孫國鋒，田志強，馬亞雯，景 云，吳文娟

（1. 蘭州交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081)

1 鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)分析

1.1 研究現(xiàn)狀

鐵路編組站素有“貨物列車制造工廠”之稱，主要進行各種貨物列車的解體和編組作業(yè)。調(diào)車駝峰是編組站的核心設(shè)備，駝峰調(diào)車場內(nèi)有大量的車列解體，具有作業(yè)流程復(fù)雜、車流密度大、溜放速度快、車場股道多、區(qū)域跨度大、車場內(nèi)人車等機具多的特點。在車輛溜放的同時，車場內(nèi)的各類作業(yè)人員不可避免的在各個作業(yè)地點間行走移動，無法確保其人身絕對安全。

鐵路調(diào)車場作業(yè)安全一直是學(xué)者們研究的重點，學(xué)者們從不同角度對車站調(diào)車作業(yè)安全進行了研究。其中，張琢[1]以沈陽鐵路局的調(diào)車作業(yè)事故為分析基礎(chǔ)，提出健全管理體系、強化業(yè)務(wù)培訓(xùn)、控制作業(yè)過程、更新調(diào)車設(shè)備、改善作業(yè)環(huán)境等控制鐵路調(diào)車作業(yè)安全的建設(shè)及措施；史宏等[2]設(shè)計了新型鐵路智能電子警沖標，可以有效警示越標停車，為保障鐵路行車安全提供有效的技術(shù)手段；施衛(wèi)忠等[3]對于重載條件下編組站駝峰制動能力不足，導(dǎo)致駝峰的效率和安全性降低的問題，提出了2個駝峰改造方案；苗長俊[4]設(shè)計了鐵路技術(shù)站技術(shù)作業(yè)綜合管理系統(tǒng)，可以有效提高技術(shù)站作業(yè)效率和安全管理水平；孫漢武等[5]建立了鐵路安全監(jiān)督管理信息平臺，可以通過監(jiān)測安全報警信息和安全檢查信息處置，實現(xiàn)安全預(yù)警分析和輔助決策技術(shù)；王修志[6]針對駝峰調(diào)車作業(yè)中存在的安全隱患問題，提出了對駝峰調(diào)速系統(tǒng)進行升級改造和調(diào)整車場縱斷面等解決駝峰調(diào)車的安全問題；樊國智[7]研究提出鐵路數(shù)字化人身安全防護語音提示系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、安全設(shè)計功能，為提高現(xiàn)場作業(yè)人員安全系數(shù)提供了技術(shù)保障；羅萬軍[8]研究了推送調(diào)車作業(yè)智能領(lǐng)車系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)推送調(diào)車作業(yè)無人領(lǐng)車，有助于從根源上消除調(diào)車人員抓乘安全隱患。雖然這些研究在一定程度上有利于提高鐵路調(diào)車作業(yè)的安全，但仍然無法對作業(yè)人員的人身安全進行有效的防護，因而應(yīng)加強鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)研究。

1.2 設(shè)計結(jié)構(gòu)

為了有效防護鐵路調(diào)車場內(nèi)的作業(yè)人員安全，其核心問題是確定作業(yè)人員和溜放車輛實時位置以及判斷二者的位置關(guān)系，因而以解決這兩個問題為入手點，以駝峰調(diào)車場的解體調(diào)車作業(yè)為研究對象，進行鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)的研究與設(shè)計。鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)是指在帶有駝峰調(diào)車設(shè)備的編組站上，為防止車場內(nèi)各個工作地點間行走移動的工作人員(連結(jié)員、制動員等)因駝峰溜放車輛受到生命威脅而設(shè)計的有效防護系統(tǒng)。鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)主要采用軌道電路設(shè)備、計軸設(shè)備、三角定位原理、凸集分離軸定理和Wi-Fi定位技術(shù)等，通過獲取靜態(tài)和動態(tài)的車輛及人員信息，實現(xiàn)調(diào)車場內(nèi)移動車輛和作業(yè)人員潛在沖突的預(yù)判、實時沖突的檢測和語音報警提示等功能，從而對調(diào)車場內(nèi)作業(yè)人員的人身安全進行有效防護。鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見，鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)主要分為以下2部分。

