孟甲元

隨著國鐵集團(tuán)對無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱“STP”）設(shè)備專項整治行動的開展,STP在全路得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。作為重要的調(diào)車作業(yè)技防設(shè)備,STP有效防止了專用調(diào)車機(jī)調(diào)車作業(yè)過程中“擠道岔”“沖撞土擋”“脫線”等事故的發(fā)生,在保障調(diào)車作業(yè)安全的同時,有效提高了站場整體作業(yè)效率。以2017年全路行車安全一般D類事故統(tǒng)計（共計150件）為例,所發(fā)生的調(diào)車作業(yè)事故（30件）均為本務(wù)機(jī)車調(diào)車或未配備STP的專用調(diào)車機(jī)調(diào)車所導(dǎo)致,未發(fā)生配備STP的專用調(diào)車機(jī)調(diào)車作業(yè)責(zé)任事故。

由車載設(shè)備和地面設(shè)備組成的STP,車地間通過無線通信方式完成調(diào)車機(jī)車信號、行車許可、機(jī)車工況、命令執(zhí)行結(jié)果、站場顯示和調(diào)車作業(yè)通知單等信息的交互。既有無線通信采用數(shù)傳電臺或GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),除太原局集團(tuán)有限公司和上海局集團(tuán)有限公司部分車站應(yīng)用的STP采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車地通信外,全路絕大部分車站應(yīng)用的STP仍基于數(shù)傳電臺（主要采用450 MHz、400 MHz、230 MHz、160 MHz、150 MHz等頻段）進(jìn)行車地?zé)o線通信［1］。隨著國家對5G建設(shè)工作的全面推進(jìn),5G-R在鐵路上的應(yīng)用也逐漸開展。作為鐵路運(yùn)輸過程的重要組成部分,調(diào)車作業(yè)的安全直接關(guān)系車站整體運(yùn)輸安全,因此研究5G在調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用顯得尤為重要。本文正是基于此目的研究基于5G網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)方案。

1 STP通信及調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)現(xiàn)狀分析

1.1 既有STP通信現(xiàn)狀分析

1）STP基于數(shù)傳電臺傳輸技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線通信,具有控制簡單、通信延遲小、實(shí)時性高、便于自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但也存在以下缺點(diǎn):天線安裝施工量較大,且對雷電防護(hù)要求較高；傳輸距離受環(huán)境的影響較大,工作頻段易受非法信號干擾；半雙工通信機(jī)制,單一地面設(shè)備同時控車數(shù)量相對有限。

2）STP基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線通信,具有可靠性高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)。GSM-R基站的天線較高,其覆蓋的范圍廣,不易受干擾,且有完備的防雷設(shè)施［2］。另外GSM-R系統(tǒng)電路交換數(shù)據(jù)模式采用點(diǎn)對點(diǎn)的全雙工通信,STP的車地間通信不需要采用效率較低的輪詢方式。但與數(shù)傳電臺相比,GSM-R傳輸速率偏低,且目前普速車站GSM-R承載業(yè)務(wù)趨于飽和,沒有額外的通信資源用于STP,甚至部分車站沒有GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋。此外,自2025年起,G網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商將停止對GSM-R設(shè)備的升級和技術(shù)支持［3］。因此,STP基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)尚難以在全路推廣應(yīng)用。

3）2017年,中國鐵路總公司發(fā)布《鐵路站場寬帶無線接入系統(tǒng)總體技術(shù)要求（暫行）》（鐵總運(yùn)〔2017〕48號）［4］后,鄭州局鄭州北站、南寧局南寧南站、哈爾濱局哈爾濱南站等陸續(xù)進(jìn)行了基于1 800 MHz頻段LTE寬帶集群的寬帶無線接入系統(tǒng)的試點(diǎn)應(yīng)用,主要用于車務(wù)應(yīng)急指揮、貨檢、語音通話等業(yè)務(wù),未見STP或其他調(diào)車作業(yè)技防設(shè)備接入相應(yīng)LTE網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的報道,且寬帶無線接入系統(tǒng)建設(shè)需綜合考慮投資、運(yùn)營、管理、維護(hù)等多方面因素,尚未在全路推廣建設(shè),STP基于LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)也尚未得到廣泛應(yīng)用。

此外,除了基于數(shù)傳電臺、GSM-R網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)完成調(diào)車技防設(shè)備車地通信外,部分調(diào)車作業(yè)技防設(shè)備采取其他無線通信技術(shù)完成車地通信,如自建WiFi,相對來說站場需要布置較多無線接入點(diǎn),建設(shè)成本和維護(hù)成本均較高；采用公網(wǎng)4G,受到移動基站覆蓋、峰值網(wǎng)速受限、網(wǎng)絡(luò)信息安全等限制,均未在全路大范圍推廣應(yīng)用。

