丁 一

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

近年來，我國鐵路處于快速發(fā)展階段，建設(shè)規(guī)模達到了歷史性的高度[1]，鐵路維修維護工作壓力也日益增加。然而針對室外維護人員安全保障手段發(fā)展卻相對滯后，目前的防護工作依然采用雙防護員管理模式，室內(nèi)防護員通過調(diào)度系統(tǒng)獲知運行中的列車位置，通過對講機或電話通知室外防護員，室外防護員得知列車的大概位置后，憑借經(jīng)驗判斷列車接近的時間，組織現(xiàn)場工作人員收拾工具撤離作業(yè)現(xiàn)場。在這種模式下，如果防護員出現(xiàn)了疏忽，或者用于聯(lián)系的通訊設(shè)備出現(xiàn)故障，室外作業(yè)人員將失去保護[2]，作業(yè)人員可能會無法及時撤離現(xiàn)場，導(dǎo)致傷亡[3]，而這些事故是可以通過使用計算機輔助系統(tǒng)避免的[4]。目前已經(jīng)有多人進行了相關(guān)系統(tǒng)的研究，參考文獻[5]設(shè)計了一種防護燈墻，通過傳感器感知列車，在列車接近時，開啟聲光報警，對列車進行警示。參考文獻[6]設(shè)計了一種施工預(yù)警系統(tǒng)，通過振動傳感器，在列車接近，對室外作業(yè)人員進行聲光提醒。參考文獻[5-6]所述系統(tǒng)均通過防護設(shè)備內(nèi)置的傳感器感知列車接近，感知距離較近，僅能進行列車接近預(yù)警，功能比較單一；參考文獻[7]設(shè)計了一種列車接近預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GPS 獲取室外作業(yè)人員位置，通過調(diào)度系統(tǒng)獲取列車位置，根據(jù)現(xiàn)場天氣及線路狀況，實時計算人、車安全時間，對作業(yè)人員進行預(yù)警。該系統(tǒng)對于安全時間的計算模型過于繁復(fù)，當輸入信息出現(xiàn)偏差時，可能會影響預(yù)警時間的最終計算結(jié)果。參考文獻[8]設(shè)計了一種鐵路施工防護系統(tǒng)，通過防護圍樁、防護員終端定位信息的反饋，當判斷各方均到達指定工作位置時，發(fā)送合規(guī)信息，同意進行室外施工。該系統(tǒng)主要監(jiān)督了作業(yè)的合規(guī)情況，沒有涉及人、車距離的預(yù)警，傳輸通道的保障。鑒于上述情況，本研究進行了一種新型主動預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)，從規(guī)范作業(yè)流程、保留安全空間及貫徹作業(yè)制度三個維度入手，對現(xiàn)場可能出現(xiàn)的安全風險進行監(jiān)控，對現(xiàn)場作業(yè)人員進行全面保護。

1 設(shè)計思想及技術(shù)實現(xiàn)

對多起事故的調(diào)查報告進行分析，導(dǎo)致事故的原因主要有三類[9]：第一類為現(xiàn)場作業(yè)人員無視批復(fù)的作業(yè)時間，在鐵路天窗點外違規(guī)上道作業(yè)；第二類為現(xiàn)場作業(yè)人員所在位置超出申請的作業(yè)范圍，進入了正常運營的股道；第三類為室內(nèi)、室外防護員疏忽大意，或因設(shè)備故障失去聯(lián)系，或者因人為失誤，造成現(xiàn)場人員無法獲知列車接近信息，未能及時撤離現(xiàn)場造成的事故。因此，本研究所述系統(tǒng)，針對上述三類事故原因，從源頭上進行監(jiān)測與防護。

該系統(tǒng)由中心服務(wù)器、車站站機及手持終端組成。車站站機通過聯(lián)鎖系統(tǒng)接口采集進站列車的位置，通過手持終端采集室外作業(yè)人員的位置，通過計算實時比較作業(yè)區(qū)域、列車、人員的相對位置，進行空間上安全保障。通過車站站機與鐵路調(diào)度系統(tǒng)接口，獲取作業(yè)人員人數(shù)、作業(yè)時間及內(nèi)容，以此為依據(jù)對作業(yè)進行記錄和卡控；根據(jù)預(yù)置的規(guī)則對防護人員聯(lián)控行為進行監(jiān)督，進行制度與時間上的安全保障；通過對通信通道的監(jiān)督，對系統(tǒng)出現(xiàn)的異常情況進行報警，適時啟動后備通信模式，確保安全預(yù)警信息順利傳達。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 室內(nèi)設(shè)備

