本务机车调车作业安全辅助防护系统方案研究

冯振兴

（中国铁路总公司 机辆部，北京 100844）

多年来，调车作业情况复杂、完全依靠人控，调车作业中闯蓝灯、挤道岔、越出站界、破坏列车进路等事故时有发生，尤以本务机车最为突出。随着专调机车陆续加装无线调车机车信号和监控系统（STP），专调机车作业安全得到极大保证。相对而言，本务机车调车作业无任何技防手段，调车作业事故多发的现状没有得到根本性改善，急需加装先进实用的技防设备，提高本务机车段内走行、站内转线、中间站调车等调车作业安全系数，防止惯性事故、恶性事故的发生。

1 本务机车运用现状

1.1 调车作业场景

调车作业是除列车运行以外，机车车辆在站线或其他线路上进行一切有目的的移动，是车站特别是技术站的重要生产活动，包括列车编组、解体、摘挂、转线，车辆取送、转场、调移，以及机车出入段、中间站转线等。

1.1.1 出入段作业

本务机车出入段作业是担任列车牵引任务的本务机车在机务段内整备作业完毕后，根据机车交路出段担任牵引任务，或完成牵引任务到达机车交路的终点站后，本务机车需入段进行整备技术作业，包括段内、站内单机走行和转线，也会临时执行本列车辆的甩挂作业。

1.1.2 中间站调车作业

担任客货列车牵引任务的本务机车，尤其是小运转列车、摘挂列车等在中间站有时需利用本务机车进行调车作业。中间站调车作业为平面牵出作业，需甩挂车辆、对货位、专用线取送等。调车场景包括：

（1）调车到牵出线、尽头线作业时接近土挡；

（2）调车接近站界、越出站界、跟踪出站；

（3）调车进出专用线，经过电气集中与非电气集中转换区；

（4）调车经过道岔特殊限速地点；

（5）调车接近接触网终点标；

（6）调车经过一些安全关键信号机与安全关键地点等。

1.1.3 其他调车作业

本务机车除担任牵引客货列车任务外，还需承担一些临时性任务，如担当列车救援任务进入区间、牵引施工路用列车等，担当救援任务时从自动闭塞区段反方向进入区间需将LKJ转入调车模式，路用列车在施工地段也会根据需要将LKJ转入调车模式进行控制。

1.2 调车作业方式和现有技防手段

在出入段作业、中间站调车作业、担当救援或路用列车任务等场景下，本务机车调车作业方式及现有技防手段主要有以下几方面：

（1）出入段作业。从机务段到货车编组场、客运技术作业站，本务机车属于调车作业状态，需将LKJ转入调车模式。在本务机车出入段作业过程中，除正常单机走行外，还有利用尽头线转线、接近站界转线、接近接触网终点标转线、途经电力机车禁停区、途经固定脱轨器设置点、途经特殊调车信号机、途经限速区段等作业场景，作业条件复杂，安全风险较大，目前没有可靠实用的技防手段，完全采用机车乘务员瞭望信号、控制速度等人控方式。

（2）中间站调车作业。本务机车中间站调车作业目前主要采用无线调车灯显设备，虽能及时显示调车组指令，但仅能卡控调车作业速度，不能复示地面调车信号显示，对站界、土挡等安全关键点仍只能依靠机车乘务员瞭望确认等人控方式，无其他可靠实用的技防手段与安全装备。

（3）其他调车作业。本务机车在承担临时性任务（如单机进入区间执行列车救援任务、牵引施工路用列车）时，既有调车作业方式，又有列车运行模式，也无任何技防手段，安全卡控主要依赖机车乘务员。

2 需求分析

根据对现有本务机车调车作业场景和作业方式的分析，实现调车作业的安全防护控制，主要应满足以下5个方面的需求：

（1）地面调车信号显示状态在本务机车车载复示的需求。本务机车调车作业受站场环境复杂、机车乘务员对站场不熟悉、瞭望条件有限等因素影响，机车乘务员容易误认地面调车信号造成作业事故。若地面调车信号在机车上实现复示，将大大提高信号确认的安全性。

