基于北斗卫星定位系统的地铁工程车车载调车防护软件设计.pdf

总第 484 期2023 年第 4 期基于北斗卫星定位系统的地铁工程车车载调车防护软件设计刘浩1，张旭1，喻和春2（1.湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005；2.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510799）摘要：目前，地铁工程车作业时依靠乘务员目视行车，在复杂的作业场景中存在冒进信号、超速运行和挤岔等安全问题。对此，文章基于北斗卫星定位系统提出一种地铁工程车安全防护系统用调车防护软件，并详细阐述了其功能设计、软件接口、模式转换和防护方式。该调防软件使用安全计算机平台工具，采用模块化设计，并综合运用了北斗卫星定位系统、信标定位系统和计算机联锁系统以及二叉树理论，实现了对地铁工程车调车作业时的精准防护，能有效解决工程车作业过程中的安全隐患，提高了地铁调车作业的安全性。2020 年底，该调车防护软件在广州地铁 5 号线以及鱼珠车辆段进行了运用试验，结果显示，其能够及时地对冒进信号、超速运行和挤岔等情况进行防护，满足用户对调车作业的安全防护要求。关键词：地铁工程车；调防软件；北斗卫星定位系统；信标；计算机联锁中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：20965427(2023)04009006doi:10.13889/j.issn.20965427.2023.04.014Design of Onboard Shunting Protection Software for Metro Engineering Vehicles Based on BeiDou Satellite Positioning SystemLIU Hao1,ZHANG Xu1,YU Hechun2(1.Hunan CRRC Times Signal&Communication Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410005,China;2.Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510799,China)Abstract:At present,metro engineering vehicles rely on visual driving by the driver,and there are safety problems such as rushing cross signals,overspeed and impacting switch in complex operation scenarios.This paper proposes a piece of shunting protection software based on the BeiDou satellite positioning system,and expounds its function design,software interface,mode conversion and protection method in detail.The shunting protection software uses safety computer platform tools,adopts modular design,and makes comprehensive use of the BeiDou satellite positioning system,beacon positioning system,computer-based interlocking system and binary tree theory to realize precise protection of metro engineering vehicles in shunting operation,effectively solve the safety risks in the operation process,and improve the safety of the metro engineering vehicles in shunting operation.At the end of 2020,the shunting