矿区铁路智能化建设前瞻

矿区铁路智能化建设前瞻

田忠义

国家能源集团雁宝能源运销公司

摘要：本文探讨了矿区铁路信号建设发展方案，通过分析列车调度指挥及调度集中、区间闭塞、车站联锁，提出了CTC中心站集中控制技术应用、区间占用逻辑检查技术、全电子计算机联锁。

关键词：铁路；调度指挥；自动闭塞；计算机联锁

1.矿区铁路信号概况

铁路信号是铁路“信号、联锁、闭塞”的总称，是由各类信号显示、轨道电路、道岔转辙装置等主体设备及其他有关附属设施构成的一个完整的体系，是保障行车安全的重要组成部分。在矿区铁路信号系统中，主要包括列车调度指挥及调度集中子系统、闭塞子系统、联锁子系统、信号集中监测子系统、电源子系统等。其中，铁路运输直接相关的子系统有列车调度指挥及调度集中子系统、闭塞子系统、联锁子系统，直接关系到铁路运输的安全与运行效率。

1.1.列车调度指挥及调度集中

1.1.1.调度集中

调度集中（以下简称CTC）为铁路调度集中系统，对管辖区段内的列车和调车作业进行指挥和管理，通过联锁、列控、区间闭塞等信号设备，实现调度集中控制。调度集中系统包括分散自律控制和非常站控两种模式，现有CTC调度指挥模式如下图所示，分散自律控制模式包括中心操作、车站调车操作和车站操作三种方式，如下图1所示。

