竇埡錫，藺 偉，劉 暢

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

大風(fēng)是影響鐵路安全運(yùn)營的主要自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致列車脫線、接觸網(wǎng)斷線等重大事故，危急行車安全。為保障高速列車的安全運(yùn)行，對(duì)大風(fēng)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測并及時(shí)報(bào)警是迫切需要解決的問題。我國高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警信息傳輸，必要時(shí)可觸發(fā)列車緊急制動(dòng)[1]，而大風(fēng)報(bào)警信息的發(fā)布和處理還依賴于調(diào)度人員手工操作，時(shí)效性較差且容易出現(xiàn)遺漏。為此，研究高速鐵路大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，以保障高速列車在大風(fēng)天氣下運(yùn)營的安全性和可靠性。

1 高速鐵路大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

目前大風(fēng)報(bào)警的處置流程主要是由現(xiàn)場風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后實(shí)時(shí)傳送至鐵路局集團(tuán)公司大風(fēng)監(jiān)測中心，當(dāng)大風(fēng)監(jiān)測中心調(diào)度終端發(fā)出報(bào)警信息后，調(diào)度員進(jìn)行報(bào)警信息確認(rèn)，然后在調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)查找處于報(bào)警區(qū)段的列車信息，通過電話或調(diào)度命令的形式通知司機(jī)限速運(yùn)行，司機(jī)接收到調(diào)度命令或通知后，應(yīng)立即采取措施，必要時(shí)調(diào)度員可通過臨時(shí)限速服務(wù)器進(jìn)行限速[2-3]。為提升大風(fēng)報(bào)警處置效率和智能化水平，開展大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的方案研究。

大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸需要高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)[4](以下簡稱“防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)”)、列車位置信息提供系統(tǒng)、大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)、鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)及動(dòng)車組車載設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)。大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)與各系統(tǒng)接口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用冗余設(shè)置，接口服務(wù)器之間采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)由報(bào)警信息處理單元和通信接口單元2部分組成，大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 報(bào)警信息處理單元

報(bào)警信息處理單元主要包括報(bào)警接口服務(wù)器、報(bào)警應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和操作終端。報(bào)警接口服務(wù)器用于接收風(fēng)速報(bào)警數(shù)據(jù)，并將報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送給報(bào)警應(yīng)用服務(wù)器，同時(shí)將動(dòng)車組車載設(shè)備執(zhí)行情況反饋給防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)。報(bào)警應(yīng)用服務(wù)器用于接收大風(fēng)報(bào)警信息并進(jìn)行綜合分析處理，對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行過濾整合后，最終形成大風(fēng)報(bào)警處置信息發(fā)送給通信接口單元。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器用于存儲(chǔ)大風(fēng)報(bào)警信息、列車位置信息、報(bào)警處置信息、回執(zhí)信息、警報(bào)解除信息和設(shè)備工作狀態(tài)等，并提供統(tǒng)計(jì)查詢服務(wù)。操作終端用于提供大風(fēng)報(bào)警信息、處置等級(jí)、系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、車載設(shè)備狀態(tài)等內(nèi)容的可視化和可操作維護(hù)界面。

1.2 通信接口單元

通信接口單元主要包括通信應(yīng)用服務(wù)器和通信接口服務(wù)器。通信應(yīng)用服務(wù)器用于接收大風(fēng)報(bào)警處置信息，根據(jù)其中包含的線路號(hào)、限速區(qū)段等信息，列車位置信息，查詢警報(bào)影響范圍內(nèi)的列車信息，同時(shí)監(jiān)測線路運(yùn)行的列車車載設(shè)備的狀態(tài)信息，并將處置信息執(zhí)行情況反饋給報(bào)警信息處理單元。通信接口服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)與GSM-R通信系統(tǒng)間和列車位置信息提供系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，與GSM-R通信系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互包括大風(fēng)報(bào)警處置信息、車載設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)、司機(jī)手動(dòng)簽收報(bào)警信息情況等，與列車位置信息提供系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。