protection software was tested in Guangzhou Metro Line 5 and Yuzhu Rolling Stock Depot.The results show that it can timely protect against rushing cross signals,overspeed and impacting switch,and meet the safety protection requirements of users for shunting operation.Keywords:metro engineering vehicles;shunting protection software;BeiDou navigation satellite system;beacon;computer-based interlocking信息技术与系统收稿日期：20221019作者简介：刘浩（1989），男，硕士，主要从事铁路调车作业安全研究工作。基金项目：湖南省重点研发计划项目（2022GK2018）902023 年第 4 期刘浩 等：基于北斗卫星定位系统的地铁工程车车载调车防护软件设计0引言地铁工程车主要用于城市轨道交通车辆段场调车作业1-4、线路施工和养护、正线突发事故救援等工作。目前，地铁工程车上的车载设备不具备行车防护功能，作业时依赖调度员和乘务员瞭望来确认地面信号行车。由于车辆段场内股道和道岔较多，作业场景复杂、内容繁多，存在司机驾驶疲劳和调度员疏忽等情况，在调车作业过程中极易发生冒进信号、挤岔脱轨、冲撞车挡和列车冲突等安全事故。随着地铁线路的不断增加，地铁工程车作业量与日俱增，其安全事故数量随之增长。通过外部设备提高地铁工程车作业安全防护能力，减少人为事故的需求越来越迫切5-6。地铁工程车安全防护系统用于对地铁工程车的段场作业和正线作业进行全面防护，解决作业过程中的安全问题 7-11 ，调车防护（简称“调防”）软件是其核心控制模块。本文综合利用北斗定位系统 12、信标定位系统和计算机联锁系统以及二叉树理论，设计了一种调防软件。其结合站场图数据，能够准确定位工程车位置，组织作业进路；并通过计算前方限速信息实现对地铁工程车作业的安全防护。1车载调防软件设计地铁工程车安全防护系统分为两个子系统：车载子系统和地面子系统 13，系统结构如图 1所示。调防模块位于车载防护主机上，为安全防护系统的核心控制模块。其通过北斗定位系统和信标定位系统并结合站场图数据来确定工程车位置（工程车在站场图中的具体轨道区段，包括区段编号及距离区段末端的距离）；通过联锁信息并结合站场图数据来确定车站联锁设备状态。根据工程车位置以及联锁设备状态信息推算出工程车运行前方的进路情况，计算前方限速数据，然后由安全防护系统根据限速数据对工程车进行运行防护。调防软件用于实现安防系统中调防模块功能。1.1功能设计调防软件的核心功能为定位工程车位置并组织限速信息进行调车防护。调防软件采用模块化设计，共分为5个功能模块：定位、规划进路、位置跟踪、组织进路和组织限速信息。调防软件按顺序周期性执行5个功能模块，实现调车作业安全防护。1.1.1定位定位包括定位车站和定位工程车位置。调防软件有3种方式定位车站，按优先级由高到低的顺序为：司机设定切场北斗定位。司机设定即司机在显示界面直接选择当前车站；切场是指工程车越过两车站的分界线后软件自动将车站切换到下一站；北斗定位是指工程车通过北斗天线经纬度信息匹配车站范围数据来确定当前车站位置。确定车站后，调防软件可通过北斗或信标定位系统确定工程车所在具体股道及距离前方信号机的距离信息，从而定位工程车在站场内的位置。定位功能是调防软件功能的基础，无法定位工程车位置时，后续功能皆无法进行，调防软件仅能按车站最高限速控车。1.1.2规划进路规划进路是在站场中预画出工程车行进路线，即确定工程车作业起点、终点以及起点前往终点的路线。有联锁数据时，直接根据联锁数据规划进路；无联锁数据时，调防软件提供设定接口，由司机选择起点和终点，软件自动规划进路，行进过程中司机可修改行进路线。1.1.3位置跟踪位置跟踪是实时确定工程车在车站内的位置，即调防软件根据位移数据沿进路方向周期性更新工程车在车站内位置。跟踪过程中可使用北斗定位和信标定位进行位置校正。1.1.4组织进路调防软件从工程车当前位置出发，沿规划的进路方向，向前搜索信号机，最多搜索4架信号机；搜索到闭口信号机，则停止搜索，向后搜索一架信号机，并以后方信号机为进路起点，最多搜索4条进路。