图1  CTC现有调度指挥方式示意图

1.1.2.列车调度指挥

列车调度指挥（以下简称TDCS）为铁路列车调度指挥系统，实现铁路各级行车调度对列车运行实行透明指挥、实时监督调整、覆盖全路的现代化铁路列车指挥系统。

TDCS在矿区铁路主要包括中心子系统和车站子系统。

(1)TDCS中心子系统功能

1　具备站场信息管理功能；

2　具备管辖范围内接触网供电状态人工标记功能；

3　具备列车计划管理功能；

4　具备车次追踪和自动采点功能；

5　具备列车实际运行图相关功能；

6　具备调度命令管理相关功能；

7　具备列车占用丢失报警功能；

8　具备列车紧跟踪报警功能；

9　具备自我诊断、运行日志和重要操作记录保存、查询和打印等功能，提供良好的网络维护和系统运行维护手段；具备完善的帮助系统；

10　具有相关技术资料查询功能，可加载各种标准格式的文字或图片资料，并提供技术资料的更新导入、显示以及打印功能；

11　提供模拟测试和仿真培训功能。

(2)车站TDCS子系统功能

1　站场信息管理

车站TDCS子系统（以下简称系统）具备本站和相邻各两个车站的信号设备状态、列车运行状态、线路布局显示和查询功能，并提供60天监视信息的历史回放。

信号设备状态包括以下内容：进站、出站、区间通过、调车等信号机显示，道岔位置及状态，轨道电路的空闲、锁闭、占用、接近、离去区段的空闲及占用。

列车运行状态包括以下内容：列车运行位置、列车车次、列车牵引类型、列车运行方向、列车运行早晚点、列车停稳状态、牵引的机车类型和机车号、司机姓名和工号。

线路布局包括以下内容：车站中心里程、进站信号机里程、车站高低站台、分相里程标。

其他监视信息包括以下内容：电力区段接触网供电、区间封锁、股道封锁、轨道区段使用限制、分路不良区段。

2　系统具备列车车次号人工输入、自动校核、人工校正及电力机车属性修改等功能。

3　系统具备本站管辖范围内的区间封锁、股道封锁、轨道区段使用限制、列车停稳状态、接触网供电状态、轨道区段分路不良等状态人工标记的功能。

4　系统具备调度所下达阶段计划的接收、签收、查询、打印功能。

5　系统具备调度所下达调度命令的接收、签收、查询和打印功能。

6　系统具备绿色许可证、红色许可证、路票等行车凭证编制、打印功能，在具备无线调度命令传送系统的条件下，可将行车凭证发送至机车，并显示回执。

7　系统具备调度所下达阶段记事信息的接收、签收、查询功能。

8　系统具备本站管辖范围内的速报和站存车信息编辑、查询、上报的功能。

9　施工登销记管理

系统具备施工登记、施工上报、施工审核、施工销记等功能，形成完整的施工登销记记录；

系统具备施工登记信息的打印及天窗统计功能；

系统具备施工作业模板的维护功能。

10　系统具备与中心一致的列车占用丢失报警和列车紧跟踪报警功能。

11　系统自动生成车站行车日志，并提供存储、查询和打印功能。系统按照规定严格限制对列车运行实绩的人工修改。

12　系统具备站间预告功能。

13　列车进路错办报警

系统根据车站采集的站场表示、车次跟踪信息、中心调度员下达的阶段计划以及相关行车规章制度和《车站行车工作细则》条件对车站值班员或信号员人工办理的列车接发车进路进行检查，对于违反约束条件的进路，系统给予报警提示，以辅助车站值班员或信号员检查列车接发车进路的正确性。

14　接发车作业流程管理

系统根据相关安全规章和《接发列车作业》标准中规定的作业流程、标准提供对车站接发车作业流程的管理功能，以辅助车站行车作业人员进行车站作业。

15　系统为信号员（内勤助理值班员）提供阶段计划视图和股道视图（占线板）的显示和操作功能；阶段计划视图可实时显示车站值班员签收的阶段计划和已安排的接发车股道；股道视图可显示接发车车次、股道状态（有电无电状态、占用锁闭状态、分路不良状态、防溜状态）、临时限速标记等信息。

16　非正常行车作业辅助

系统提供非正常条件下的作业辅助功能，以辅助车站行车人员完成非正常情况下的接发车作业。

17　系统提供每日注意事项和通知信息的下达、显示和查询功能。

18　系统具备记录本车站的操作日志、接发车作业流程步骤以及本车站的接发列车、阶段计划、调度命令、站存车、速报、报点信息、站场表示等信息，并提供终端查询及相关的统计分析功能，以便车站管理人员对日常工作的监督分析。

19　信息安全设备

20　时钟同步功能

1.2.区间闭塞

区间闭塞主要包括半自动闭塞和自动闭塞两种。

1.2.1.半自动闭塞

半自动闭塞是将出站信号机与闭塞机之间加以联锁，列车凭出站信号机或线路所通过信号机显示的进行信号进入区间。出站信号机的开放必须具备两个条件：① 接车站发出同意接车的信号；②本站发车进路准备妥当。所谓半自动就是需要人工办理闭塞、开放出站信号。当列车进入区间，轨道电路使出站信号机自动关闭。当列车到达邻站后．出站信号机才能开放。中国的半自动闭塞设备分单线用64D型和双线用64F型两种。

1.2.2.自动闭塞

当列车在区间运行时，必须绝对避免列车相撞或追尾，为此，必须实行“闭塞”，当列车驶入车站与车站之间的区间时，保证本站及对方车站的出站信号机不能开放，直至列车驶至下一车站为止。在列车运行繁忙的区间，为了提高运输效率，可将车站与车站之间的距离划分成若干个较短的区间，在每个区间之前设置一个可以显示红、黄、绿三种颜色的色灯信号机。当列车进入一个区间时，它后方的信号机自动显示红色，后方第二个信号机自动显示黄色，后方第三个信号机方显示绿色；这样就可以保证在复线上两个列车之间至少隔开一个区间，这种方式称为“自动闭塞”。当技术原因或外部因素（例如自然灾害）使设备发生故障时，系统在设计上必须保证信号机显示红灯。