圖1 大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of real-time transmission system of wind alarm information

2 高速鐵路大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸方案

大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)通過與防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互獲取大風(fēng)報(bào)警數(shù)據(jù)，分析生成大風(fēng)報(bào)警范圍，通過與列車位置信息提供系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互獲取當(dāng)前線路上列車運(yùn)行位置、行車方向、機(jī)車號(hào)等信息，將大風(fēng)報(bào)警信息與列車位置信息進(jìn)行綜合分析處理后，自動(dòng)通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)將大風(fēng)報(bào)警信息發(fā)送至大風(fēng)報(bào)警范圍內(nèi)的列車車載裝置，提示司機(jī)手動(dòng)限速。

列車位置信息提供系統(tǒng)需提供列車位置公里標(biāo)、線路號(hào)、行車方向及機(jī)車號(hào)等信息，而如何獲取準(zhǔn)確的列車位置信息是大風(fēng)報(bào)警實(shí)時(shí)傳輸?shù)那疤?。將可以獲取列車位置信息的幾種方式進(jìn)行對(duì)比分析，選擇CTC系統(tǒng)作為列車位置信息提供系統(tǒng)。CTC系統(tǒng)是調(diào)度中心對(duì)某一區(qū)段內(nèi)的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行集中控制、對(duì)列車運(yùn)行直接指揮、管理的技術(shù)裝備[5]，其中列車位置信息可以通過高安全等級(jí)的聯(lián)鎖、列控系統(tǒng)獲得，可靠性更高。

動(dòng)車組車載設(shè)備在實(shí)時(shí)接收到大風(fēng)報(bào)警處置信息后，發(fā)出聲音提示并對(duì)大風(fēng)報(bào)警處置信息進(jìn)行簽收確認(rèn)、打印，同時(shí)將車載設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)發(fā)送給大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)。目前將動(dòng)車組具備相關(guān)功能的車載設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析，車載地震裝置具備無線傳輸通道、顯示終端等組件，通過升級(jí)設(shè)備可具備接收調(diào)度命令接收的能力[6]，因而選擇此設(shè)備作為車載設(shè)備接收大風(fēng)報(bào)警信息。

大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)方案示意圖如圖2所示。

防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送大風(fēng)報(bào)警信息，經(jīng)由報(bào)警信息處理單元分析處理后形成大風(fēng)報(bào)警處置信息發(fā)送至通信接口單元，通信接口單元實(shí)時(shí)接收由CTC系統(tǒng)發(fā)送的列車位置信息，結(jié)合大風(fēng)報(bào)警處置信息中的限速區(qū)段信息，將符合處置條件的列車信息發(fā)送給地震鐵路局中心系統(tǒng)，然后發(fā)送給車載地震裝置，車載地震裝置發(fā)出聲光報(bào)警信息提示司機(jī)進(jìn)行手動(dòng)限速運(yùn)行。大風(fēng)信息傳遞流程如圖3所示。

圖2 大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)方案示意圖Fig.2 Plan of real-time transmission system of wind alarm information

圖3 大風(fēng)信息傳遞流程圖Fig.3 Flow chart of wind information transmission

3 高速鐵路大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 提前報(bào)警時(shí)間計(jì)算

當(dāng)大風(fēng)報(bào)警發(fā)生后，即將進(jìn)入限速區(qū)段的列車需要一個(gè)提前響應(yīng)、判斷、制動(dòng)等操作過程，這一系列過程受限于系統(tǒng)精度和接口實(shí)現(xiàn)效率。系統(tǒng)精度涉及到CTC系統(tǒng)閉塞分區(qū)長度和列車制動(dòng)后行駛的距離，接口實(shí)現(xiàn)效率涉及到無線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、司機(jī)反應(yīng)時(shí)間。因此，系統(tǒng)選擇時(shí)間維度進(jìn)行提前報(bào)警，各事件的時(shí)間分量是大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)保證列車安全運(yùn)行的重要組成部分。提前報(bào)警時(shí)間的時(shí)間分量示意圖如圖4所示。

