运输作业采用机车乘务人员及调车人员依靠地面信号机的指示状态完成，这种作业方法有着不可避免的缺陷和不足：首先，容易受轨道等客观条件限制，如在弯道处很难确认信号等；其次，容易受天气等因素的影响，如在雨雪和冰雹等恶劣天气下，这种工作方式很难顺利地完成生产任务，无法保证行车安全，而新建大高炉的铁水运输对机车的行车安全要求更高。随着电子科技在铁路运输领域的研发与应用，急需安全、可靠、先进的机车控制系统来满足机车运行数字化、智能化、网络化、综合化的“四化”要求。

从信息传输方式来说，实现铁路运输中机车安全监控可以采取两种方法：一种是通过轨道电路电码化传送信息来实现；另一种方式就是采用无线通信的方式实现机车与地面的信息交换。由于我公司乃至全国大部分地方企业铁路均未实现电码化，无法通过轨道接收方式实现铁水运输车的机车信号显示，采用第一种方式，则需要对铁水运输线路进行大量设备改造，投资费用相当大；而利用无线通信的方式，改造量小，投资也比较少，因而是实现大高炉生产中铁路运输机车安全控制的一种较为理想的选择。

根据美国电气和电子工程师协会(IEEE)的定义，基于通信的机车控制系统是一种“利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路），双向连续、大容量的车—地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的连续自动列车控制系统”。它能够执行列车自动防护、列车自动运行以及列车自动监控。北美和欧洲等发达国家分别制定了各自机车安全控制系统发展计划。在借鉴它国成功经验的基础上，我国也已经研究制定了适应中国国情的机车控制系统技术规范，这对实现国家铁路信息化建设以及提高行车运行效率的安全性、可靠性有着非常重要的意义。

2 总体架构

基于无线通信的机车安全控制系统集无线通信、计算机、信号、安全控制于一体，用于保证行车安全和提高运输能力，由地面控制设备、车载设备和无线传输设备三个部分组成。图1是基于无线通信的机车安全控制系统的网络结构图。

图1 机车安全控制系统网络结构图

地面控制设备由两台热备通信服务器和若干个调度集中区域中心组成。系统设立两台热备通信服务器，保证系统中枢的安全运行，并在每个调度集中区域中心安装一个数传电台基站，在每台机车上安装一个数传电台，构成车与地的无线传输网络。

调度集中区域中心，集成调度集中主机、GPS系统和物流软件等设备，主要负责从计算机联锁设备中采集站场状态数据及生成调车作业单，为机车安全控制提供站场依据。

车载设备由安全控制主机、GPS系统、速度压力等传感器、卸载机车牵引力继电器等设备组成；主要负责从各传感器中采集机车实时运行的相关数据，并通过卸载机车牵引力继电器、常用制动电磁阀、报警音箱等设备实现机车安全控制。

无线传输设备通过设在调度集中区域中心和全站各机车上的专业数传电台进行控制信息交换，实现全站的机车调度与安全控制。

本文以本溪北营钢铁（集团）股份有限公司节能减排高炉改造项目炼铁站铁水运输调度指挥管理系统为例，详细介绍基于无线通信的机车安全控制系统的通信技术方案。

3 通信技术方案

3.1 无线传输规则

每个调度集中区域的单台数传电台基站使用1对（2个）频点，申请使用专用的400～420MHz数传频段的频点1对（2个），收发最小间隔为25kHz。信道传输速率为24kbps，为半双工传输。地面数传电台基站向机车发送数据分为4个时隙，每250ms发送一个数据包，每个时隙可以传输130字节；机车数传电台向地面数传电台基站发送数据为8个时隙，每125ms发送一次数据，每个时隙可以传输60字节。每个基站最大可以管辖的机车台数由机车上传数据的频率所决定，例如：每台机车1s上传一次数据，且数据能够在一个时隙传输完毕，则最大能够管辖8台机车，如果每台机车2秒上传一次数据，则最大能够管辖16台机车。根据我公司的机车运用情况，铁水运输车配备12台，则需每台机车1.5s左右上传一次。

3.2 车—地信息传输

每个调度集中系统控制若干个计算机联锁系统，计算机联锁系统定时将站场状态数据传送给所属的调度集中软件，站场状态数据内容包含：道岔状态、信号机状态、轨道区段状态。调度集中软件同时结合调度作业计划、作业完毕后清勾信息与轨道占用空闲等信息可跟踪推算出车头的位置，即每个占用轨道区段上是否为机车占用，占用机车的编号是多少，这样在调度集中软件中可以反映出站场的所有状态数据，包含：道岔、信号机、轨道区段的状态与机车的位置。

