自動(dòng)化駝峰溜放進(jìn)路和速度安全控制的研究

胡衛(wèi)東 鐘衛(wèi)紅（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

胡衛(wèi)東，男，高級(jí)工程師，主要研究方向包括駝峰信號(hào)聯(lián)鎖和駝峰自動(dòng)化的研究與實(shí)踐；曾參與“TW-2型駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)”和TW系列駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)（含TWD型系統(tǒng)、CIPS下駝峰自動(dòng)化分系統(tǒng)）等項(xiàng)目。曾獲得2005年第七屆詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（青年獎(jiǎng)）、1998年“鐵道部青年科技拔尖人才”、兩次鐵道部優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)三等級(jí)，兩次中國鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。2004年“編組站聯(lián)鎖自動(dòng)化系統(tǒng)”獲得國家發(fā)明專利，編號(hào)ZL200410000939.4（排名第 2）。

溜放進(jìn)路和速度的自動(dòng)控制是自動(dòng)化駝峰最核心的兩大功能。溜放進(jìn)路自動(dòng)控制是根據(jù)待解列車解體計(jì)劃的鉤序、目的股道號(hào)，自動(dòng)選排分路道岔，控制自由溜放的車組從峰頂?shù)竭_(dá)要求的調(diào)車線股道；溜放速度自動(dòng)控制是通過間隔制動(dòng)實(shí)現(xiàn)溜放車組在駝峰溜放區(qū)保持合理的間隔，通過目的制動(dòng)實(shí)現(xiàn)溜放車組在調(diào)車線股道與前方車組安全連掛。

1 溜放進(jìn)路和速度控制的安全要求

自動(dòng)化駝峰技術(shù)條件指出“盡管自動(dòng)化駝峰不屬于故障-安全系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和單項(xiàng)設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹故障-安全原則”，應(yīng)從兩方面理解該技術(shù)條件：

首先，該條件明確自動(dòng)化駝峰不屬于故障-安全系統(tǒng)，自動(dòng)化駝峰控制系統(tǒng)也不屬于故障-安全系統(tǒng)，這是由駝峰解體作業(yè)高效要求、動(dòng)態(tài)控制和因素復(fù)雜的特點(diǎn)決定的。

自動(dòng)化駝峰技術(shù)條件對(duì)溜放速度自動(dòng)控制的安全性要求如下。

1）除抱閘車等特殊情況外，不應(yīng)有車輛在減速器上被夾停的事故發(fā)生。

2）除特殊車輛、特殊氣候條件，系統(tǒng)不能對(duì)車輛進(jìn)行有效制動(dòng)外，因嚴(yán)重超速?zèng)_撞引起的事故率應(yīng)小于10-5。

上述技術(shù)要求點(diǎn)明了溜放速度控制的非安全性，車輛夾?？赡軐?dǎo)致后鉤車沖撞本鉤車，出口超速可能導(dǎo)致本鉤車超速?zèng)_撞前鉤車；控制系統(tǒng)對(duì)于溜放速度控制安全未要求也達(dá)不到100％。

3）系統(tǒng)應(yīng)具有途停、側(cè)撞、摘錯(cuò)鉤、錯(cuò)溜、追鉤、釣魚、滿線、堵門、道岔恢復(fù)、道岔封鎖、軌道電路輕車跳動(dòng)等的檢測和相應(yīng)的防護(hù)措施。

上述技術(shù)要求點(diǎn)明了溜放進(jìn)路控制的復(fù)雜性，溜放過程中因車組走行、分路道岔控制的不正常情況可能出現(xiàn)鉤車追鉤、側(cè)撞甚至脫線的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)即使檢測到并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，其防護(hù)的安全性未要求也達(dá)不到100％。