1.3.车站联锁

在《铁路信号名词术语》中，联锁的定义是“通过技术方法，使信号、道岔和进路必须按照一定程序并满足一定条件，才能动作和建立起来的相互关系”[21]。该含义包含两层意思，一是说为了保证行车安全，必须制定一系列联锁规则以约束信号、道岔和进路的动作和建立；二是说，必须以技术手段实现这些规则。同时实现联锁的技术称为联锁技术，保证车站行车安全的信号系统称为车站联锁系统。

机械连锁是最古老的联锁方式，通过信号机与道岔的控制杆相互锁闭来实现联锁。

电气集中联锁是用电气方法通过信号楼内的控制台操纵车站内的色灯信号机和电动转辙机，使信号机、进路和道岔实现联锁并能监督列车运行和线路占用情况

计算机联锁是以计算机为主要技术手段实现车站联锁的信号系统。

计算机联锁的发展：

我国联锁系统的发展起源于20世纪60年代，由原铁道部组织技术专家成功研制了用继电器实现联锁关系的6502电气集中联锁系统，6502电气集中具有电路定型化程度高、逻辑性强，操作方法简便灵活等优点，因此在我国铁路得到广泛应用；

随着计算机技术和微电子技术的发展，在20世纪80-90年代，国内开始研发基于计算机实现联锁控制的联锁系统，即计算机联锁系统，相比于电气集中联锁，计算机联锁系统具有操作简便，提示和报警信息丰富以及便于维护等优点，在路内外逐渐推广应用，1986年通号院在太钢开通了国内开通了第一个计算机联锁系统

随着我国铁路运输的快速发展，对计算机联锁系统的可靠性和安全性也提出了更高的要求，因此在21世纪初期，我国开始从国外引进二乘二取二或三取二制式的计算机联锁系统硬件平台并结合国内联锁厂家开发的联锁软件形成具有高可靠性和高安全性的计算机联锁系统，并在我国铁路干线、客运专线以及城市轨道交通的地铁和轻轨线路得到广泛应用，是保障铁路运输安全，提高铁路运输效率的基础装备。

近年来，随着自主研发能力的提高，国内联锁厂家开始在消化和吸收国外计算机联锁系统技术的基础上自主研发具有高可靠性和高安全性的计算机联锁系统，目前主流厂家均已自主研发成功符合欧标的二乘二取二型计算机联锁系统，并已经在国内外铁路推广应用，逐步取代国外引进的二乘二取二系。

计算机联锁系统是一个典型的输入-处理-输出的控制系统。

图2  计算机联锁系统原理图

2.矿区铁路信号建设发展趋势

2.1.推广CTC中心站集中控制技术应用

随着新时代背景下铁路运输的发展，以及铁路运输调度指挥模式的改进，普速铁路CTC中心站集中控制技术已经出现，能够提高铁路运输指挥的自动化，智能化水平，实现矿区铁路运输部门减员增效的生产目标。

CTC中心站集中控制技术是将中心站的相邻多个车站作为区域集控站纳入中心站集控台进行集中控制。

2.1.1.操作方式

采用中心站集中控制后，CTC由三种操作方式（中心操作、车站操作和车站调车）变为两种操作方式（车站操作和车站调车），车站操作方式车站根据需要可纳入中心站集控台，也可单独设置，车站调车方式车站全部纳入中心站集控台。调度指挥方式如下图2所示。

图3  中心站集中控制调度指挥方式

2.1.2.主要功能

(1)控制模式和操作方式

区域集控站CTC系统设备作为应急情况下的后备手段。在应急情况下采用非常站控模式，区域集控站的CTC系统设备具备TDCS功能。

中心站集控台具备与调度台之间进行操作方式间的转换功能。集控台对各站的进路控制权限，由该站所属操作方式决定。

表1  不同操作终端在车站相应操作方式下的权限分配

(2)阶段计划下达

调度台具备向集控台、区域集控站下发阶段计划功能。正常状态下，中心站集控台由人工签收计划，区域集控站车务终端由系统自动签收计划；区域集控站转入非常站控时，区域集控站车务终端需由操作人员选择为人工签收方式进行计划签收。