（2）获取站界、土挡、接触网终点标等关键点位置的需求。实现对调车信号、站界、土挡、接触网终点标等关键点进行防护，首先要求获取这些点的精准位置信息，才能实时结合机车位置实现距离防护功能。

（3）调车作业防冒、防撞、防超的安全防护需求。调车作业过程中，主要有越过关闭调车信号、越出站界、越过接触网终点标等冒进风险，侧面冲突、轧脱轨器、冲撞土挡等冲突风险，超过规定速度通过限速区段、特殊道岔等超速风险，应通过LKJ设备的解除牵引力、常用或紧急制动控制功能，实现调车作业防冒、防撞、防超的安全防护，最大限度实现机控。

（4）语音（声音）警示功能需求。通过机车既有LKJ显示器，实现本务机车在上述防冒、防撞和防超控制时，提前进行报警提示，警示机车司机控制运行速度，防止越过目标地点，实现设备安全控制。

（5）相关数据记录分析需求。对调车作业全过程进行记录，记录下载后可进行回放分析，为机务调车作业安全管理、事故分析提供条件及依据。

3 目标和要求

3.1 总体目标

通过获取站场信息和机车精确位置，综合处理形成本务机车调车作业所需的安全防护控制信息，并结合LKJ实现本务机车调车防冒、防撞和防超的功能，解决目前本务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。

3.2 总体要求

（1）安全可靠地实现本务机车调车作业安全防护功能；

（2）机车定位精度高、实时性强，防护关键点准确识别；

（3）车地信息交互及时、准确，网络传输安全可靠；

（4）人机界面简洁、友好，易于操作人员使用；

（5）不对外部接口系统的正常工作造成影响；

（6）充分考虑模块化和可扩展性，便于设备的管理、扩展、维修；

（7）设备稳定性和电磁兼容性好，满足实际环境要求；

（8）安装调试简便，建设周期短。

4 方案设计

4.1 系统架构

本务机车调车作业安全辅助防护系统（简称系统）架构见图1。系统由3部分构成：地面中心设备、站段地面设备和车载设备。

4.1.1 地面中心设备

地面中心设备主要包括地面中心服务器和相关监控终端，由中国铁路总公司（简称总公司）、铁路局集团公司2级地面设备组成。设在总公司的设备包括远程监控服务器和终端设备，设在各铁路局集团公司的设备包括站场信息接口服务器、地面服务器组和监控终端等设备[1]。

（1）总公司远程监控服务器和终端设备。总公司的远程监控服务器用于远程查询和显示各铁路局集团公司本务机车调车作业安全辅助防护系统作业和调车过程控制状态。

图1 本务机车调车作业安全辅助防护系统架构

（2）铁路局集团公司站场信息接口服务器。站场信息接口服务器主要负责与TDCS/CTC系统进行接口，获取道岔、轨道区段和调车信号等联锁信息，并转换成特定数据格式后发送至铁路局集团公司地面服务器组。

（3）铁路局集团公司地面服务器组。地面服务器组由通信服务器、系统服务器等组成。通信服务器负责中心地面设备对外信息交互，主要与站段地面设备通信获取卫星地基参考站的北斗差分信息，与车站和机务段的站场信息接口服务器获取非TDCS系统车站或机务段地面联锁信息，与MTUP平台接口实现与车载设备的数据交互。系统服务器主要功能是进行功能应用计算、北斗地基参考站管理及差分数据转发、站场数据管理和系统管理，并为铁路局集团公司监控终端实时提供管辖范围内的站场、机车等信息显示。

4.1.2 站段地面设备

站段地面设备主要由车站设置的卫星地基参考站、非TDCS系统车站和机务段设置的站场信息接口服务器等接口设备组成。

（1）卫星地基参考站。用于提供一定区域（半径30 km左右）的卫星差分定位数据。

（2）站场信息接口服务器。非TDCS系统车站的站场信息接口服务器用于与车站联锁系统设备接口，获取车站联锁信息；机务段站场信息接口服务器用于与机务段的联锁系统或股道自动化系统接口，获取机务段内的联锁信息。对于无股道自动化系统的机务段，不设置站场接口服务器，系统仅实现除信号防护外的安全防护控制。