其次，盡管自動(dòng)化駝峰不屬于故障-安全系統(tǒng)，溜放進(jìn)路和溜放速度的自動(dòng)控制存在諸多不安全的因素，但是自動(dòng)化駝峰控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)貫徹故障-安全原則，即通過分析自動(dòng)化駝峰控制中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)源和設(shè)備故障可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)側(cè)，采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施和故障-安全手段，將控制的危險(xiǎn)性降低到最小。

2 溜放進(jìn)路和速度控制的風(fēng)險(xiǎn)分析

下面以TW-2型駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)為例，分析溜放進(jìn)路和速度控制中存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 控制設(shè)備描述

大能力駝峰，在溜放區(qū)設(shè)有峰下一部位減速器和線束二部位減速器用于實(shí)現(xiàn)間隔制動(dòng)，設(shè)有快動(dòng)分路道岔用于實(shí)現(xiàn)溜放進(jìn)路的選排；在調(diào)車線始端設(shè)有三部位減速器用于實(shí)現(xiàn)目的制動(dòng)。此外，TW-2系統(tǒng)還安裝了以下測量設(shè)備：

1）一分路道岔保護(hù)區(qū)段內(nèi)裝有兩個(gè)踏板，用于計(jì)算溜放車組的摘鉤輛數(shù)；

2）一分路道岔保護(hù)區(qū)段內(nèi)裝有測重設(shè)備，用于測量溜放車組的重量；

3）在減速器前裝有一個(gè)踏板，用于計(jì)算溜放車組通過的軸數(shù)；

4）在減速器前或后裝有雷達(dá)設(shè)備，用于測量溜放車組的速度；

5）三部位減速器出口處裝有測長設(shè)備，用于測量調(diào)車線的空閑長度。

2.2 控制風(fēng)險(xiǎn)分析

溜放進(jìn)路和速度控制中嚴(yán)重危害自動(dòng)化駝峰作業(yè)安全的風(fēng)險(xiǎn)是鉤車脫線及鉤車高速?zèng)_撞，其風(fēng)險(xiǎn)來源于分路道岔、鉤車間隔、減速器控制精度及測量設(shè)備故障等，其表現(xiàn)形式為途停、側(cè)撞、追鉤、滿線、堵門、道岔恢復(fù)、軌道電路輕車跳動(dòng)等。

溜放過程中出現(xiàn)摘錯(cuò)鉤、錯(cuò)溜、釣魚、道岔封鎖等情況，其危害程度一般且可控，因此不在本文討論范圍。

2.2.1 分路道岔的風(fēng)險(xiǎn)

溜放進(jìn)路與調(diào)車進(jìn)路不一樣，進(jìn)路不是事先全部選排完畢后再使用，而是根據(jù)車組溜行逐級(jí)向分路道岔傳遞進(jìn)路命令。溜放鉤車占用上一級(jí)道岔時(shí)，才向下一級(jí)道岔發(fā)令轉(zhuǎn)動(dòng)；如果下一級(jí)道岔因故未轉(zhuǎn)到位，鉤車自由運(yùn)動(dòng)到該級(jí)道岔時(shí)就可能脫線。

溜放進(jìn)路中的分路道岔僅采用區(qū)段鎖閉，即軌道電路占用時(shí)不允許道岔操縱，一旦軌道電路出清即可執(zhí)行下一鉤命令；如果鉤車在占用道岔區(qū)段過程中發(fā)生輕車跳動(dòng)，而且下一鉤命令的去向與本鉤不一致，就可能造成道岔中途轉(zhuǎn)換，鉤車脫線。

2.2.2 鉤車間隔的風(fēng)險(xiǎn)

鉤車間隔是指前后溜放的兩鉤車之間的距離，由于溜放過程是連續(xù)的，可能同時(shí)有多組鉤車在分路道岔控制區(qū)域內(nèi)，鉤車的速度有快、有慢。遇到前慢（低速甚至途停）后快的情況時(shí)，如果兩鉤車是經(jīng)過道岔的同方向，可能發(fā)生追鉤，嚴(yán)重的可能高速正面沖撞；如果兩鉤車是經(jīng)過道岔的不同方向，可能發(fā)生側(cè)沖，嚴(yán)重的可能高速側(cè)面沖撞。