(3)调度命令

调度台具备向集控台和区域集控站下发调度命令的功能；集控台具备调度命令转发功能。

(4)中心站集控台计划管理

集控台采用图表的方式显示、编辑调度台下达的多站计划，同时具备切换为单站的行车日志界面。

(5)进路序列

集控台在车站操作方式下具备列车进路序列修改权限。

(6)邻站预告

集控台所辖区域集控站之间不进行邻站预告；集控台与区域外相邻车站之间具备邻站预告功能。

(7)人工报点

集控台具备人工报点功能。

2.1.3.功能试验

(1)试验目的

矿区铁路调度台管辖范围内CTC运输功能进行验证，确保车次跟踪，阶段计划，调度命令等CTC功能性完整。

(2)运输试验验证阶段

阶段1：优先保证TDCS功能（车次跟踪，阶段计划，调度命令）正常，在确保TDCS功能正常情况下进行CTC功能验证。

阶段2：中心站集中控制CTC功能逐级深化验证。

阶段3：试运行实车验证（。

(3)TDCS功能验证

CTC系统改造完成后调度台、中心站集控台、各车站设置为非常站控模式，进行TDCS功能验证，确保TDCS系统功能正常且稳定。

(4)CTC功能验证

1　站细验证

2　股道属性验证

3　股道接车优先级

4　高低站台

5　股道超限车禁会检查

6　道岔辙岔号检查

7　进路触发机制

8　按图行车

9　控制模式转换

10　供电臂核对

11　进路预告验证

12　无线调令验证

13　中心站集中控制CTC功能验证

此阶段采用按调度计划自动触发模式试验，主要验证中心站集中控制式下CTC功能。

14　实车验证

实车验证试验按照运行基本图中交路情况。

2.2.区间占用逻辑检查技术

由于轨道电路自身功能特点和实际运营轨道条件，轨道电路可能存在列车占用而无法检测分路，存在追尾等失去防护的风险，关系行车安全，该问题依靠轨道电路自身难以完全解决。为进一步优化完善区间自动闭塞技术水平，在既有技术规范的基础上，提出了对区间闭塞分区增加占用逻辑检查的功能，进一步提高区间自动闭塞安全性，确保矿区铁路列车行车安全。

区间占用逻辑检查功能的基本思路，就是将原来单独根据本区段轨道电路判定状态作为区段占用空闲状态的做法，改为利用前后关联区段的占用出清顺序和状态变化关系，综合判定本区段的轨道状态。

基本原理包含两点：

(1)区段占用查后方区段状态，以判断列车是否正常驶入本区段；

(2)区段空闲查前方区段状态，以判断列车是否正常驶离本区段；

逻辑检查需要考虑的因素：

(1)逻辑状态判定的原则，逻辑状态的类型。

(2)前后状态的关联关系，要针对同一列车进行判断。

(3)逻辑状态是对历史列车运行过程的跟踪判定，上电启动无法了解状态的处理。

(4)逻辑状态的变化需要前后的顺序关系，增加后可能存在不满足顺序，无法恢复的情况。

(5)逻辑状态判定后对既有功能和系统的影响。

(6)区间逻辑占用检查，与进出站衔接处的处理方案。

原闭塞分区逻辑状态为空闲的，设备状态保持空闲，则闭塞分区逻辑状态保持空闲。

原闭塞分区逻辑状态为空闲的，设备状态由空闲变为占用时，若同时满足如下条件则判定为正常占用，否则判定为故障占用。运行后方相邻闭塞分区与本分区属于同一个SA；运行后方相邻闭塞分区逻辑状态为正常占用（如果运行后方相邻的是站内区段，则条件为进路最末道岔区段占用且锁闭）。

