车站调车作业安全综合管控系统技术方案设计研究

Technical Scheme Design of Comprehensive Safety Control System for Station Shunting Operation

摘要

在车务系统调车作业安全管理仍以人防为主的现状下，通过对调车区长、车站值班员、调车组等岗位作业过程和安全风险的分析，基于全路现有调车设备，研究并设计了融合既有STP、调车灯显、TDMS、现在车系统及调车列和作业人员北斗定位信息的车站调车作业安全综合管控系统技术方案。实现防范调车作业与列车作业间干扰冲突、违反技规301条、非集中区调车作业、调车人员人身安全、调车相关设备位置不正确等危害较大和易于发生的作业风险。同时具备集中管控和统计分析等管理功能，补强调车作业过程分析手段缺乏的短板。技术方案具有接口成熟、设备复用、节约投资、利于推广、效果明显等优势，应用后将有效防止调车事故的发生，提升车务管理数字化、信息化、智能化水平。

Abstract

Under the current situation where the safety management of shunting operations in the train operation system still mainly relies on human prevention, the operation processes and safety risks of positions such as shunting area chiefs, station duty officers, and shunting crews were analyzed, and based on the existing shunting equipment across the railway, a technical scheme for a comprehensive safety control system for station shunting operations was studied and designed. This system integrated existing shunting train protection (STP), shunting light display, train diagram management system (TDMS), the current train system, as well as the Beidou positioning information of shunting trains and operating personnel. This system could prevent high-level and easily-occurring operational risks such as interference and conflicts between shunting and train operations, violations of Article 301 of the technical regulations, shunting operations in non-centralized areas, personal safety of shunting personnel, and incorrect positions of shunting-related equipment. At the same time, it has management functions such as centralized control and statistical analysis, making up for the lack of means for analyzing the shunting operation process. The technical scheme has advantages such as mature interfaces, equipment reuse, investment savings, ease of promotion, and obvious effects. After application, it will effectively prevent the occurrence of shunting accidents and improve the digital, information-based, and intelligent levels of train operation management.

Graphical abstract

关键词

车务系统 / 调车作业 / 安全防护 / 集中管控 / STP

Key words

Train Operation System / Shunting Operation / Safety Protection / Centralized Control / STP

1　调车安全管控需求分析

车务系统安全管理工作主要包括接发车作业管理和调车作业管理2类。其中，接发车安全管理方面以CTC系统为基础平台进行功能迭代升级，建立并持续完善了行车管控技防平台，覆盖了车务系统接发车相关的各岗位和全流程^[1]。但在调车作业管理方面，因“点多面广、灵活多样”的作业特点，面对调车相关设备较为零散和信息化程度低的现状，始终未能统型化建设数字化、信息化、智能化的调车管控技防平台，现场安全管理措施仍以强化“职工标准作业，干部现场盯控”等人控方式为主，与接发车管理技防手段相比存在明显短板^[2]。主要存在以下4方面突出问题。

1.1　各专业间信息不畅通

由于调车作业相关的车务、机务、电务部门业务流程彼此独立，按调车作业流程线“计划-进路-信号-机况-灯显”分析，计划和灯显信息在车务部门、机况信息在机务部门、进路信号信息在电务部门，现状下因各信息间彼此孤立，无法实现核对、校验、互锁等逻辑判断，使对安全风险较高的调车与列车进路交叉干扰、调车进路错排、人身安全等防护功能无法实现^[3]。

1.2　调车设备信息未整合

车站调车安全防护对象包括集中区信号、道岔、站界，非集中区人工扳动道岔，以及土挡、大门、道口、脱轨器、停车器和防溜设备等车站设备。设备的类型和组成相对较为复杂，包括电动和人工、信息化和非信息化等多种，因缺乏调车相关设备的集中管控平台，作业人员和管理人员无法及时掌握设备运用状态，给车务系统的管理造成诸多不便^[4]。