2.2.3 減速器控制精度的風(fēng)險(xiǎn)

減速器控制精度是指車組實(shí)際出口速度與計(jì)算速度的誤差。間隔制動(dòng)控制精度偏差較大時(shí)，如果超速可能造成與前鉤車的間隔問題；如果夾?；蛩俣葒?yán)重偏低，可能造成與后鉤車的間隔問題；這兩個(gè)問題的后果都有可能造成追鉤或側(cè)沖，嚴(yán)重的造成正面高速?zèng)_撞或側(cè)面高速?zèng)_撞。目的制動(dòng)控制精度偏差較大時(shí)，如果超速可能與前鉤車正面高速?zèng)_撞；如果夾?；蛩俣葒?yán)重偏低，可能造成后鉤車與之正面高速?zèng)_撞。

2.2.4 測量設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)

1）雷達(dá)故障

雷達(dá)是減速器控制的眼睛，雷達(dá)故障時(shí)無法反饋鉤車實(shí)際速度而使鉤車在減速器上失控，無論夾停或不作為均可能造成風(fēng)險(xiǎn)。

2）踏板故障

踏板故障表現(xiàn)為不計(jì)軸或丟軸。減速器前的踏板作用之一是探測鉤車進(jìn)入減速器以實(shí)施控制的“開機(jī)”點(diǎn)，踏板故障影響減速器控制的時(shí)機(jī)，可能導(dǎo)致減速器出口速度偏高甚至失控；作用之二是作為大組車放頭攔尾開始控制軸數(shù)的依據(jù)，如果因?yàn)橛?jì)軸設(shè)備安裝尺寸不符要求或電氣特性等原因大量丟軸時(shí)，可能導(dǎo)致減速器出口速度偏高甚至失控。

3）測長故障

調(diào)車線空閑長度是計(jì)算三部位出口速度的重要參數(shù)，測長故障時(shí)無法獲知調(diào)車線空閑長度，可能導(dǎo)致減速器出口偏高甚至失控。

4）測重故障

鉤車重量信息對(duì)于減速器控制、減速器出口速度計(jì)算都很重要，測重故障時(shí)無法獲知鉤車的重量信息，可能導(dǎo)致減速器出口速度偏高甚至失控。

3 溜放進(jìn)路和速度控制的安全設(shè)計(jì)

根據(jù)上述控制風(fēng)險(xiǎn)的分析，TW-2系統(tǒng)著重在分路道岔控制、鉤車間隔控制、減速器控制精度提高和測量設(shè)備故障處理等4個(gè)方面采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施和故障-安全手段，以使控制風(fēng)險(xiǎn)降低到最小。

3.1 分路道岔的安全控制

3.1.1 “軌道電路輕車跳動(dòng)”的防護(hù)

TW-2系統(tǒng)在分路道岔區(qū)段鎖閉的基礎(chǔ)上，增加了區(qū)段占用屏蔽時(shí)間的防護(hù)手段。

利用一分路踏板或解體計(jì)劃中的輛數(shù)信息、分路道岔區(qū)段長度及鉤車通過分路道岔的最高限制速度（一分路道岔區(qū)段為18.0 km/h、其他區(qū)段為21.6 km/h），計(jì)算鉤車從占用到出清該道岔區(qū)段的最小時(shí)限，稱為軌道電路區(qū)段占用屏蔽時(shí)間。

在區(qū)段屏蔽時(shí)間內(nèi)發(fā)生的軌道電路瞬間跳動(dòng)，系統(tǒng)將判定為 “輕車跳動(dòng)”；一旦系統(tǒng)判定發(fā)生了輕車跳動(dòng)，及時(shí)報(bào)警并在區(qū)段屏蔽時(shí)間內(nèi)拒絕為后續(xù)鉤車發(fā)出道岔控制指令；對(duì)于一分路道岔，一旦系統(tǒng)判定發(fā)生了輕車跳動(dòng)，及時(shí)報(bào)警并拒絕為后續(xù)鉤車發(fā)出道岔控制指令。