1.1.5组织限速信息调防软件从进路起点出发，遍历进路中所有的轨道区段，计算进路中轨道区段的限速值、限速长度以及限速起点与工程车的距离，然后计算最后一架信号机的限速值以及信号机与工程车的距离（中间信号机按最高限速防护）。通过限速数据，可确定工程车在进路图 1 安全防护系统结构图Fig.1Structure of the safety protection system912023 年第 4 期中的限速值，依次对工程车作业进行全程防护。1.2接口设计在安全防护系统中，调防软件通过以太网与主控模块、显示模块、北斗采集模块进行数据交互，以保证数据的实时性，并通过制定专用协议来保证数据的准确性和安全性。安全防护系统的数据交互流程如图2所示。除了从外部获取数据外，调防软件内部也保存有站场图数据。调防软件采用的数据内容具体如表 1所示。调防软件每周期采集一次外部输入数据。差分北斗数据和信标数据用于初始定位工程车位置和运行中校正工程车位置；联锁数据用于确认前方信号状态和道岔走向（定位或反位），作为进路搜索和限速判断的依据；人工操作数据提供车站信息和正线联锁计算凭依；工程车运行参数用于实时更新工程车车头、车尾的位置。一个段场或者一条正线（正线上单个车站只有两条轨道，整条正线视为一个站场）对应一张站场图。工程车可能经过的车站的站场图数据被预先存放在调防软件中。调防软件根据当前车站信息读取对应的站场图数据。站场图数据是对站场信息的高度概括和简化，是对站场内所有控车信号设备及其相对位置的等比例缩放。站场中所有的信号设备被分解为一个个单独的元素，称之为控件。每个控件都有一个唯一的编号，且均与其前后相连的控件建立关联关系。每个道岔或者无岔区段控件中保存有控件长度和限速信息。根据站场图数据的这种结构，调防软件能够从一个信号机开始沿工程车运行方向检索到下一个信号机，并计算两个信号机之间的距离，以确定站场内所有位置的限速信息。1.3模式转换设计调防软件采用模式化设计，根据联锁信号获取情况和工程车位置数据情况，将软件的运行分为4个模式，对软件的整个生命周期进行管理。调防软件模式转换如图 3所示。设备上电后，软件处于初始化状态。此时如果接收到主控模块的周期握手数据，则转入目视模式。软件处于目视模式时，无工程车位置信息，无法精准控车，调防软件仅按工程车最高限速要求进行安全防护。目视模式中，软件获取北斗定位数据或者信标定位数据后定位工程车位置。此时如果获取到联锁信息，则进入完全模式；如果无法获取到联锁信息，则进入部分模式。完全模式下，调防软件能够实时跟踪工程车在站场中的精确位置，搜索工程车运行前方进路信息，对工程车作业进行全程可靠的安全控制。完全模式中，如果丢失工程车位置信息，则软件转入目视模式；如果丢失联锁信息但能够定位工程车位置，则转入部分模式。部分模式下，调防软件有工程车位置信息，但无车站联锁信息，仅能在无岔区段对工程车进行安全防护，所有信号机（土挡、站界除外）按白灯开放控制，并在显示模块上对司机进行运行提示。部分模式中，如果接收到车站联锁信息，软件则转入完全模式；如果丢失工程车位置，则转入目视模式。由上述分析可见，调防软件采用多种控制模式，能表 1调防软件数据源Tab.1Data source list of the shunting protection system数据来源外部输入内部保存数据类型差分北斗数据信标数据联锁数据人工操作数据工程车运行参数站场图数据数据内容车头位置的经纬度以及定位方式车头位置经过的标签编号从电台处接收的车站联锁数据，以及正线运行时根据司机的选择所确认的车站联锁信息司机操作结果（车站号、正线时的运行起点和终点、正线运行时的进路号）工况、速度、位移、工程车长度站内联锁设备（道岔、信号机、无岔区段、标签）的位置和属性信息及其相互关联关系，关键地点的北斗信息，车站范围的北斗数据图 2 安全防护系统数据交互流程Fig.2Data flow of the safety protection system图 3 调防软件模式转换图Fig.3State transition of the shunting protection software922023 年第 4 期刘浩 等：基于北斗卫星定位系统的地铁工程车车载调车防护软件设计够对工程车可能出现的各种情况进行安全防护，确保工程车运行安全。1.4防护方式设计由于段场内和正线上的作业环境、作业内容均不同，调防软件设计了段场作业防护和正线作业防护两种控车方式。1.4.1段场作业防护段场内大部分位置无顶棚遮挡，较为空旷，这部分位置可以采用北斗定位系统来定位工程车位置；少部分有顶棚遮挡的位置，则按需安装信标定位系统，依此定位工程车位置。