1.2 既有調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)現(xiàn)狀分析

1）基于STP的調(diào)車作業(yè)防護(hù)現(xiàn)狀。STP控制范圍為車站平面調(diào)車作業(yè)的集中聯(lián)鎖控制區(qū),適用于進(jìn)行平面調(diào)車作業(yè)的機(jī)車。在正常調(diào)車監(jiān)控條件下,按照《列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）控制模式設(shè)定規(guī)范》設(shè)定的條件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能［5?6］。STP有效保證了站場集中區(qū)內(nèi)進(jìn)行平面調(diào)車作業(yè)的機(jī)車調(diào)車作業(yè)安全,但仍存在如下問題［7］:初次進(jìn)入存車線,無法對存車線內(nèi)存留車進(jìn)行防護(hù)；單一地面控制區(qū)域內(nèi)同時作業(yè)機(jī)車較多時,控車效率會下降。

2）其他調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)現(xiàn)狀。在全路8 000多個車站中,仍有超過一半的中間站、專用線、段管線等存在大量無信號聯(lián)鎖的非集中區(qū)。非集中區(qū)往往具有線路多、環(huán)境復(fù)雜、調(diào)動車型復(fù)雜、進(jìn)路準(zhǔn)備繁瑣、盡頭式推進(jìn)調(diào)車等特點(diǎn),調(diào)車機(jī)車在該區(qū)域內(nèi)的調(diào)車作業(yè)完全依靠人控,缺乏有效的技術(shù)、設(shè)備保障安全。調(diào)車作業(yè)過程中擠道岔、沖撞土擋、撞壞大門等事故時有發(fā)生,嚴(yán)重時直接威脅作業(yè)人員生命安全［8?9］。此外,全路20 000多臺本務(wù)機(jī)車和10 000多臺自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備（軌道車）在站場內(nèi)進(jìn)行調(diào)車作業(yè)時,也缺乏行之有效的調(diào)車作業(yè)防護(hù)設(shè)備,也是導(dǎo)致本務(wù)機(jī)和軌道車調(diào)車作業(yè)冒進(jìn)信號、越出站界、沖撞土擋等事故頻發(fā)的原因［10］。

2 基于5G通信的調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)

2020年03月24日,工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》（工信部通信〔2020〕49號）,全力推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、應(yīng)用推廣、技術(shù)發(fā)展和安全保障,充分發(fā)揮5G新型基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模效應(yīng)和帶動作用,支撐經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展,將進(jìn)一步推動5G實(shí)現(xiàn)建設(shè)好、應(yīng)用好、發(fā)展好的良好生態(tài)。十四五期間,中國鐵路通信發(fā)展有3個重要方向:一是以5G技術(shù)為引領(lǐng),全面推進(jìn)鐵路通信技術(shù)換代升級；二是聚焦關(guān)鍵業(yè)務(wù)和應(yīng)用,深化鐵路5G專網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究；三是統(tǒng)籌5G專網(wǎng)建設(shè)和信息化應(yīng)用。

2.1 安全防護(hù)技術(shù)分析

作為當(dāng)前世界最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)之一,相比較4G通信技術(shù)而言,5G通信具有大帶寬、高速率、大容量、低時延等優(yōu)點(diǎn)?；?G的車地通信不僅只是通信速率、通信帶寬的提升,更多的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)落腳于對既有調(diào)車防護(hù)技術(shù)控制架構(gòu)的優(yōu)化,以及對既有車地通信技術(shù)不足的彌補(bǔ),而不是簡單將車地通信技術(shù)升級為5G通信技術(shù)而已。針對5G通信技術(shù)特點(diǎn),基于5G通信技術(shù)的調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)的提升主要在如下幾個方面［11］。

2.1.1 大帶寬、高速率

理論上講,5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率是4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的近百倍,傳輸速率的提升將大大縮短數(shù)據(jù)傳輸過程所需的時間,而傳輸穩(wěn)定性的提高將使設(shè)備對工作環(huán)境的復(fù)雜場景適應(yīng)性明顯加強(qiáng)?；?G網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)對既有調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)提升體現(xiàn)在以下方面。

