铁路车站调车作业安全监控技术研究

冯 军，赵 阳，尚麟宇

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081)

1 铁路车站调车作业安全管理现状

调车作业是铁路运输组织中的重要环节，保障调车作业安全是实现铁路运输生产稳定高效运转的关键。铁路车站调车作业点多面广，情况多变，始终是车站安全管理中的重点和难点问题，按作业机车类型不同划分，可主要分为专用调车机车调车作业、本务机车调车作业、自轮运转设备调车作业3类。随着近几年无线调车机车信号和监控系统(STP)等技防装备陆续安装使用，专用调车机的作业安全得到了有效卡控[1]，调车作业常见的冒进信号和超速等造成的“冲、脱、挤”等惯性事故发生率明显降低，对控制调车作业风险，减少调车事故对列车的干扰，减轻调车作业人员的劳动强度，提高调车作业效率发挥了重要作用。与此相比，本务机车和自轮运转设备调车作业的安全卡控手段明显缺乏，随着货运增量和“公转铁”行动的持续推进，在企业专用线陆续接入国家铁路车站后，中间站的调车作业将明显增加，对调车作业的安全和效率提出了更高的要求，本务机车和自轮运转设备调车作业安全已逐渐凸显，成为铁路行车安全防护中的薄弱环节[2]。

本务机车的调车作业主要包括始发和终到的甩挂作业、依据运输调车安排进行的甩挂调车作业及出入库调车作业等。中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)现有近20000 台本务机车，调车作业分散在全路近3000 个车站中，本务机车的调车作业多数是由对站场不熟悉的司乘人员完成，存在作业环境复杂、作业区域多变、走行进路多变、配合人员多变、调车任务多变等特点，造成调车作业安全风险因素较多，时常发生“冲、拖、挤”事故。本务机车发生事故后影响正线列车的几率高，触及旅客安全红线。现有本务机车调车安全主要依赖乘务员和调车组的人防为主，技防措施仅能通过LKJ 的“调车模式”和“出入库模式”防止作业速度不超过最高限速，对调车信号机、站界、尽头线等场景无法防护。

自轮运转设备主要包括在运营线上运行的轨道车及施工、维修专用车辆，在路料运输、施工维护作业中发挥越来越重要的作用。从自轮运转设备的行车事故统计来看，调车作业事故占很大比重，安全风险主要来源以下方面。一是安全管理水平有待提高。自轮运转设备乘务员和调车指挥人员的技能培训和安全管理主要由工务、供电单位承担，在调车作业技能、现场添乘检查、运行数据分析等方面的知识掌握有限。近年来工电系统持续推行自轮运转设备的“机务化”运用管理，坚持“小车管理、大车标准”，但建立完善的安全管理制度仍是长期过程。二是调车作业流动性较大。由于自轮运转设备的作业特点所决定，作业人员对站场、设备的熟悉程度较低，对规范制度的掌握执行及对车站作业细则的掌握不够，临时性、不确定性问题突出。三是调车作业与施工维修穿插进行。由于自轮运转设备基本在站场施工和设备维修的天窗点内穿插进行，受保正点开通、抢修抢险等外界因素影响，存在疲劳作业、简化操作、联控不到位等情况，经常导致自轮运转设备调车作业中发生事故。现有自轮运转设备调车作业也以人防为主，GYK 设备“调车模式”仅能进行固定最高限速防护，对调车信号机、站界、尽头线等场景无法防护[3]。

统计分析近年来各铁路局集团公司调车安全事故，由本务机车和自轮运转设备造成的调车事故占比不断上升，已成为铁路行车安全防护中的薄弱环节，建立覆盖专用调车机、本务机、自轮运转设备的调车安全防护体系已经成为铁路安全管理的迫切需求[4]。由于本务机和自轮运转设备相比于专用调车机，具有存量机车数量大、同时作业机车多、作业站场随机性强等突出特点，将STP 技术拓展至本务机和自轮运转设备运用，需要在现有STP技术基础上解决3 方面问题：一是优化机车初始定位方式，减少站场和机车固定设备数量；二是实现存留车测距，解决现有STP 系统控制盲点；三是增加车地间无线通信通道带宽，减少频率干扰。此外，应实现设备的简单统一化设计，降低车载设备成本。因此，应加强本务机和自轮运转设备调车作业中采用STP 技术制约因素分析，探讨铁路车站调车作业安全监控关键技术。