圖4 提前報(bào)警時(shí)間的時(shí)間分量示意圖Fig.4 Schematic diagram of the time component of the alarm time in advance

（1）列車位置判斷精度。列車位置判斷主要依靠從CTC系統(tǒng)獲取的列車位置信息，而CTC系統(tǒng)可以獲取列車在線路上運(yùn)行時(shí)所占用的閉塞分區(qū)。因此，閉塞分區(qū)長度影響了列車位置判斷的精度[7]。大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮列車位置信息改變的時(shí)間，作為提前報(bào)警計(jì)算的時(shí)間分量。

（2）列車制動(dòng)時(shí)間。動(dòng)車組制動(dòng)主要有最大常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)2種情況，涉及的主要是最大常用制動(dòng)時(shí)間。最大常用制動(dòng)主要是采用降低速度控制方式，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)速度和司機(jī)控制器手柄級(jí)位確定所需的減速度，從而計(jì)算出應(yīng)該施加的制動(dòng)力[8]。因此，在動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)間的計(jì)算過程中，列車降低速度是計(jì)算列車制動(dòng)時(shí)間的

一個(gè)重要參數(shù)。

（3）無線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。地震鐵路局中心系統(tǒng)主要通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)以GPRS方式傳輸至車載地震裝置，車載地震裝置接收的緊急處置信息的數(shù)據(jù)包小于128字節(jié)，95%概率下GPRS方式端到端傳輸總時(shí)延不大于2 s[9]。

（4）司機(jī)反應(yīng)時(shí)間。司機(jī)反應(yīng)時(shí)間是車載地震單元發(fā)出聲光報(bào)警提示后，司機(jī)接收到報(bào)警提示信息并立即向動(dòng)車組施加最大常用制動(dòng)所用的時(shí)間。司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間主要取決于司機(jī)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間、司機(jī)持續(xù)駕駛時(shí)間等因素。

3.2 列車快速定位

大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)需要將大風(fēng)報(bào)警處置信息通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給大風(fēng)報(bào)警影響范圍內(nèi)的所有列車，如何能保證在限速區(qū)段的列車及時(shí)限速到安全運(yùn)行值，保證即將進(jìn)入限速區(qū)段的列車預(yù)留提前報(bào)警時(shí)間來確保列車以限速值駛?cè)雸?bào)警區(qū)域就顯得非常重要。此時(shí)系統(tǒng)若能實(shí)現(xiàn)列車快速定位，

實(shí)時(shí)獲取列車運(yùn)行位置將解決這一關(guān)鍵問題。大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)通過CTC系統(tǒng)獲取當(dāng)前線路上運(yùn)行列車的位置信息，當(dāng)大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)計(jì)算出大風(fēng)報(bào)警范圍后，根據(jù)列車位置信息查找處于報(bào)警區(qū)域的列車信息，此時(shí)直接發(fā)送大風(fēng)報(bào)警處置信息給此部分的車載地震裝置，繼續(xù)監(jiān)測正在駛向報(bào)警區(qū)域的列車，結(jié)合提前報(bào)警時(shí)間和列車行駛速度，查找到在此時(shí)間內(nèi)會(huì)駛?cè)雸?bào)警區(qū)域的列車，及時(shí)發(fā)送大風(fēng)報(bào)警處置信息給此部分車載地震裝置，而在大風(fēng)報(bào)警解除之前駛離報(bào)警區(qū)域的列車，列車應(yīng)仍保持列車限速值行駛直至大風(fēng)報(bào)警解除。大風(fēng)報(bào)警列車限速示意圖如圖5所示。