如下图所示，3G原为空闲状态，当3G物理状态由空闲变为占用时，若2G处于正常占用状态，判断3G为正常占用状态。

图4  区间占用逻辑检查技术原理示意图（1）

原闭塞分区逻辑状态为正常占用的，设备状态保持占用，则逻辑状态保持正常占用。

原闭塞分区逻辑状态为正常占用的，设备状态由占用变为空闲时，若同时满足如下条件则判定为空闲，否则判定为失去分路。运行前方相邻闭塞分区与本分区属于同一个SA；运行前方相邻闭塞分区原逻辑状态为正常占用；运行前方相邻闭塞分区设备状态保持占用（如果运行前方相邻的是站内区段，则条件为进路内方首区段占用且锁闭）。

如下图所示，2G原为正常占用状态，2G物理状态由占用变为空闲时，3G处于正常占用状态，因此判断2G为空闲状态。

图5  区间占用逻辑检查技术原理示意图（1）

原闭塞分区逻辑状态为故障占用的，若同时满足如下条件，则判定为正常占用：

(1)设备状态保持占用；

(2)运行后方相邻闭塞分区属于同一SA（或者均未分配SA）；

(3)运行后方相邻闭塞分区原逻辑状态也为故障占用；

(4)两闭塞分区故障占用的顺序与列车运行方向一致；

(5)运行后方相邻闭塞分区逻辑状态由故障占用变为空闲（如果运行后方相邻的是站内区段，本条件不成立）。

如下图所示，2G逻辑状态先判定为故障占用，3G逻辑状态后判定为故障占用，2G逻辑状态恢复为空闲，此时判定3G逻辑状态为正常占用。

图6  区间占用逻辑检查技术原理示意图（2）

原逻辑状态为故障占用的闭塞分区，如果设备状态为空闲，逻辑状态判定为空闲，否则，逻辑状态维持故障占用。

原闭塞分区逻辑状态为失去分路的，设备状态由空闲变为占用，则逻辑状态判定为正常占用。

原闭塞分区逻辑状态为失去分路的，设备状态保持空闲，则逻辑状态保持失去分路。

在一个SA内，如果运行前方闭塞分区判定为正常占用，则该闭塞分区后方所有处于失去分路状态的闭塞分区，其逻辑状态判定为空闲。

在一个SA内，如果运行前方闭塞分区判定为正常占用，则该闭塞分区后方所有处于正常占用状态且与该分区不连续的其他闭塞分区逻辑状态判定为故障占用。

如下图所示，1G失去分路条件下，4G先故障占用，5G后故障占用，4G出清5G判定为正常占用后，判定1G为空闲状态。

图7  区间占用逻辑检查技术原理示意图（3）

如下图所示，1G正常占用条件下，4G先故障占用，5G后故障占用，4G出清5G判定为正常占用后，判定1G为故障占用。

图8  区间占用逻辑检查技术原理示意图（4）

区间改方成功，改方前处于失去分路状态的闭塞分区，逻辑状态判定为空闲；改方前处于空闲和故障占用的闭塞分区，逻辑状态保持不变。

收到CTC确认闭塞分区无车占用命令，如果设备状态为空闲，则逻辑状态判定为空闲，否则，逻辑状态判定为故障占用。

TCC收到CTC区间逻辑状态总解锁命令时，本站TCC管辖范围内闭塞分区逻辑状态为失去分路的，其逻辑状态判定为空闲，否则，逻辑状态维持不变。

2.3.计算机联锁和全电子联锁

2.3.1.系统组成

(1)综合柜

安装UPS、逻辑、接口24V电源，电务维修机。

(2)联锁柜

安装有联锁逻辑部，以太网交换机。

(3)模块柜

安装模块。

(4)操作显示设备

设在运转室。

图9  全电子联锁系统结构图

2.3.2.全电子执行模块主要类型

道岔模块（直流、交流）；

信号机模块（直流、交流）；

轨道模块（25Hz、480轨道电路）；

半自动模块（64D半自动）；

电码化模块（含编码、传递）；

通用输入输出模块（含场联/站联接）。

2.3.3.交流道岔模块

(1)控制对象

五线制、七线制转辙机：ZDJ9、S700K。

(2)控制能力

可根据配置，独立控制2台转辙机。

驱动电压AC380V，额定电流≤2A。

表示电压AC220V，额定电流≤0.03A。