2 铁路车站调车作业安全监控制约因素分析

2.1 车列位置定位方式局限性

调车车列位置的定位和跟踪是实现车站调车安全监控的核心问题，现用STP 系统主要由地面设备和车载设备组成，车地间通过专用无线通信设备进行信息交互，地面设备通过与计算机联锁系统信息交互获得车站信号机、轨道电路、道岔等设备状态，站场出入口安装无源点式应答定位器进行机车初始定位。该种方式需在站场地面安装定位器设备，在机车上安装应答器接收装置，设备组成较为复杂，运维工作量较大。同时该方式使用中也存在功能局限，当车列推进进入站场集中区作业时，只有当机车经过应答器时系统才能获取初始定位信息进入控制模式，发挥安全防护作用，但因受进入集中区前无岔区段长度的限制，应答定位器安全位置距离集中区第一架调车信号机一般不能超过200 m，推进作业时经常发生调车机没有进入控制模式，但推进车列的头部已经越过第一或多架信号机，甚至进入股道的情况，使整个推进作业过程丧失安全防护功能情况的发生[5]。车列推进进入站场作业风险示意图如图1 所示。

图1 车列推进进入站场作业风险示意图Fig.1 Risk of train pushing operation into the station

2.2 股道存留车位置准确获取

存留车位置的探测技术是实现调车作业安全速度联挂的技术关键，现用STP 系统无法准确测量车列与股道或区段内存放车辆间的距离，当车列前方进入存车距离未知股道后系统进行报警，但无法实现“距离－速度”模式的安全防护，存在作业安全风险。当调车机进入股道连挂停留车后如继续推进，STP 系统虽进入前方信号距离未知报警模式，但司机如果连续盲目按警惕键操作，车列仍可继续推进，存在冒进股道另一侧防护信号机的风险。当这种情况发生时，一旦临线股道排列进出股道的调车或列车进路，很可能造成破坏进路或侧冲事故的发生。从多年应用经验中发现，随着调车作业司乘人员对STP 设备的长时间使用，对设备的依赖程度会不断提高，“只报警不控车”所引发的安全风险会愈发突出[6]。存车距离未知联挂作业风险示意图如图2 所示。

图2 存车距离未知联挂作业风险示意图Fig.2 Risk of unknown distance of coupling propulsion operation

2.3 无线信息交互运用需求

机车与地面间快速、及时、准确的无线信息交互是实现车站调车安全监控的基础条件，在用STP 系统车地通信主要采用无线数传电台的半双工双向通信方式，当一站多车时使用逐车轮询通信模式，实现一套地面设备对多台调车机的安全控制，最大可承载5 台机车的控制需求。可用通信频段包括450 MHz，400 MHz，230 MHz 等，系统使用4 ～ 6 个频点，各站地面设备按交替循环方式进行配置，车载设备依据作业站场切换至与地面设备一致频点。但随着安装车站数量的增多，频率资源的匮乏日益凸显，尤其在枢纽地区干扰现象多发，影响设备使用效果，无法满足本务机车和自轮运转设备的应用需求。在国铁集团课题支持下，部分车站进行了基于GSM-R 的电路域实现STP 车地通信的研究和试验，一台机车需与地面通信基站建立一个电路连接，多台机车需建立多个电路连接，当同时作业车辆较多时占用频率资源较多，GSM-R 数据传输速率低，带宽窄，尤其GSM-R承载业务已趋近饱满，很难满足作业繁忙站场多台调车机车、本务机车、自轮运转设备对于车地通信的无线通信资源需求。