系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備主要包含4 個部分，第一部分是服務(wù)器系統(tǒng)，包含各類服務(wù)器和工作終端，主要實現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)及系統(tǒng)應(yīng)用；第二部分為站場WLAN 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)移動終端及視頻監(jiān)控設(shè)備的接入鑒權(quán)及控制；第三部分為站場廣播系統(tǒng)，作為系統(tǒng)全面失效后的應(yīng)急手段，在車站覆蓋范圍內(nèi)播放應(yīng)急廣播；第四部分為定位增強系統(tǒng)，主要用于提高定位系統(tǒng)精度。各部分主要設(shè)備見表1。

表1 系統(tǒng)設(shè)備類型表

2.2 室外設(shè)備

室外部分主要包括設(shè)備抱桿、差分定位設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、WLAN 網(wǎng)絡(luò)無線AP 及廣播等設(shè)備。抱桿埋設(shè)在車站咽喉區(qū)適當位置，用于安裝差分定位接收機天線、無線AP 天線、廣播揚聲器。差分接收機電源模塊、無線AP 電源模塊、防雷單元等均安裝在軌旁箱盒內(nèi)。專用光纖、供電電纜、廣播電纜等均由信號樓敷設(shè)至軌旁箱盒。

2.3 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中心總機可設(shè)置于電務(wù)調(diào)度中心或鄰近的車站，中心總機與車站站機通過鐵路專用數(shù)據(jù)網(wǎng)或者公網(wǎng)及系統(tǒng)防火墻進行通信[10]。軌旁設(shè)備與車站站機通過光纖、電纜、WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)連接。

3 軟件模塊

本系統(tǒng)軟件基于WEB 的B/S 架構(gòu)，使用了Ext JS 開發(fā)應(yīng)用程序界面[11]。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)方式設(shè)計和開發(fā)，表現(xiàn)層使用MVC 模式設(shè)計，中間層使用組件化設(shè)計實現(xiàn)模塊功能。

3.1 定位監(jiān)測及預(yù)警模塊

該模塊將現(xiàn)場作業(yè)人員、列車、施工區(qū)域的定位信息，以可視化的形式[12]，在各級防護終端、移動終端App 上實時顯示，位置刷新時間不大于3 秒。各級防護員，應(yīng)急指揮員，將根據(jù)定位信息及系統(tǒng)的各類報警內(nèi)容，對現(xiàn)場作業(yè)人員進行指揮。

3.1.1 人員定位

人員定位功能以車站線路平面圖為基礎(chǔ)，通過移動終端獲取作業(yè)人員現(xiàn)場位置及移動軌跡，并回傳服務(wù)器，將人員位置實時反應(yīng)在平面圖中，定位終端采用RTK 技術(shù)，實現(xiàn)分米級定位[13]。車站防護人員根據(jù)調(diào)度命令確定鐵路作業(yè)范圍，設(shè)置防護電子圍欄[14]。獲得作業(yè)授權(quán)的維護人員進入電子圍欄后，系統(tǒng)將對圍欄區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人員進行防護。當人員離開防護電子圍欄保護范圍，侵入鄰線限界時，系統(tǒng)將在車站站機及移動終端APP 中進行報警。