2.3.4.直流道岔模块

(1)控制对象

四线制转辙机：ZD6

(2)控制能力

可根据配置，独立控制2台转辙机；

驱动额定电压DC160V，额定电流≤2A；

表示额定电压AC220V，额定电流≤0.03A。

2.3.5.交流信号机模块

(1)控制对象

交流LED、交流色灯信号机

(2)控制能力

可独立控制8个灯位，根据配置可将；

8个灯位分配给最多4架信号机；信号机间不能有空位，不使用的灯位要占位为空；

驱动额定电压AC220V。

驱动额定电流≤150mA。

(3)外部接口

1　一个灯位2根线；

2　一个板带多架信号机，则信号机点位顺序排列；

3　根据模块排列表确定信号机名称和顺序；

4　确定信号机类型；

2.3.6.直流信号机模块

(1)控制对象

直流LED信号机

(2)控制能力

1　可独立控制8个灯位，根据配置可将8个灯位分配给最多4架信号机；

2　控制距离可达10Km；

3　驱动额定电压DC36V

4　驱动额定电流≤110mA

2.3.7.通用输出模块

(1)控制对象

继电器

(2)控制能力

1　独立控制24路输出通道；

2　每路支持5档输出电平，24V/30V/36V/42V/48V，对应的带载能力分别不小于100mA/80mA/66.7mA/57.1mA/50mA。

2.3.8.通用输入模块

(1)采集对象

继电器接点

(2)采集能力

独立24路采集通道；

采集电平范围：

逻辑高电平输入范围DC18V~DC30V，

逻辑低电平输入范围DC0V~DC10V。

2.3.9.轨道电路模块

(1)采集对象

25Hz轨道电路受端节点

(2)采集能力

25Hz轨道电路独立10路采集通道；

480轨道电路独立12路采集通道；

采集电平范围：

1　逻辑高电平输入范围DC18V~DC30V，

2　逻辑低电平输入范围DC0V~DC10V。

注意：25周模块要增加防护盒

2.3.10.轨道电路-一送多受接口与轨道停电

(1)对于一送多受情况，只要1个受端占用即为占用；

(2)可以用轨道模块采集股道停电状态，在电源（AC220V）进入板卡前进行10:1降压。

图10  一送多受轨道电路结合原理图

2.3.11.电码化模块

(1)控制对象

轨道电路编码，轨道电路传递。

(2)控制能力

10个编码点，每个编码点输出2个点，便于N+1电路接口；

正线：2个移频输入，控制8个单向或4个双向区段

股道：8个移频输入，控制8个单向或4个双向区段

(3)输入电源

DC24V，电流≤1.7A。

2.3.12.64D半自动闭塞模块

(1)控制对象

64D半自动闭塞（计轴自动闭塞可主机部分实现）。

(2)控制能力

1个半自动区间口。

3.结论

矿区铁路和国家铁路在运输需求方面有一定的共同之处，并且有自身的特点。随着国家科技的发展，特别是铁路信号技术和装备水平的提高，矿区铁路信号系统建设也应与时俱进，积极采用新技术，比如CTC中心站集中控制技术、区间占用逻辑检查技术、全电子计算机联锁等，以夯实安全基础，提高运输效率，为“双碳”绿色发展做出贡献。

参考文献

[1]TB10007-2017《铁路信号设计规范》.北京：国家铁路局，2017.

[2]铁总运[2013]141《列车调度指挥系统（3.0）技术条件》中国铁路总公司.

[3]工电通号函[2019]48号《国铁集团工电部关于印发普速铁路CTC中心站集中控制技术方案的通知》中国国家铁路集团有限公司工电部.

[4]Q/CR518-2016《调度集中系统技术条件》中国铁路总公司.

[5]TB/T1567.1-2019《铁路闭塞 第1部分：自动闭塞技术条件》.北京：国家铁路局，2019.

[6]Q/CR931-2022《铁路车站计算机联锁技术条件》中国国家铁路集团有限公司.