4.1.3 车载设备

车载设备与地面中心设备优先采用GSM-R网络通信，移动公网虚拟专网通信为补充，并预留数传电台通信方式。车载设备实时接收地面系统发送的站场联锁信息和调车进路信息，并将车载北斗定位模块的位置信息与地面中心设备交互，获取地面中心设备计算的机车精确位置信息（定位精度误差不大于30 cm）。车载设备将调车进路信息及机车精确位置信息通过LKJ接口插件发送至LKJ，由LKJ进行控车防护。车载设备由组合天线、调车防护主机组成：

（1）组合天线。车载天线使用四合一组合天线，由卫星定位天线、GSM-R天线、公网移动通信天线及数传电台通信天线组成，用于收发GPS/BDS信号及GSM-R、3G/4G和数传电台的通信信号。

（2）调车防护主机。调车防护主机具备GPS/BDS定位、GSM-R通信、3G/4G通信及数传电台通信功能，通过GPS/BDS定位模块获取机车卫星定位信息，通过GSM-R、移动公网虚拟专网或数传电台通信模块获取调车进路信息、站场图数据、机车精确定位信息等。

调车防护主机配置LKJ接口插件，专用于与LKJ系统通信，实现与LKJ系统的物理隔离。调车防护主机将获取的调车进路信息、站场图数据、机车精确定位信息等通过该LKJ接口插件发送至LKJ系统。

4.2 系统网络通信

系统中车载设备、站段地面设备和地面中心设备间需要实时进行数据交互，网络通信是整个系统的基础保障，需满足传输及时、准确和安全的要求。

根据目前铁路既有应用的通信网络情况分析，可采用GSM-R[2]、移动公网虚拟专网[3]、无线数传电台、WLAN等通信方式[4]，综合分析比较见表1。

综合考虑网络覆盖范围、传输速率、投资成本、通信安全性、扩展性等因素，优先采用GSM-R作为系统车地通信通道，并以移动公网虚拟专网通信网络作为补充，预留无线数传电台通信功能。

表1 通信方式综合分析比较

系统网络通信部署方式如下：

（1）与TDCS通信。系统从TDCS接收站场实时数据。在TDCS网络内设置站场信息接口服务器，该接口服务器从TDCS数据网络获取TDCS的站场实时数据，并通过专线将数据发送至系统站场信息接口服务器，经接口服务器处理转换成特定专用数据格式。

（2）与车载设备通信。车载设备通过铁路专网或移动公网虚拟专网，经铁路网络安全平台接口实现与地面中心设备的实时信息数据传输交互。

（3）站段地面设备与地面中心设备通信。站段地面设备通过铁路内网与地面设备通信，在特殊条件下不具备铁路内网接入条件的，站段地面设备通过GSM-R或移动公网虚拟专网接入铁路网络安全平台，与地面中心设备进行卫星差分信息和站段联锁信息的传输。

4.3 站场联锁信息采集

系统实现调车作业安全辅助防护的关键是判别调车作业进路、调车信号，其首要条件是站场联锁信息的实时采集，可选用的数据采集接口设备有：TDCS/CTC、计算机联锁、集中监测等。系统可与既有铁路TDCS/CTC[5]、车站计算机联锁系统和集中监测系统接口获取车站联锁信息，综合分析比较见表2。

综合考虑数据接口范围、维护性、信息实时性、系统投资及系统采集延时等因素，系统主要通过TDCS/CTC采集站场联锁信息。对于非TDCS车站，通过增设站场信息接口服务器与车站联锁系统接口获取站场联锁信息；对于机务段，通过增设站场信息接口服务器与机务段TDCS或股道自动化系统接口获取机务段内的站场联锁信息。

通过TDCS/CTC采集站场联锁信息的接口、传输信息内容及传输方式的设计如下（非TDCS/CTC车站及机务段内的联锁信息采集方式参照执行）。

4.3.1 接口设计

在铁路局集团公司TDCS/CTC中心子系统中部署站场信息接口服务器，采用TCP/IP网络协议进行数据传输。系统只单向接收TDCS/CTC数据，不向TDCS/CTC发送数据。