3.1.2 列車接近預(yù)警

列車防護預(yù)警模塊通過聯(lián)鎖系統(tǒng)接口，獲取列車在區(qū)間的運行情況[15]，實時計算列車位置與作業(yè)防護區(qū)域的距離，按照距離遠近向各個終端發(fā)送預(yù)警信息。系統(tǒng)按照“鄰站發(fā)車”“列車接近車站”“列車進站”設(shè)置三個預(yù)警等級，分別使用藍色、黃色及紅色背景發(fā)出信息，提醒各級防護員。當列車進站后，系統(tǒng)將實時計算人員和列車的位置，當小于安全閾值時推送碰撞預(yù)警。列車預(yù)警流程如圖1 所示。預(yù)警通知信息自動發(fā)送至相關(guān)防護終端，各級防護人員根據(jù)預(yù)警信息自行安排合理的避讓時間。為確保人員及時獲知預(yù)警信息，當移動終端App接收到預(yù)警通知時，將以聲音、振動及屏幕閃爍三種方式同時進行提醒，必須通過防護人員手工確認后，方能解除提醒后。當預(yù)警信息達到黃色級別后，若駐站聯(lián)絡(luò)員與現(xiàn)場防護員聯(lián)系因故中斷或者終端的提示信息超時未處理時，系統(tǒng)將自動啟動應(yīng)急后備模式，開啟站場廣播系統(tǒng)，觸發(fā)緊急告警，用廣播呼叫方式指揮現(xiàn)場人員終止作業(yè)、立即撤離避險。

圖1 列車預(yù)警處理流程

3.2 作業(yè)流程監(jiān)控模塊

作業(yè)流程監(jiān)控模塊對室外作業(yè)過程的各個環(huán)節(jié)、對講機聯(lián)控通訊指令等作業(yè)流程相關(guān)信息進行全過程實時監(jiān)測，監(jiān)測信息將實時上傳至智能監(jiān)控防護系統(tǒng)平臺及相關(guān)終端，用于監(jiān)督作業(yè)人員，確保不會違規(guī)進行作業(yè)；監(jiān)督和指揮防護員，確保調(diào)度命令的正確下達。

對于作業(yè)人員，系統(tǒng)對鐵路調(diào)度系統(tǒng)批復(fù)的作業(yè)計劃進行解析，生成作業(yè)步驟及作業(yè)計劃，當計劃作業(yè)時間開始后，系統(tǒng)向移動終端推送作業(yè)信息[16]，作業(yè)人員通過移動終端APP 中作業(yè)模塊進行登記認證，拍照上傳，作為室外作業(yè)開始的依據(jù)，作業(yè)過程中，作業(yè)結(jié)束后，也需要根據(jù)要求，在軟件中進行登記。如作業(yè)人員在計劃時間外進行，系統(tǒng)將進行報警，生成違規(guī)記錄?，F(xiàn)場作業(yè)過程，均通過咽喉區(qū)布設(shè)的視頻監(jiān)控設(shè)備進行全程監(jiān)控及記錄，確?，F(xiàn)場作業(yè)全過程合規(guī)進行。

對于防護人員，系統(tǒng)按照鐵路作業(yè)管理規(guī)范的要求，每3～5 分鐘自動提醒聯(lián)絡(luò)員與現(xiàn)場防護員進行通信[17]，聯(lián)控對講信息將通過錄音模塊記錄，確保聯(lián)控信息按時傳達給現(xiàn)場作業(yè)人員。當聯(lián)控信息缺失時，系統(tǒng)能及時進行預(yù)警，并自動向聯(lián)絡(luò)員與現(xiàn)場防護員發(fā)送提醒信息，要求采取相應(yīng)的應(yīng)急糾錯措施。

3.3 遠程廣播指揮

廣播指揮是系統(tǒng)的后備安全手段[18]，當所有通信中斷而無法聯(lián)系時，系統(tǒng)將自動開啟廣播，向作業(yè)范圍廣播應(yīng)急信息，要求所有作業(yè)人員進行避險。系統(tǒng)采用HTML5 Web Audio API 和WebRTC實現(xiàn)音頻的采集和傳輸[19]，能夠適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。室外采用定向揚聲器，可以確保車站作業(yè)范圍均能聽見清晰的指令。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)研發(fā)完成后進行了模擬測試，根據(jù)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題，模擬了三個場景，分別為人員違規(guī)、列車接近、設(shè)備故障。

4.1 人員違規(guī)場景模擬

該測試模擬三類人員違規(guī)場景:

（1）人員違規(guī)上道作業(yè)。測試維護人員在作業(yè)計劃以外時間，私自上道作業(yè)的情況。測試時，室內(nèi)防護員終端軟件處于待機狀態(tài)，關(guān)閉移動終端定位功能，利用模擬GPS 軟件，向App 提供持續(xù)的模擬定位信息，模擬作業(yè)人員的走行軌跡。當模擬的定位信號進入車站股道范圍內(nèi)時，值班員終端及移動終端均進行報警。

（2）人員離開電子圍欄。測試正常作業(yè)過程中，維護人員無意中離開作業(yè)范圍進入危險區(qū)的情況。測試時，室內(nèi)防護員終端軟件處于防護狀態(tài)，此時關(guān)閉移動終端定位功能，利用GPS 模擬軟件，向App提供持續(xù)的模擬定位信息，模擬作業(yè)人員進入工作電子圍欄區(qū)域后進行施工的過程，然后模擬人員離開圍欄邊界，進入相鄰線路。當模擬的定位信號離開電子圍欄保護范圍時，防護員終端及移動終端均進行報警。

（3）防護員超過3 分鐘未進行聯(lián)控通話。模擬室內(nèi)外值班人員未執(zhí)行規(guī)定，在3 分鐘的周期內(nèi)沒有進行溝通的情況。測試時，室內(nèi)防護員終端軟件處于防護狀態(tài)，使用對講機進行通話，進行兩次正常通信后，停止通信。在第二次通信后3 分鐘左右的時間，系統(tǒng)進行了聯(lián)控信息缺失報警。

4.2 列車接近場景

該測試模擬列車接近場景，用于測試聯(lián)鎖接口信息的獲取狀況。測試時，按照列車從臨站開出駛?cè)氡菊镜倪^程，編制了模擬測試序列。再將序列按照接口規(guī)范翻譯成二進制代碼，并使用模擬程序，通過485 接口將信號按規(guī)定的周期，輸入本系統(tǒng)。當模擬列車從臨站開出，系統(tǒng)進行了藍色預(yù)警；模擬列車進入本站接近區(qū)段，系統(tǒng)進行了黃色預(yù)警；模擬列車進入進站信號機時，系統(tǒng)進行了紅色預(yù)警。

4.3 設(shè)備故障場景

此項測試分為如下內(nèi)容：

（1）移動終端故障；（2）移動終端網(wǎng)絡(luò)中斷<3 分鐘；（3）室內(nèi)主機故障；（4）室內(nèi)主機網(wǎng)絡(luò)中斷<3 分鐘。

測試時，用移除設(shè)備電源的方式模擬設(shè)備故障，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)功能、移除網(wǎng)線的方式模擬網(wǎng)絡(luò)故障。當網(wǎng)絡(luò)中斷時，室內(nèi)防護員終端及室外移動終端均能及時進行報警,在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后能及時更新信息繼續(xù)工作；當室內(nèi)主機故障時，室外移動終端將進行報警，如果在3 分鐘后未恢復(fù)通信，移動終端App 將通知室外防護員，進行人員的強制撤離。當室外終端故障時，室內(nèi)終端將進行報警，在3 分鐘后如果未恢復(fù)通信，則在提示室內(nèi)值班員的同時，開啟站場應(yīng)急廣播。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用了多個維度的防護功能，在出現(xiàn)人為失誤、作業(yè)人員處于危險區(qū)域、設(shè)備故障等一系列意外因素的情況下，均能對室外作業(yè)人員進行安全防護。系統(tǒng)通過對聯(lián)控指令、作業(yè)過程等信息的全面記錄，反推強化作業(yè)人員對規(guī)范的執(zhí)行力。系統(tǒng)的可追溯性，明確了責任的劃分，出現(xiàn)事故后，能及時進行回溯，查找問題的根源。經(jīng)過模擬實驗，系統(tǒng)可以在常見場景中消除人為因素導(dǎo)致的安全隱患，提高現(xiàn)場作業(yè)人員的作業(yè)安全系數(shù)，降低人身傷亡事件發(fā)生概率。下一步將進行現(xiàn)場試驗，在不同的溫濕度下，進一步測試強電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性，系統(tǒng)功能有待在使用中繼續(xù)完善與升級。