地面设备与车载设备通过无线通信通道交换数据模式，如图2所示。

图2 无线通信通道交换数据模式

（1）地面信号复示功能

调度集中主机获取到计算机联锁系统上报的实时站场状态数据后，对其标记时间信息，然后打包压缩通过所在区域的数传电台基站（通过通信服务器转发）以250ms的间隔时间向外广播，供处在该调度集中区域的机车安全控制主机接收，机车安全控制主机在接收到站场的状态数据后，提取出站场状态数据与本机车所处的轨道区段号，然后以该区段为中心动态显示模拟站场图，为司机的行车提供信号参考。

调度集中主机发送给机车的数据传输按照以下方案进行，调度集中数据每隔5s广播站场所有信号的状态数据一次，在5s间隔时间内，只对状态变化的数据进行传送，这样可以节省数据传输的带宽资源。

当机车无线控制主机连续5s接收不到地面传来的状态数据时，系统认为通讯已经中断，此时通过音箱进行语音提示报警，告知司机此时机车无线安全控制功能故障。

（2）机车信号上传至地面主机

机车安全控制主机每隔1.5s（当每个调度集中区域的机车数量N超过8台时，间隔时间为：N×125ms）将机车的当前车速、公里标数据以及经过测算的车长等信息通过数传电台上传给地面数传电台基站，再由以太网传至调度集中主机，根据运输生产需要及事后分析资料需要，设置传输主要报警、设备状态异常、安全控制动作等信息。

3.3 机车安全控制基本过程

（1）安全控制主机通过无线方式接收站场设备的状态信息，从速度传感器取得机车运行速度的实时信息，从机车的司机手柄、管压、缸压等传感信息的输入得知机车运行方向等状态信息。

（2）安全控制主机内部预先存储有机车运行线路的参数信息，如各轨道区段的长度、线路坡度、站场各股道的长度、站场各道岔的位置、各段线路允许限速值、制动性能等。

（3）安全控制软件启动时，读取存储器中的站场图数据，进行分析后在软件界面上初始化模拟站场图（从坐标0，0开始的区段）。同时接收基站传送给本机车的初始状态信息（信号机、轨道区段、机车位置等），然后根据接收到的信息，以当前机车所在轨道为中心进行显示。

（4）安全控制主机根据前方线路占用情况、前方信号机状态、机车制动参数，实时计算出允许运行的最大速度，通过显示器及语音告知司机。

（5）机车超过控制原则限制条件时，如检测到司机未采取相应措施，装置将向司机发出语音警告，必要时采取卸载机车牵引力、启用制动等安全措施。

3.4 系统特点

（1）系统符合基于通信的机车控制系统的标准，能提供双向信息传输的闭环控制，连续不间断地跟踪、监控列车运行，并能提供大容量的数据通信，传输调度作业计划，机车状态等信息，提高列车运行安全性。

（2）安全控制系统的实时性很重要，系统在每个调度集中区域安装一台GPS授时系统，用于对调度集中主机的精确时间校准，同时在每台机车上安装一台GPS授时系统，用于对机车安全控制主机的时间校准。通过GPS时间进行时间校准后，地面调度集中主机将与车载安全控制主机的时间保持一致。

（3）采用彩色触摸屏操作，显示器选用12.1英寸工业级液晶显示器。实时显示站场和机车状态及相关调车作业计划。

（4）结合运行机车的动力类型、作业任务及线路参数不同，设有不同限速标准，根据机车实时信息，实现动态控制。

（5）进行安全防护操作时，采用声光报警、卸载机车牵引力、启用制动三步措施。可以有效地避免因人为或机械原因造成的事故。

（6）对雨雪天机车运行可能出现的空转和打滑现象做出了相应的判断和处理。发生空转时，速度传感器发出的脉冲数急剧增加，加速度超过正常值；发生滑行时，加速度为负值，且绝对值过大。可以通过对加速度值设定绝对值上限来判断是否出现空转和打滑现象。

（7）为了减小因传输延时、空转、滑行带来的定位误差，在站场关键轨道上安装应答器，以进一步提高定位精度。

4 小结

基于无线传输技术的机车安全控制系统实现了机车的安全防护和作业调度功能，能加强铁路运输的自动化控制，降低安全事故隐患，节约运营成本，可为以后的运输生产带来巨大的经济效益。目前，机车安全控制系统正朝着机车信号主体化的方向快速发展，以期实现通信信号一体化。未来的机车安全控制系统将在无线通信的基础上，实现高可靠性控制方式和故障—安全的措施，具有广阔的应用潜能。

[1]IEEE Standard for Communications-Based Train Control Performance and Functional Requirements 1474.1-1999.

[2]曹桂均,林通源.车站调车作业安全防护的新装备—调车机车信号和监控系统[J].铁路通信信号工程技术,2006:(4).

[3]柴九英,许新伟,张奕敏.无线调车机车信号和监控系统[J].铁道运输与经济,2004:(2).

[4]李峰.车地数据无线传输可靠性关键技术的研究和实现[D].北京:北京交通大学,2009.