3.1.2 “道岔恢復(fù)”的防護(hù)

當(dāng)溜放鉤車占用上一級(jí)分路道岔時(shí)，向下一級(jí)分路道岔發(fā)令轉(zhuǎn)動(dòng)，下一級(jí)道岔因故不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（電動(dòng)道岔1.2～1.4 s、風(fēng)動(dòng)道岔1.0～1.2 s）轉(zhuǎn)換到底時(shí)，由系統(tǒng)控制道岔往回轉(zhuǎn)；而后自動(dòng)鎖閉該道岔，避免新的轉(zhuǎn)轍嘗試，直至確認(rèn)正常后人工解除鎖閉。

3.1.3 “道岔擠岔”的防護(hù)

當(dāng)分路道岔擠岔后，將上一級(jí)分路道岔鎖向異向，防止后續(xù)鉤車正面相撞，同時(shí)發(fā)出擠岔報(bào)警；一分路道岔發(fā)生擠岔后，將駝峰信號(hào)機(jī)鎖定在關(guān)閉狀態(tài)。

3.2 鉤車間隔的安全控制

鉤車間隔的安全控制是由溜放進(jìn)路控制和溜放速度間隔控制共同實(shí)現(xiàn)的。溜放速度間隔控制由間隔制動(dòng)位完成，能夠調(diào)節(jié)位于間隔制動(dòng)位兩側(cè)的鉤車間隔；對(duì)于兩鉤車間無間隔制動(dòng)位的情況，由溜放進(jìn)路控制實(shí)施防護(hù)。

3.2.1 速度跟蹤功能

實(shí)現(xiàn)間隔控制必須了解溜放區(qū)內(nèi)各溜放車組的位置、走行速度情況，車組位置可以通過分路道岔軌道電路跟蹤，車組走行速度情況通過簡單的軌道電路跟蹤無法準(zhǔn)確提供。TW-2系統(tǒng)獨(dú)辟蹊徑，利用分路道岔區(qū)段設(shè)兩個(gè)軌道電路的條件，動(dòng)態(tài)地測量鉤車在該道岔上的進(jìn)入和出清速度，結(jié)合鉤車在減速器上的雷達(dá)測速，可以測得每鉤車走在不同地點(diǎn)的十多個(gè)速度，基本上實(shí)時(shí)掌握了鉤車溜放速度，實(shí)現(xiàn)了鉤車在溜放進(jìn)路上的全線速度跟蹤?；谒俣雀櫣δ?，才能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制和防護(hù)功能。

3.2.2 溜放速度間隔控制

以二部位間隔控制為例，其基本步驟如下。

第一步根據(jù)線路縱斷面、三部位的制動(dòng)能高、鉤車重量等級(jí)等因素確定本鉤車（進(jìn)入二部位的鉤車）的基本定速。

第二步檢查鉤車的目標(biāo)股道徑路上有無途停車、堵門車、滿線車等特殊情況，若有，二部位出口速度直接設(shè)定到最低值，完成。

第三步檢算本鉤車與前鉤車（已離開二部位去往三部位的鉤車）的間隔。如果存在間隔問題，計(jì)算后直接降低二部位定速，跳過第四步，完成。

第四步檢算本鉤車與后鉤車（離開一部位未進(jìn)入二部位的鉤車）的間隔，確定基本定速基礎(chǔ)上的加速量，計(jì)算二部位定速，完成。

3.2.3 “途?！钡臋z測和防護(hù)

TW-2系統(tǒng)認(rèn)定溜放鉤車走行速度低于8 km/h為途停；鉤車走行在軌道區(qū)段上或死區(qū)段上時(shí)，如果占用時(shí)間超過了按最低走行速度8 km/h計(jì)算的時(shí)間限（根據(jù)解體計(jì)劃中的輛數(shù)和站場區(qū)段距離參數(shù)表計(jì)算）時(shí)，也判為途停。