圖1 鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System design structureof safety protection system for railway hump yard operators

（1）基于人車運行軌跡的潛在沖突點預(yù)判。根據(jù)調(diào)車作業(yè)計劃指定的車輛溜放股道和系統(tǒng)為車場內(nèi)作業(yè)人員選定的走行路線，初步判斷人車的交叉點。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛的移動速度和人員的走行速度確定其相應(yīng)的運行軌跡，從而獲得二者到達交叉點前后特定區(qū)域的時間段，進而根據(jù)2個時間段的重疊關(guān)系判斷該交叉點是否為潛在沖突點，實現(xiàn)調(diào)車場內(nèi)移動的機車、車輛與作業(yè)人員運行軌跡潛在沖突的預(yù)判。

（2）人車沖突實時檢測及預(yù)警。首先通過車場內(nèi)原有的軌道電路和增設(shè)的計軸設(shè)備獲取車輛的實時位置及速度信息，然后利用Wi-Fi三角定位原理，根據(jù)布置在車場內(nèi)的信號發(fā)射裝置和人員攜帶的終端設(shè)備獲取作業(yè)人員的精準位置，其次考慮作業(yè)人員和溜放車組的尺寸參數(shù)，利用凸集分離軸定理實現(xiàn)人車的等效變換（如將人看成圓盤，將車組看成橢圓或膠囊），最后按照變換后的尺寸參數(shù)，動態(tài)檢測溜放車組和作業(yè)人員的實時距離，并根據(jù)二者的相對狀態(tài)確定預(yù)警等級，對作業(yè)人員進行沖突預(yù)警和防護。

2 基于人車運行軌跡的潛在沖突點預(yù)判

2.1 溜放車輛及作業(yè)人員的運行軌跡確定

車輛溜放過程遵循能量守恒定律[9]，雖然難、易行車之間受到的阻力不同，但為了保證解體效率及作業(yè)安全，車輛溜放需兼顧難行車和易行車，使其溜放速度接近相等。駝峰縱斷面能高線如圖2所示。

圖2 駝峰縱斷面能高線圖Fig.2 Hump profile high-figure map

車輛溜放到任意一點K時的速度可以表示為

式中：v車為車輛溜放到任意點K時的速度，m/s；v0為車輛初始溜放速度，m/s；g'為重力加速度，m/s2；L為車輛由峰頂溜至任一計算點的長度，m；i為L范圍內(nèi)的平均折算坡度，‰；W為車輛單位總阻力，N/kN。

由能量守恒定律可得

式中：hv0為車輛在峰頂時的動能高，m；H為A與B的高差，m；Hvk為車輛在任意點K時的動能高，m；Hk為車輛在任意點K時的能高，即K與B的高差，m；Hwk為車輛在任意點K的阻力高，m。

由于駝峰的縱斷面是確定的，因而每一制動位的能高H隨之而定。將峰高所在的垂線視作縱軸，地面視作橫軸，將坡度不同的坡段列分段函數(shù)得到其任意點的能高Hk，從而得出車輛由峰頂溜至任意計算點的長度L和速度v車。車輛溜放單位總阻力由溜放車輛的類型決定，可由基本阻力w基、風(fēng)和空氣阻力w風(fēng)，曲線阻力w曲和道岔阻力w岔之和得到；初始溜放速度v0可直接從峰頂平臺的顯示屏上讀出，則車輛由峰頂溜至任一計算點的時間可表示為

式中：t車為車輛由峰頂溜至任一計算點的時間，s。

為了駝峰調(diào)車場一線作業(yè)人員的作業(yè)安全，系統(tǒng)設(shè)定了更為規(guī)范化的人員作業(yè)流程。作業(yè)人員在出發(fā)前需要選定本次作業(yè)的走行路線及出發(fā)時間，后臺可以根據(jù)作業(yè)人員的初始位置和行進速度推算其狀態(tài)信息，取作業(yè)人員的平均走行速度v人=1.5 m/s，則作業(yè)人員的行進時間可表示為

式中：t人為作業(yè)人員的行進時間，s；s為作業(yè)人員的走行距離，m。

在已知車輛溜放股道和人員走行線路的基礎(chǔ)上，通過計算二者到達任一計算點的時間，便可得到溜放車輛和作業(yè)人員的時空運行軌跡。

2.2 潛在沖突點預(yù)判實現(xiàn)