1.3　技防设备功能存短板

现有调车安全技防设备主要包括铁路无线调车灯显设备、无线调车机车信号和监控(STP)系统、灯显信息监听设备、视频监控设备等几类，从功能上分析既有技防设备的用途都较为单一，无法全面满足车务系统调车作业管理的需求，同时还存在设备重叠、功能重复等问题。铁路无线调车灯显设备主要依靠调车组人员的标准化操作，智能化程度低，对于人员操作失误造成的事故缺乏有效的防护措施^[5]。STP系统仅对集中区信号、道岔、站界等的安全风险实现自动防护，对非集中区和其他设备无防护功能^[6]。灯显信息监听和视频监控设备仅可作为辅助防护和事后分析手段，无法在事前实现阻断式防护。

1.4　集中监控指挥缺平台

按中国国家铁路集团有限公司《车务站段安全生产指挥中心管理指导意见》(铁运〔2023〕65号)的要求，各车务站段均已建设安全生产指挥中心，主要应具备作业监控、应急指挥、数据分析、生产组织4方面职能，面向行车和调车2方面工作^[7]。现状下调车管理方面主要依靠调车组作业记录仪查看视频图像、调车灯显设备监听信令、人工分析作业计划、语音通话联系互控等方式进行，无法查询和回放调车作业过程数据进行事后分析，使安全生产指挥中心的作用发挥受限。

2　系统总体架构设计

车站调车作业安全综合管控系统基于STP系统、TMIS现在车系统、运输调度管理系统(TDMS)及人员手持终端和机车北斗定位信息，通过对车站集中区信号、区段、道岔和非集中区手扳道岔，以及脱轨器、大门、铁鞋等调车相关设备信息的采集，自动计算调机走行的许可条件和运行限速，通过制动控车防护调车作业安全。系统综合调车作业全过程信息，实现“计划-进路-信号-作业”全链条^[8]，“调车区长、调车组、值班员”各岗位的安全风险管控，同时具备质量评价和效能查定等管理功能，系统组成结构图如图1所示。

系统整体架构分为地面设备、车载设备和手持设备3部分。其中，地面设备由系统服务器、显示操作终端、接口设备、卫星地基参考站、状态采集装置(含人工扳动道岔、道口、脱轨器、停车器、大门)等组成。车载设备由BDS定位模块及天线、接口设备等组成。手持设备由调车长、连结员手持终端等组成。管控系统服务器集群与STP车务终端、调车灯显系统间通过铁路通信内网实现数据通信，最终通过STP车载主机或调车灯显机控器向LKJ输出制动指令，实现调车安全防护^[8]。系统技术方案优势如下。

（1）复用设备，节约投资。充分利用各专业既有调车相关技防设备的信息资源，通过增加人工操纵设备的状态采集装置及机车和人员的北斗卫星定位装置，解决了车站调车作业安全综合管控系统的建设需求，在拓展技防功能的同时不产生设备的重复投资。

（2）接口规范，保障安全。通过STP系统车务段终端采集车站集中区信号机、道岔、轨道电路信息，接口方式符合信号安全相关要求，打通了车务、机务、电务间的数据壁垒。

（3）控车成熟，操作统一。通过STP车载设备或调车灯显设备机控器与LKJ设备间的既有接口实现机车制动控车，不重复加装机车制动设备，控制模式符合LKJ模式设定规范，与既有列车运行监控装置的使用操作方式一致，打通了阻断式安全防护的信息通道。

（4）既有升级，平稳过渡。技术方案可在不影响既有调车作业相关设备运用的前提下实现车站调车作业安全综合管控系统的建设，适合于全路营业线补强实施的现状，减少对运输生产的影响。

（5）搭建平台，持续迭代。系统已获取了调车作业相关的全面信息，包括集中区信号、道岔、轨道电路、进路排列状态，非集中区人工扳动道岔状态，大门、道口、脱轨器、停车器、防溜等车站调车相关设备状态，车站GIS地图，人员和机车北斗卫星定位，以及调车作业计划和列车阶段计划信息等，可以多维度地数字化描述车站调车作业的完整过程，形成车站调车作业控制的数据底座，依据在运用过程中产生的新需求，接入投入使用的新设备，可持续迭代升级系统相关功能，补强车站调车管理数字化、信息化、智能化的平台短板^[9]。