發(fā)生途停后，系統(tǒng)及時(shí)關(guān)閉駝峰信號(hào)機(jī)，將鉤車剛出清的道岔鎖閉至去往途停車的方向，預(yù)防鉤車側(cè)撞；進(jìn)一步將剛出清道岔的上一級(jí)道岔鎖閉至異向，預(yù)防鉤車正面沖撞。

3.2.4 “堵門”的檢測和防護(hù)

溜放鉤車在警沖標(biāo)區(qū)段發(fā)生途停，當(dāng)解除途停鎖閉時(shí)轉(zhuǎn)為堵門防護(hù)；沒有來由的警沖標(biāo)區(qū)段占用（鉤車倒溜或尾部調(diào)車侵入等），立即啟動(dòng)堵門防護(hù)。

發(fā)生堵門后，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警并且始終將對(duì)應(yīng)的最后分路道岔鎖閉到通往該股道的位置，防止鄰線進(jìn)入溜放鉤車，直至警沖標(biāo)區(qū)段出清為止。

3.2.5 “側(cè)撞”的檢測和防護(hù)

如果兩鉤車在某分路道岔上的間隔較緊（沒有達(dá)到追鉤），兩鉤車對(duì)該道岔方向要求不同，并且鉤車速度前慢后快（前鉤車速度大于8 km/h的途停判別限），當(dāng)達(dá)到一定速度差時(shí)，就有可能在前鉤車沒有離開該道岔的警沖點(diǎn)時(shí)后鉤車前部進(jìn)入了警沖點(diǎn)，從而造成側(cè)撞。

預(yù)計(jì)側(cè)撞后，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警并且關(guān)閉駝峰信號(hào)機(jī)。

3.2.6 “追鉤”的檢測和防護(hù)

如果兩鉤車在某分路道岔上的間隔較緊，小于該道岔軌道電路區(qū)段長度時(shí)，將無法轉(zhuǎn)轍道岔以控制鉤車去往不同的股道，當(dāng)兩鉤車占用同一個(gè)軌道電路區(qū)段時(shí)，稱為追鉤。

認(rèn)定追鉤后，系統(tǒng)及時(shí)合并和清除后鉤車的溜放信息，防止后續(xù)鉤車可能發(fā)生的逐鉤錯(cuò)位、鉤鉤錯(cuò)道的嚴(yán)重后果。

3.2.7 “滿線”的檢測和防護(hù)

滿線是指鉤車在三部位減速器區(qū)段上途停（鉤車在減速器上雷達(dá)測速連續(xù)4 s低于3 km/h），或警沖標(biāo)區(qū)段與三部位減速器區(qū)段之間的死區(qū)段上發(fā)生途停（鉤車離開警沖標(biāo)區(qū)段，在減速器前死區(qū)段速度低于5 km/h）。兩個(gè)條件滿足其一，即啟動(dòng)滿線防護(hù)。

發(fā)生滿線后，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警并且自動(dòng)封鎖該股道，禁止后續(xù)鉤車進(jìn)入該股道，直至人工辦理股道解鎖。

3.3 減速器控制精度的提高

TW-2系統(tǒng)在減速器控制數(shù)學(xué)模型中引入了全新的制動(dòng)量概念。制動(dòng)量是溜放鉤車當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度、定速、控制距離、鉤車重量、鉤車軸數(shù)等變量的函數(shù)，反映的是在剩余控制距離內(nèi)，減速器還必須消耗掉的鉤車動(dòng)能。制動(dòng)量的引入有效地提高了減速器控制精度。