《調(diào)車作業(yè)通知單》規(guī)定了待解車列的溜放股道及作業(yè)起止時間，在已知作業(yè)人員走行路線和出發(fā)時刻的情況下，可以對人車的行進線路進行比對并得出所有交叉點。為了判斷作業(yè)人員和移動車輛的潛在沖突，利用二者的行進軌跡對得出的交叉點作進一步分析。

假設(shè)以某個交叉點上下15 m和左右50 m作為人車沖突的判定區(qū)域，分別計算作業(yè)人員以1.5 m/s和車輛以5 m/s的速度進入和離開該區(qū)域的時刻，當作業(yè)人員與車輛進出判定區(qū)域的時刻存在交集時，表明人與車之間存在潛在的沖突，綜合以上情況，應(yīng)用Python編程實現(xiàn)的安全防護系統(tǒng)預(yù)判界面。沖突預(yù)判原理圖如圖3所示。人車沖突判斷圖如圖4所示。沖突預(yù)判界面示意圖如圖5所示。

圖4 人車沖突判斷圖Fig.4 Operatorand vehicleconflict judgment chart

圖5 沖突預(yù)判界面示意圖Fig.5 Conflict prediction interface

3 人車沖突實時檢測及預(yù)警

3.1 溜放車輛和作業(yè)人員實時位置的確定

在駝峰調(diào)車場中，為了監(jiān)控調(diào)車進路的排列情況，自峰頂平臺至調(diào)車場股道頭部設(shè)有軌道電路，將其定義為有軌電路區(qū)；當車輛在有軌電路區(qū)行進時，可以利用已有的軌道電路采集溜放車輛的實時位置信息，并與之前計算得出的車組溜放位置進行校驗。從調(diào)車場股道頭部至尾部無需進行道岔轉(zhuǎn)換，而且不存在進路鋪排和閉塞分區(qū)設(shè)置，因而在此范圍通常不設(shè)軌道電路，將其定義為計軸設(shè)備區(qū)，系統(tǒng)通過在該區(qū)域增設(shè)計軸設(shè)備來獲取車輛的實時位置信息。車場分界點示意圖如圖6所示。

計軸器通過計取和檢查經(jīng)過計軸點車輛的軸數(shù)來判斷車輛對計軸區(qū)的占用情況，考慮到鐵路貨車具有不同的尺寸參數(shù)，為實現(xiàn)計軸設(shè)備區(qū)車輛的精確定位，確保任意貨車在計軸區(qū)不會陷入相鄰2個計軸點的盲區(qū)，應(yīng)當選取合適的布置間隔。由于敞車的全軸距d1= 11 040 mm，平車的全軸距d2=10 700 mm。因此，計軸設(shè)備的布置間隔為d計軸=min {d1，d2} = 10 700 mm。為了實際布設(shè)的方便，d計軸可取10 m。相對于其他定位技術(shù)而言，采用計軸器實現(xiàn)調(diào)車場股道的車輛定位具有較高的可靠性和獨立性，無需對車輛進行任何改造，可以根據(jù)實際情況改變計軸設(shè)備的布局。

調(diào)車場內(nèi)作業(yè)人員的位置隨著作業(yè)項目的改變而移動，因而需要較為精確的定位方式來獲取人員的實時位置信息。無線局域網(wǎng)容易搭建和管理，應(yīng)用非常普及，方便結(jié)合終端設(shè)備實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位。Wi-Fi三角定位的原理是無線信號在空口傳輸?shù)倪^程中會受到路徑損耗、多徑效應(yīng)等因素的制約發(fā)生信號衰減，而信號的衰減和傳播距離呈一定的線性關(guān)系，由此可以得到終端側(cè)接收功率隨距離變化關(guān)系的信號傳輸損耗模型，進而推斷出終端與AP之間的距離。當3個AP以同樣形式得到3個圓的交點即為終端所在的位置。因此，系統(tǒng)采用基于Wi-Fi的三角定位，通過終端信號設(shè)備實時采集和反饋作業(yè)人員的位置信息。三角定位的原理如圖7所示。