因此，综合运行北斗和信标定位，调防软件可以在站场图中精准定位工程车的位置。调防软件在段场内通过电台从地面接收实时联锁信息，并根据联锁信息中的信号状态和进路开放情况规划工程车运行进路，实现对工程车调车作业的安全防护。在段场内，调防软件利用定位信息和联锁信息在站场图中实时模拟工程车运行，按照工程车不同的运行情况进行控车，其控车主要流程如图 4所示。土挡防护的原理是，调防软件设定尽头线土挡前指定距离（可根据不同用户需求设置，默认值为20 m）位置为限速闭口点，即在该位置工程车速度不可大于0，这样就可从工程车车头到该停车点绘制出一条限速曲线，通过限速曲线即可有效防止工程车冲撞土挡。站界防护、蓝灯防护、一度停车点防护与土挡防护原理相同；区别在于，站界防护允许输入越站凭证，输入凭证后工程车可越过站界指定距离（可根据不同用户需求设置，默认值为500 m）进行作业。蓝灯允许大解锁操作，即通过人工输入指令解除蓝灯闭口控制，从而工程车可越过蓝灯。工程车在一度停车点前停车后可自动解除闭口控制，然后通过一度停车点。无岔区段限速防护与道岔防护原理相同，即对固定长度的轨道曲线进行固定限速防护。调防软件设定工程车车头车尾在该轨道区段上的速度不可超过该限速，在曲线上表现为在该区段的起点限速变为固定限速，限速长度为区段长度加上工程车车长。在段场内，完全模式下，调防软件的所有防护功能均存在；部分模式下，仅保留土挡防护、站界防护和无岔区段限速防护；目视模式下则仅剩最高限速防护。1.4.2正线作业防护工程车在正线上的作业大部分是在地底下进行的，无法使用北斗定位系统，且无联锁信号接入，仅可使用信标来定位位置。因此，在调防软件中设计了自动搜索进路功能。站场图中，各控件前后关联，道岔定位方向、反位方向各关联不同控件，这种控件之间相互关联的关系形成一种二叉树数据结构。司机设定起点和终点后，调防软件以起点为根节点，向前搜索叶子节点，搜索结束后，得到从起点到终点的所有进路。司机根据任务要求通过输入进路号确定当前运行进路。由于联锁状态为调防软件根据人工操作而确认，因此进路上所有信号机均视为开放信号，仅对终点信号做闭口控制，其余信号状态无关的限速控制保留，整个流程如图 5所示。在正线上，未进行信标定位前，调防软件采用目视模式控车。定位成功后，正线上的土挡防护、道岔防护、无岔区段防护的控制方式与段场作业防护方式相同。图 4 段场内工程车防护流程Fig.4Protection process of engineering vehicles in depot and yard 图 5 工程车正线作业防护流程Fig.5Protection process of engineering vehicles operating on the main track932023 年第 4 期对于司机设定的进路终点，调防软件将其作为停车点进行闭口控制，其控制原理与蓝灯防护的一致。区间作业为正线作业特有的方式，其基本作业方式为地面工作人员设定工程车的作业区域。该区域仅允许规定的工程车作业，其他车辆不可进入该区域，同时工程车也不可驶离该作业区域。对于这种作业方式，调防软件需提供区域起点和终点的输入接口信息。起点和终点均为信号机，工程车进入区域后，终点即为闭口点；工程车反向时，调防软件交换起点和终点。区间作业结束后，司机重新输入进路的起点和终点的接口信息，此时可解除区间封锁，如此即可实现区间作业防护。站场图中设有虚拟信号控件对工程车越界行为进行识别。在工程车越过段场和正线边界（即工程车越过虚拟信号控件）时，调防软件可平滑切换站场图。因此，调防软件对于工程车的整个作业过程可进行全方位的防护，提高了工程车作业安全性。2现场试验为验证该调防软件的调车作业防护功能，2020年底在广州地铁公司对其进行了实车试验。本次试验使用501号工程车在鱼珠车辆段以及5号线上进行完整的调车作业流程，包括段场和正线防护功能的全面验证。2.1试验线路搭建在广州地铁5号线以及鱼珠车辆段搭建地铁工程车安全防护系统试点，具体包括：在鱼珠车辆段501号工程车安装车载设备；在鱼珠车辆段段场内搭建北斗基站和地面控制服务器；在鱼珠车辆段内部分线路上安装RFID（信标）标签（广州地铁5号线沿用既有的RFID标签）。在试验过程中，将广州地铁5号线全线定义为正线线路，完成段场和正线的功能验证。2.2试验过程及结果分析2.2.1段场内试验本次试验在鱼珠车辆段验证了软件自动定位、冒进蓝灯防护、超速防护和挤岔防护等功能。