3.3 報(bào)警信息過濾處置

圖5 大風(fēng)報(bào)警列車限速示意圖Fig.5 Sketch of train speed limit for wind alarm

監(jiān)控單元實(shí)時(shí)監(jiān)測瞬時(shí)風(fēng)速，并將超過報(bào)警條件的風(fēng)速數(shù)據(jù)發(fā)送給防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)，由防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)將風(fēng)速報(bào)警信息直接發(fā)送至大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，此時(shí)對(duì)風(fēng)速報(bào)警信息進(jìn)行合理、高效的過濾是影響系統(tǒng)有效性和可靠性的關(guān)鍵因素。監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測瞬時(shí)風(fēng)速，由于大風(fēng)多呈區(qū)域性分布，可能會(huì)出現(xiàn)單監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警、連續(xù)多點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警，以及分散多點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)報(bào)警的多種情況發(fā)生[10]。在風(fēng)速報(bào)警等級(jí)發(fā)布方面，可能出現(xiàn)連續(xù)時(shí)間內(nèi)同一報(bào)警等級(jí)的頻繁報(bào)警。為了減少大風(fēng)報(bào)警處置信息的生成次數(shù)，減少處置信息傳輸至列車的次數(shù)而減少對(duì)動(dòng)車組司機(jī)的干擾，系統(tǒng)需綜合考慮多種情況的處置，形成可靠、有效的報(bào)警過濾原則，最終達(dá)到有效處置的目的。大風(fēng)報(bào)警區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖如圖6所示。

圖6 大風(fēng)報(bào)警區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖Fig.6 Distribution map of monitoring points for wind warning area

3.4 系統(tǒng)接口

大風(fēng)信息傳輸系統(tǒng)的對(duì)外接口主要包括與防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)接口、與地震鐵路局中心系統(tǒng)的接口和與CTC系統(tǒng)接口。

（1）與防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)接口。大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)與防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)間傳輸?shù)膱?bào)警數(shù)據(jù)包括監(jiān)測點(diǎn)編碼、線路編碼、風(fēng)速、風(fēng)向、限速區(qū)段、報(bào)警等級(jí)等，通信協(xié)議遵循防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)的軟件和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。雙方通信采用觸發(fā)式傳輸機(jī)制，一旦發(fā)生大風(fēng)報(bào)警變化，立即觸發(fā)發(fā)送。

（2）與地震鐵路局中心系統(tǒng)接口。大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)具備與地震鐵路局中心系統(tǒng)的接口，通過通信接口服務(wù)器與地震鐵路局中心系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，2個(gè)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備進(jìn)行物理隔離。2個(gè)系統(tǒng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括大風(fēng)報(bào)警處置信息、車載設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)、司機(jī)手動(dòng)簽收報(bào)警信息等內(nèi)容。

（3）與CTC系統(tǒng)接口。大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)具備與CTC系統(tǒng)的接口，系統(tǒng)接口采用安全協(xié)議，保證信息的有效性、完整性和安全性傳輸。大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)主要接收CTC系統(tǒng)提供當(dāng)前在線路上運(yùn)行的列車的位置信息，包括線路編碼、機(jī)車號(hào)、公里標(biāo)、運(yùn)行方向等內(nèi)容。

4 結(jié)束語

為滿足大風(fēng)報(bào)警信息傳輸時(shí)效低、流程合理、可靠性高的要求，開展大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的研究。經(jīng)過研究，系統(tǒng)通過與防災(zāi)鐵路局中心系統(tǒng)、地震鐵路局中心系統(tǒng)及CTC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了大風(fēng)報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸至列車車載設(shè)備并提示司機(jī)手動(dòng)限速的功能，解決了目前大風(fēng)報(bào)警處置時(shí)效性不高、人工處理繁瑣及工作量大等問題，提高了動(dòng)車組列車在大風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行安全技術(shù)保障水平，為提高高速鐵路大風(fēng)報(bào)警處置智能化水平提供了一種方法。