3 铁路车站调车作业安全监控关键技术

3.1 采用北斗卫星定位技术优化车列定位方式

北斗卫星系统是中国自主研制的全球卫星定位与通信系统，能够提供全天时、全天候的高精度、高可靠的定位和速度信息，采用差分方式定位精度可达分米级。在机车上安装的北斗卫星信号接收机实时向车载主机传送卫星定位系统，结合LKJ 提供的相关信息与车站联锁条件进行综合判断，能够解决机车或车列的初始定位问题。利用北斗定位技术代替应答定位器定位，可以简化车载设备结构，站场无需安装应答定位器。该方式定位速度快、无累计误差、通用性强、减少设备维护工作量，可以满足多台机车同时作业的定位需求。车站北斗定位系统组成结构图如图3 所示。

图3 车站北斗定位系统组成结构图Fig.3 Structure of Beidou Positioning System in the station

为减少因各种外界因素影响给卫星定位结果造成的误差，采用RTK (Real Time Kinematic)实时动态定位技术来提高定位精度，选取车站周边的开阔地带建立卫星参考站，参考站将自身的地理坐标信息和观测到的载波相位测量值通过有线/无线通信网发送至地面BDS 差分服务器，BDS 差分服务器综合接收到的多个参考站的数据，通过站场的无线通信网向车载卫星接收机提供VRS (虚拟参考站)信号，卫星接收机对接收到的卫星信号和VRS 信号进行联合运算，采用差分方式减少机车位置观测数据中的误差，获得分米级定位结果，满足铁路站场机车定位的运用需求。

3.2 采用雷达和视频技术实现存留车位置探测

汽车自动驾驶技术正在如火如荼发展，在自动驾驶技术中通常利用视频识别和雷达探测技术实现周围环境的智能感知和识别。针对调车作业特点开发了一套由小型摄像头、激光雷达测距仪、LTE传输模块、卫星定位模块组成的距离探测器装置。距离探测器放置在车列前端自动识别调车作业进入集中区的第一架信号机，也可放置在股道存车距离未知的两端车辆上识别探测距推进车列及前方信号机的距离。距离探测器装置组成结构如图4 所示。通过无线通信通道将信号机和距离信息发送至STP系统车载设备，实现STP 系统对进入集中区第一架信号机和股道存车距离位置的安全防护，实现调车作业信号安全控制模式的全覆盖[7]。

3.3 采用LTE无线通信技术解决信息传输瓶颈

《铁路信息化总体规划》(铁总信息[2017]152号)中明确，到2020年车站(场)宽带无线覆盖率达到60%以上，涵盖编组站、货运站、客运站、动车段所和集中箱中心。《铁路站场宽带无线接入系统总体技术要求(暂行)》中规划在站场无线通信中采用1.8GHz 频段LTE 技术，该方式具有通信安全稳定、抗干扰性能好、设备可靠稳定等优势，可使用一张网综合承载站场列检、货检、调车、车号、客货运等语音、数据、图像的通信业务需求[8]。

STP 系统可采用LTE 基于IP 分组数据传输实现点对点的通信，满足STP 系统对车地通信实时性高，不间断的需求，可有效解决拓展至本务机车及自轮运转设备使用的瓶颈问题。随着国家无线电管理委员会关于450 M 频段无线数传设备逐步退出使用规划的实施，以及2025年后G 网设备供应商停止对GSM-R 设备的升级和技术支持，开展STP 系统适用LTE 通信制式的应用技术研究和现场试验可有效应对通信技术和装备的升级换代，为建立覆盖全路各类机车的调车安全防护技术和装备提供充足的车地传输通信资源空间。

图4 距离探测器装置组成结构图Fig.4 Structure diagram of distance detector

4 结束语

STP 技术及装备作为我国铁路调车安全防护技术装备创新的核心成果，已逐步成为调车作业安全防护的关键技术装备，在现有STP 技术基础上，对相关关键技术进行深化研究，建立覆盖各类机车的调车安全防护系统已成为未来技术发展方向。目前，已在中国铁路西安局集团有限公司陇海线进行了利用卫星定位技术实现机车定位试验，在中国铁路太原局集团有限公司煤炭企业车站进行了存留车位置探测试验，在中国铁路哈尔滨局集团有限公司进行了LTE 通信的试验室仿真试验，满足本务机车和自轮运转设备的调车安全防护运用需求，有效解决铁路调车安全薄弱环节，补齐安全防护装备短板，不断完善我国铁路安全技术体系和装备现代化。