3.2 人車距離實時檢測

在獲得作業(yè)人員和移動車輛的位置后，將人視為圓盤、車視作膠囊進行二者距離的動態(tài)監(jiān)測，利用凸集分離軸定理，圓盤和膠囊惟一的分離軸就是圓心和膠囊線段之間最短距離方向的軸，把人與車的相交問題轉(zhuǎn)化為點與線段間的最短距離問題。人車等效圖如圖8所示。

圖6 車場分界點示意圖Fig.6 Schematic diagram of the demarcation point of the yard

圖7 三角定位原理圖Fig.7 Triangulation positioning schematic

圖9 點與線段求最短距離問題示意圖Fig.9 Schematic diagram of the shortest distance problem between point and line segment

圖8 人車等效圖Fig.8 Human vehicle equivalent diagram

通過判定該距離與安全防護距離的關(guān)系，為人、車的沖突預(yù)警提供依據(jù)。點與線段求最短距離問題示意圖如圖9所示。

設(shè)點(x，y)與線段x0+tu的最短距離為d，計算點(x，y)在x0+tu上的投影為式中：t為點(x，y)在x0+tu上的投影；x為點(x，y)的橫坐標；x0為車輛端點(x0，y0)的橫坐標；u為單位向量。

記t的取值區(qū)間為[0，1]，得到最近點P(X，Y)，用最近點P(X，Y)求最短距離為

式中：d為點和線段之間的最短距離，m。

人車相對位置示意圖如圖10所示。根據(jù)計算分析：當作業(yè)人員處于車輛運行正前方時，為了避免移動車輛對作業(yè)人員的正面沖撞，應(yīng)設(shè)置最大的防護距離d1；當作業(yè)人員位于車輛的垂直方向時，由于移動車輛和作業(yè)人員的目的地不同，因而危險性最小，此時設(shè)置的安全防護距離d2也最小，如圖10a所示；當作業(yè)人員處于股道內(nèi)方且側(cè)向來車時，危險系數(shù)較大，防護范圍也隨之變大，如圖10b所示；當作業(yè)人員位于股道外方時，由于不存在下道的過程，僅因車輛的移動不會危及人員安全，人的防護圈也隨之變小，但相比垂直方向的狀態(tài)，由于移動車輛與作業(yè)人員可能向前方同一點移動，防護范圍也較之偏大，如圖10c所示。

圖10 人車相對位置示意圖Fig.10 Relative position diagram of people and vehicles

圖11 系統(tǒng)工作原理圖Fig.11 System working principle diagram

3.3 作業(yè)人員危險預(yù)警

車站安全防護員通過系統(tǒng)實時監(jiān)控車場內(nèi)人員與車輛的位置及狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員和溜放車輛可能存在沖突時，以人工呼叫的方式對作業(yè)人員進行提醒。系統(tǒng)工作原理圖如圖11所示。沖突預(yù)警示意圖如圖12所示。

圖12 沖突預(yù)警示意圖Fig.12 Conflict warning diagram

系統(tǒng)根據(jù)人車的位置信息進行后續(xù)的邏輯判斷，并自動確定不同的預(yù)警等級。當作業(yè)人員與移動車輛的距離達到一定閾值時系統(tǒng)顯示黃色預(yù)警，同時向作業(yè)人員發(fā)送黃色警告；當作業(yè)人員與移動車輛的距離進一步縮小時，系統(tǒng)顯示紅色預(yù)警，表示作業(yè)人員處于危險狀態(tài)，并同時向作業(yè)人員發(fā)送紅色警告。

4 結(jié)束語

通過鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)，可以改變目前駝峰調(diào)車場人員安全防護工作人防為主、技防為輔的低效率安全防護模式，對于實現(xiàn)作業(yè)人員安全防護的智能化和精準化具有很強的現(xiàn)實意義。鐵路駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)設(shè)計，給出了新型駝峰調(diào)車場作業(yè)人員安全防護系統(tǒng)的解決方案。同時，該系統(tǒng)可以與編組站自動化系統(tǒng)相結(jié)合，實時監(jiān)控車場內(nèi)人與車的位置，實現(xiàn)駝峰調(diào)車作業(yè)的可視和可控，有助于提升鐵路場站作業(yè)安全防護的智能化水平。