安全防护系统采用北斗定位系统和信标定位系统自动获取工程车位置信息，利用电台获取段场联锁信号。司机能够在工程车内观看、了解整个段场的信号开通情况，在遇到弯道时，可以提前确认信号状态；遇到雨天、大雾天气时，通过查看安全防护系统显示器上显示的信号状态，有效解决了地面信号瞭望困难的问题。段场内运行界面如图 6所示。司机设定工程车参数后开车，系统自动定位前以段场最高限速进行防护。工程车越过信标后，调防软件自动定位工程车在段场内位置，并在显示界面进行显示。定位成功后，调防软件接收地面信号，确定工程车前方各位置限速，安防系统从工程车当前位置预画一条限速曲线，工程车运行速度靠近限速曲线时，安防系统发送减速报警，当工程车越过限速曲线时，安防系统自动产生制动停车信号。运行过程中，调防软件根据北斗定位自动校正工程车位置。试验过程中，司机模拟以10 km/h的速度冒进蓝灯信号，安防系统控制工程车在蓝灯信号前停车。调防软件计算出段场内的最高限速为15 km/h，司机控制工程车加速到15 km/h时，安防系统控制工程车自动停车；显示器上显示前方的道岔状态，避免司机驶入错误的道岔，减少挤岔风险。2.2.2正线试验在广州地铁5号线上，本次试验验证了软件自动定位、自动规划进路、智能变向、区间作业防护等功能。工程车进入正线后，司机根据作业计划选择运行起点和终点，调防软件自动规划当前运行路径，并按最高限速进行安全防护。工程车越过信标后，调防软件自动定位工程车位置，确定工程车前方各位置限速，系统从工程车当前位置预画一条限速曲线。运行过程中遇到道岔，调防软件默认沿道岔定位方向运行并为司机提供方向选择，司机选择反位方向后调防软件自动修改运行方向，重新确定前方限速信息，系统同步更新限速曲线，对工程车进行实时防护，实现车辆智能变向。工程车到达目的车站后，司机设定当前车站的进站信号机为区间作业起点，前方车站的进站信号机为区间作业终点，系统允许工程车在两信号机之间运行，而无法越过这两个信号机。图 6现场试验情况Fig.6Field test situation942023 年第 4 期刘浩 等：基于北斗卫星定位系统的地铁工程车车载调车防护软件设计目前，安防系统在广州地铁进行了多次试用，期间未出现超速、冒进、挤岔事故，保障了调车作业的安全。3结束语本文设计了一种应用于地铁工程车安全防护系统的调车防护软件。该调防软件综合利用北斗定位系统、信标定位系统、计算机联锁系统，并结合站场图数据结构实现了段场内的精准控车；同时，其利用二叉树理论结合站场图数据结构实现对工程车正线作业的安全防护，有效地解决了工程车整个调车作业中可能出现的冒进信号、挤岔脱轨、冲撞车挡等安全问题。后续，若给调防软件增加雷达定位系统和图像识别系统接口后，其将能够自动识别前方信号状态，自动监控轨道上是否存在障碍物，自动计算股道上前方存车距离，从而实现在正线上进行信号控制，对冲撞障碍物进行防护，自动监控工程车进行连挂作业，为地铁工程车提供更加全面的防护，进一步减轻司机负担。参考文献：1Het./J.,2020,(8):32-33.2冯振兴.本务机车调车作业安全辅助防护系统方案研究J.中国铁路,2019(5):73-81.FENG Z X.Scheme study of safety assistant system for shunting operation of leading locomotiveJ.Chinese Railways,2019(5):73-81.3姚孝刚.一种调车防护系统的研制J.铁道机车车辆,2016,36(6):49-53.YAO X G.Development of a shunting protection systemJ.Railway Locomotive&Car,2016,36(6):49-53.4JAEHN F,OTTO A,SEIFRIED K.Shunting operations at flat yards:retrieving freight railcars from storage tracksJ.OR Spectrum,2018,40(2):367-393.5解熙,金碧筠.地铁工程车智能安全监控系统设计及应用J.铁道技术监督,2021,49(2):48-54.XIE X,JIN B J.Design and application of intelligent safety monitoring system for metro 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