为保证对TDCS/CTC网络的安全防护，TDCS/CTC内网的接口服务器与本系统站场信息接口服务器间使用非以太网络信道专线进行连接；在TDCS/CTC侧及系统侧均设置防火墙，TDCS侧防火墙设置禁止接入规则，在系统侧防火墙设置禁止连出规则，且仅设置单一准入端口用于接收TDCS/CTC接口服务器发送的特定格式数据信息；系统侧接口服务器的硬盘增加逻辑锁保护，保证非管理者无法变更接口服务器的软件配置和接口服务器不被恶意篡改。

4.3.2 传输信息内容

基本通信内容为铁路局集团公司TDCS/CTC所有车站的联锁信息，用以反映各站场联锁元素状态，各站场联锁信息包括：

（1）列车信号机状态：列车信号开放、调车信号开放、引导信号。

（2）调车信号机状态：调车信号开放。

（3）道岔状态：定表、反表。

（4）区段状态：占用、锁闭。

4.3.3 信息传输方式

TDCS铁路局集团公司查询子系统以固定周期向系统站场信息接口服务器发送站场表示信息帧。正常情况下，从TDCS完成信息采集到发送出数据的间隔时间应不超过2 s。TDCS铁路局集团公司查询子系统采用每个车站联锁信息单独打包的方式发送，打包信息包括车站站号、CRC校验码等内容。当TDCS网络内部某个车站的通信中断时，应停止向本系统发送此站数据。TDCS铁路局集团公司查询子系统以固定周期向系统站场信息接口服务器发送心跳信息帧，包括发送序号、TDCS时间、CRC校验码等内容。系统站场信息接口服务器对每个车站设立信息接收计时器，当某一车站联锁信息接收中断超过设定时长时，认为此站通信故障并执行相关故障处理。

表2 数据采集方式综合分析比较

4.4 机车精确定位技术

系统实现机车调车作业安全辅助防护，关键需要实时获取机车在站场中的精确位置信息。主流的机车定位手段有高精度卫星定位[6]、电子标签定位和通信基站定位，根据机车调车作业的环境，机车定位方式综合分析比较见表3。

通过综合考虑定位精度、可靠性、稳定性、信息安全、系统投资、场景适用性等因素，系统采用卫星差分定位技术实现机车在站场中的精确定位[7]。系统车载设备通过接收地面差分基站发送的卫星差分信息[8]，结合车载设备自身接收的卫星定位信息，实时计算机车经纬度坐标，通过与车载数据预先设置的经纬度信息进行比对，确定机车在站场中的精确位置信息[9]。

5 系统防护控制功能

5.1 显示功能

系统在实现调车作业安全辅助防护功能时，机车停车状态下LKJ屏幕显示器显示站场图形界面，机车运行状态下显示当前调车进路的调车防护控制模式曲线。

（1）停车状态显示（见图2）。机车停车状态下，以站场信号平面图为显示主体，能够实时显示站场各股道和轨道区段列车出清和占用情况、站场各调车信号机的开放和关闭状态、各道岔的开通方向状态。该显示方式主要便于机车乘务员了解站场运行环境和站场信号状态。

图2 停车状态显示界面

（2）运行状态显示（见图3）。机车运行状态下，以当前调车进路的调车防护控制模式曲线为显示主体，控制模式曲线显示内容与LKJ通常模式下的显示风格保持一致。速度标尺以上区域用于显示可控信号设备的位置和设备状态，如信号机、道岔、电控脱轨器；速度标尺以下区域用于显示固定控制点信息，如区段限速、固定脱轨器、禁停区、一度停车点、无接触网起点等。