3　系统功能设计研究

根据车务系统对于调车管理的安全需求，将系统功能设计如下，系统功能图如图2所示，主要可分为监控防护功能、报警防护功能、提示防护功能、集中管控功能、分析管理功能等。其中依据控制信息来源的可靠性、实时性以及安全风险重要等级将监控功能定为最高级别，触发后直接进行机车制动；报警功能级别次之，触发后需作业人员进行确认，一定时间内未进行确认的触发机车制动；提示功能级别最低，触发后将相应信息推送至作业岗位，不触发阻断式防护；集中监控功能实现对站段所辖车站调车动态的实时显示，通过跟踪调车作业计划进程自动预判作业风险，并按时间顺序和风险等级精准推送至站段安全生产指挥中心监控岗位；分析管理功能通过对记录存储的调车作业过程数据进行分析，筛选统计相关作业项点，生成统计数据和图表。

3.1　系统功能介绍

（1）监控防护功能。包括防止调车列越过关闭信号机、一度停车点、尽头线安全停车点、站界标停车点，防止调车列运行速度超过允许的最高速度，防止通过道岔和限速区段时运行速度超过允许速度，防止原进路折返时越过位置不正确道岔，防止越过位置不正确的人工扳动道岔、脱轨器、停车器、大门、道口栏杆等监控功能。

（2）报警防护功能。包括对违反技规301条、调车进路排路与作业计划不一致、电力机车向无网区排路、推进作业无人领车、站内占用丢失、同一股道内两台机车相向移动等报警功能^[10]。

（3）提示防护功能。包括调车组邻线来车、调车列从无网区进入有网区、途经高站台等人身安全提示，途经脱轨器、停车器、大门、道口、高站台、尽头式站台、挡车器等关键位置、非集中区车辆停留在警冲标外方、推进作业时“十车、五车、三车”距离、钩计划安全注意事项等提示功能。

（4）集中管控功能。包括以站场示意图和GIS地图的方式，实时显示信号、道岔、脱轨器、停车器、大门、道口、防溜设备状态，以及进路排列、调车列位置及速度、调车组人员位置、停留车位置等信息。调车作业计划自动抹消、作业风险预判、钩分时刻自动报点等功能。

（5）分析管理功能。包括调车作业过程、人员走行轨迹查询和回放、历史作业时间统计分析、调车作业技术图表生成、调车计划兑现率分析、调车作业量统计、有调无调时间统计、不合规作业检索统计、车站能力查定分析、站机协作指标统计等功能^[12]。

3.2　系统功能软件界面设计

（1）安全防护功能设计。系统依据《铁路技术管理规程》(普速铁路部分)、《普速铁路行车组织规则》《铁路调车作业》和《车站行车工作细则》规定，提取在调车作业过程中需进行确认、控速、停车的关键项点^[11]。生成包括调车作业关键风险类型、调车作业关键位置、危险车辆种类的安全风险防护项点序列，通过与调车钩计划跟踪、调车车列位置、调车组人员位置间进行比较，当触发防护条件时以监控、报警、提示等方式将防护信息推送至相关岗位，实现安全防护功能^[13]，系统安全防护功能界面如图3所示。

（2）集中管控功能设计。以车务站段所辖车站为界划分控制区域，服务于车站安全生产指挥中心功能，将站段所属各车站的调车作业计划、信号设备状态、车站设备状态、调车机车动态、调车人员位置进行集中监视。系统集中管控功能界面如图4所示，可对全段各车站调车作业时间和风险在同一时间轴下进行预先推演，按风险的重要程度和预计作业时间精准推送至相关岗位人员，大大提高调车作业盯控的效率和质量^[14]。

（3）分析管理功能设计。系统通过对存储的调车作业计划、进路排列情况、调车灯显信令、机车走行工况、调车组人员位置等各类调车作业数据按铁路运输统计与分析规则进行计算，自动生成运输统计各类数据和图表^[15]。自动生成调机作业技术图表如图5所示，基于系统记录的调车钩计划跟踪和起止时刻报点，对比钩计划预计完成时间自动生成调机作业技术图表，代替现有调车区长的人工报点和绘图方式，在降低人员劳动强度的同时提高了数据统计的准确性^[16]。