1）制動(dòng)量隨著速度的下降而減少，使鉤車緩解前必然經(jīng)過低級(jí)別制動(dòng)，減緩了減速器緩解前鉤車的實(shí)際減速度。

2）制動(dòng)量反映了鉤車不同重量情況下的動(dòng)能不同，使減速器控制可以針對(duì)不同重量的鉤車采取合理的控制策略。

3）對(duì)于長鉤車，隨著計(jì)軸的累進(jìn)，制動(dòng)量越能反映出鉤車有較大動(dòng)能的情況，使減速器控制可以針對(duì)不同輛數(shù)的鉤車采取合理的控制策略。

4）當(dāng)鉤車實(shí)際速度大于給定速度時(shí)，隨著鉤車即將離去，制動(dòng)量值劇增，使減速器能在鉤車離開前進(jìn)行最后的精調(diào)。

3.4 測量設(shè)備故障處理

3.4.1 雷達(dá)故障處理

無溜放鉤車進(jìn)入減速器時(shí)，通過采集雷達(dá)自檢信號(hào)監(jiān)控雷達(dá)是否處于工作狀態(tài)，一旦雷達(dá)故障及時(shí)報(bào)警提示。

當(dāng)溜放鉤車進(jìn)入雷達(dá)故障的減速器時(shí)，系統(tǒng)按鉤車重量等級(jí)計(jì)算車輛的平均制動(dòng)時(shí)間，對(duì)經(jīng)過的每輛車按照固定時(shí)間進(jìn)行制動(dòng)，力圖使鉤車在不被夾停的情況下減速出口。

3.4.2 踏板故障處理

將減速器軌道電路作為探測鉤車進(jìn)入減速器以實(shí)施控制的冗余“開機(jī)”點(diǎn)，當(dāng)踏板故障不計(jì)軸時(shí)以減速器軌道電路占用作為“開機(jī)”點(diǎn)。

對(duì)于需要放頭攔尾的大組車，如果踏板不計(jì)軸，則認(rèn)定踏板故障并停止放頭攔尾功能；如果踏板丟軸嚴(yán)重，檢查鉤車第一個(gè)軸距離減速器入口開機(jī)點(diǎn)的雷達(dá)積分距離，當(dāng)該距離大于放頭攔尾軸數(shù)折算的距離時(shí)停止放頭攔尾。

3.4.3 測長故障處理

當(dāng)測長故障無法獲知調(diào)車線空閑長度時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并對(duì)三部位自動(dòng)給定速度采用相對(duì)保守6 km/h。

3.4.4 測重故障處理

解體計(jì)劃中的重量狀態(tài)信息可以通過車站現(xiàn)車系統(tǒng)獲得，當(dāng)測重故障無法獲得溜放鉤車的重量信息時(shí)，根據(jù)解體計(jì)劃中該鉤的重量狀態(tài)信息進(jìn)行減速器控制和減速器出口速度計(jì)算。

4 實(shí)踐情況

本文研究的TW-2系統(tǒng)溜放進(jìn)路和速度安全控制的原理和方法最早于1999年底在南京東駝峰場投入使用，并在其后推廣的過程中不斷總結(jié)、提高、完善，現(xiàn)已應(yīng)用在全路幾十個(gè)大、中能力駝峰場，包括鄭州北下行駝峰、徐州北上下行駝峰、武漢北上下行駝峰等繁忙站場，多年現(xiàn)場實(shí)踐證明：TW-2系統(tǒng)采用的溜放進(jìn)路和速度安全控制技術(shù)，能夠在滿足國內(nèi)大能力駝峰解體要求的基礎(chǔ)上，提高溜放進(jìn)路和速度控制的安全性。

[1] TB/T 2306-2006自動(dòng)化駝峰技術(shù)條件[S].

[2]胡衛(wèi)東.結(jié)合速度跟蹤功能的駝峰溜放進(jìn)路自動(dòng)控制的研究[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2007，4（4）：27-28.

[3]鐘衛(wèi)紅.自動(dòng)化駝峰溜放車組間隔控制的研究和實(shí)踐[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2010，7（3）：45-47.