5.2 语音提示功能

系统判断处于调车作业防护状态时，满足规定条件的，LKJ屏幕显示器输出语音和报警提示，主要分为：

表3 机车定位方式综合分析比较

图3 运行状态显示界面

（1）语音提示。调车作业防护状态的语音提示包括调车信号状态变化语音提示、调车进路变化语音提示、调车防护控制类型变化语音提示等。

（2）报警提示。调车作业防护状态的报警提示包括调车防护动作报警提示、调车作业防护系统故障报警提示、调车作业限速报警提示等。

5.3 防护控制功能

（1）白灯限速防护。运行前方调车信号机的显示为白灯时，LKJ按调车最高运行速度监控车列越过该调车信号机[10]。控制模式见图4。

图4 白灯限速防护控制模式示意图

（2）禁止信号控制。运行前方调车信号机为禁止信号时，LKJ以该调车信号机为控制目标点，监控车列在该信号机前停车。控制模式见图5。

（3）存留车股道限速控制。前方线路中停有存留车辆，监控车列以前方有存留车辆进路的调车信号机为限速控制目标点，出口限速按规定的速度值（缺省为20 km/h）确定固定模式限速值监控车列越过该信号机，越过该信号机后按前方调车信号进行控制。控制模式见图6。

图5 禁止信号控制模式示意图

图6 存留车股道限速控制模式示意图

（4）特殊限速控制。前方进路中存在特殊限速（如道岔限速、股道限速等）时，以限速起点位置为限速控制目标点，计算产生平滑的控制曲线，监控车列以不超过该限速运行，并按该限速确定固定模式限速值，监控车列通过该限速区段。控制模式见图7。

图7 特殊限速控制模式示意图

（5）停车点防护。系统判断机车前方进路中存在停车点（如机车为电力机车且进路信息有接触网终点、站界、尽头线、一度停车点等）时，LKJ监控车列在停车点前停车。控制模式见图8。

图8 停车点防护控制模式示意图

（6）推进作业限速防护。系统计算判断机车推进作业时，按推进限速值监控车列运行。控制模式见图9。

图9 推进作业限速防护控制模式示意图

5.4 运行记录数据记录和分析

系统通过LKJ记录调车作业全过程的机车运行速度、机车工况、列车管压力、制动缸压力、均衡风缸压力等运行状态信息，以及调车作业过程中的地面调车进路和机车位置信息。通过地面配套的专用分析软件，能够实现调车作业过程的回放、调车作业过程中安全项点的自动检索分析等功能。

6 系统维护

6.1 站场数据维护

系统实现站场内机车调车作业安全辅助防护，需预先存储或实时读取站场图数据和站场测绘数据。

（1）站场图数据。站场图数据主要用于在LKJ屏幕显示器上以站场平面图的方式显示站场信号机、道岔、轨道区段的状态信息；同时系统中心地面设备的系统服务器也需将站场联锁信息与站场图数据结合，实时计算机车的调车进路信息。因此，站场图数据需与实际地面站场设备设施保持一致。

系统建设初期需根据TDCS/CTC的站场图数据转换生成用于系统使用的站场图数据。系统投用后，遇站场改造导致与系统控制相关地面设备设施信息变化的，需结合站场施工计划及时对站场图数据进行更新。系统地面中心设备的站场图数据更新后，如机车进入已完成改造的站场，车载设备判断车载站场图数据版本与地面中心设备服务器不一致，则通过无线通信网络实现车载设备站场图数据在线更新。

（2）站场测绘数据。站场测绘数据主要是存储站场中信号机、股道、道岔、尽头线车挡等位置的北斗卫星坐标信息，作为机车在站场中精确定位计算的基础数据源。当站场中与系统控制相关的地面设备设施信息发生变化，需对调整后的设备设施进行重新测绘，获取准确的北斗卫星坐标信息，并更新地面中心设备中存储的站场测绘数据。

6.2 系统设备维护

系统地面中心设备具备车载设备、站段地面设备的远程实时监测功能。车载设备和站段地面设备实时将自身设备工作状态信息发送至地面中心设备，遇车载设备或站段地面设备故障，可通过地面中心设备监控终端实时进行报警提示。另外，对于系统车载设备和站段地面设备，系统具备远程软件更新功能，便于系统设备的升级维护。

7 结束语

本务机车调车作业安全辅助防护系统方案是基于充分调研各铁路局集团公司应用需求的基础上，统筹研究机车精确定位技术、车地无线通信技术、站场联锁信息采集技术、LKJ控制技术，综合形成的本务机车调车作业防冒、防超和防撞系统解决方案。系统具有广阔的应用前景，其推广应用将根本性改变本务机车调车作业事故多发的现状，是调车作业控制里程碑式的进步，具有良好的社会效益和经济效益。