4　系统硬件资源配置

4.1　通信资源配置

车站调车作业安全综合管控系统基于Browser/Sever(B/S)架构设计，系统服务器与各终端之间采用网络通信方式交互数据。系统服务器与STP系统、调车灯显设备、现在车系统、TDMS系统间通过铁路有线内网进行数据交互；与BDS定位装置、手持设备、设备状态采集装置间通过无线通信网进行数据交互。无线通信网包括专网和公网2种方式，其中专网通信可选择5G-R、GSM-R、LTE-R、数传电台等制式，专网和公网间通过MTUP平台进行数据交互。

4.2　系统服务器配置

系统服务器采用高可靠工业级别控制设备，通过不间断稳压电源供电，支持设备全天候不间断运行。为提高系统的安全可靠性，服务器将采用双机热备冗余架构，且服务器运行期间，应能够自行监测其状态，具备异常报警功能。为满足铁路局集团公司日常访问需求，系统服务器应支持不少于2 000个终端同时在线的并发访问量。

4.3　卫星基站配置

卫星地基参考站由主机和天线组成。主机须由可靠电源供电，支持其全天候不间断运行，且基站主机的相关安装环境和防雷性能应符合对应的铁路标准。天线的安装位置距离电磁干扰区应大于200 m。

4.4　设备状态采集装置配置

设备状态采集装置最主要的问题就是其供电稳定性。当有稳定电源供电时，应采用电压为AC220 V±22 V的可靠电源供电。当设备处于供电困难的场所时，可采用太阳能光伏或风力供电方式，蓄电池容量应能够保证在其无法充电的条件下连续工作不少于15 d。

4.5　BDS定位装置及天线配置

BDS定位装置应支持北斗RTK定位功能，额定供电电压为DC110 V/DC74 V，但由于其安装位置位于机车驾驶室内，为适应其供电电压不稳定性，BDS装置内部应设有短路保护和过流保护装置。为兼容多种无线数据传输方式，其天线可使用组合天线，由数传电台天线、卫星定位天线和公众移动通信天线组成。

4.6　手持设备配置

手持设备是系统盯控调车人员调车工作流程，对其进行人身安全防护的关键设备。为能够实时获取调车人员工作时的位置信息，手持设备应支持北斗RTK定位功能、北斗卫星校时功能，且定位精度满足亚米级别。手持设备还应支持语音通话、语音对讲、视频录制、拍照、调车作业单确认等功能，为满足上述应用需求，手持设备的CPU不应少于8核，主频单核不低于1.8 GHz。其RAM不应低于2 GB，ROM不低于128 GB，且可支持外接存储卡进行扩容。

5　系统软件方案设计

5.1　系统数据流设计

车站调车作业安全综合管控系统通过站场基础数据、站场表示数据、机车运行数据、股道存车、作业计划及人员位置等信息，自动计算调车列运行的许可条件及限速，对车站调车作业关键环节进行提示、报警、监控。其中，站场基础数据包含站内道岔、区段、信号机、站界、接触网、道口、大门、停车器、脱轨器、挡车器、高站台、尽头式站台、特殊设备等基础设施的静态数据。站场表示数据包含站内道岔、轨道电路、信号机、停车器、脱轨器、防溜设备、人工扳动道岔、道口、大门等基础设施状态的表示数据。

5.2　与STP系统接口设计

通信接口的交互内容包括站场表示数据、机车运行数据、调车监控指令信息等，与STP系统数据交互内容如表1所示。

5.3　与调车灯显设备接口设计

通信接口的交互内容为调车灯显信令，与调车灯显设备数据交互内容如表2所示。

5.4　与现在车系统接口设计

通信接口的交互内容包括调车作业计划目录信息、调车作业计划正文信息、股道存车信息，与现在车系统数据交互内容如表3所示。

5.5　与TDMS系统接口设计

通信接口的交互内容包括列车阶段计划信息等，与TDMS系统数据交互内容如表4所示。

6　结束语

为补齐车务系统调车管控技防装备短板，对车站调车作业安全综合管控系统方案进行设计研究，通过对安全管理现状和痛点的分析，研究了系统的功能需求，结合全路调车技防设备现状，提出了系统建设所需的硬件资源配置，并设计了系统数据流和系统间接口。基于该方案的车站调车作业安全综合管控系统已在沈阳车务段的30余个车站安装运用，运用效果表明显著提升了调车作业安全管控的技防手段，可为全路推广应用提供技术参考。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(P2024X003)

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2023YJ117)