1）優(yōu)化并提升系統(tǒng)控車邏輯。受限于數(shù)傳電臺的半雙工機(jī)制,為保證對控制范圍內(nèi)的多臺調(diào)車機(jī)的同時控制和車地信號應(yīng)變時間符合要求,既有STP采取周期性輪詢機(jī)制,由地面控制設(shè)備控制輪詢周期,具體輪詢過程見圖1。一般情況下,單一地面控制中心同時控制的入網(wǎng)機(jī)車數(shù)目不超過5臺,如果出現(xiàn)多臺本務(wù)機(jī)車和軌道車在該區(qū)域同時作業(yè)時,系統(tǒng)控制效率將明顯下降?；?G網(wǎng)絡(luò)通信后,STP整體控車邏輯將由半雙工輪詢機(jī)制升級為實(shí)時全雙工機(jī)制,控車邏輯的改變將使控車效率得到明顯提升,同一控制區(qū)域同時受控的作業(yè)機(jī)車數(shù)量將完全滿足站場內(nèi)調(diào)車作業(yè)防護(hù)需求。

圖1 基于數(shù)傳電臺通信時的STP輪詢發(fā)送過程

2）優(yōu)化并提升系統(tǒng)安全邏輯。受限于數(shù)傳電臺傳輸速率和通信延遲,在確保安全的前提下,為保證車地通信的實(shí)時性,既有STP將車地通信數(shù)據(jù)盡可能壓縮處理以減少通信數(shù)據(jù)量?；?G網(wǎng)絡(luò)通信后,STP通信數(shù)據(jù)碼距可明顯加長,車地通信數(shù)據(jù)抗干擾能力加強(qiáng),數(shù)據(jù)安全性更有保障。以信號機(jī)為例,加長碼距后的信號機(jī)狀態(tài)定義,可以用4個甚至更長字節(jié)表示單一信號機(jī)不同狀態(tài)信息,與既有STP相比,碼距提高十倍甚至更高,顯著提高傳輸錯誤時的檢錯概率。

此外,既有車地通信顯示數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)傳輸時間縮短后,系統(tǒng)可以增加車地通信信息,并將每個控制周期剩余時間更多用于主備系運(yùn)行比較、系內(nèi)邏輯檢查、雙系信息交互和整體狀態(tài)監(jiān)測等安全相關(guān)內(nèi)容；且可以縮短既有通信周期時間設(shè)置,加快車地數(shù)據(jù)交互頻率,明顯提高系統(tǒng)控車精度和動作響應(yīng)時間。

2.1.2 大容量、低時延

1）填補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集狀態(tài)接入STP聯(lián)控的空白?；?G網(wǎng)絡(luò)通信后,站場大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備（智能鐵鞋、脫軌器、非集中區(qū)道岔狀態(tài)、機(jī)務(wù)段股道自動化設(shè)備狀態(tài)、軌旁設(shè)備狀態(tài)、存車線存留車檢查、作業(yè)人員人身定位等）接入調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)成為可能,通過豐富STP控制信息來源,提高STP在調(diào)車作業(yè)全過程中的控制效率。

2）填補(bǔ)車載和軌旁智能感知設(shè)備信息采集和傳輸?shù)目瞻??；?G網(wǎng)絡(luò)通信后,可通過圖像識別、雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)等智能感知技術(shù),探測車列前方的車輛、人員、脫軌器等障礙物；通過機(jī)器視覺、激光雷達(dá)等,智能感知線路實(shí)時情況,實(shí)時探測存車位置,精確測量對位距離,實(shí)現(xiàn)對存車線內(nèi)存留車作業(yè)的防護(hù)；通過運(yùn)行進(jìn)路上視頻監(jiān)控圖像的實(shí)時傳輸,實(shí)現(xiàn)司乘人員的超視距瞭望和調(diào)度指揮人員的實(shí)時作業(yè)監(jiān)控,為調(diào)車機(jī)車遠(yuǎn)程遙控駕駛和自動駕駛奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 安全防護(hù)技術(shù)架構(gòu)

基于5G通信的調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)采用分層分布式架構(gòu),整體技術(shù)架構(gòu)分為通信控制層、命令執(zhí)行層、狀態(tài)感知層、決策控制層、綜合監(jiān)控層。整體技術(shù)架構(gòu)見圖2。

圖2 整體技術(shù)架構(gòu)

其中,通信控制層控制系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間的通信,移動設(shè)備之間采用5G通信；固定設(shè)備間施工難度較大的,也以5G通信為主,施工難度較小的,以光纖通信為主。命令執(zhí)行層除實(shí)現(xiàn)既有STP監(jiān)控功能外,還包括車列前方超視距瞭望顯示、控車模式曲線動態(tài)運(yùn)算、遠(yuǎn)程駕駛和自動駕駛執(zhí)行結(jié)果實(shí)時反饋等。狀態(tài)感知層包括機(jī)車兩端和作業(yè)車列前端的視頻圖像和雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合計算、站場內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)采集、軌旁感知設(shè)備探測數(shù)據(jù)處理、關(guān)鍵目標(biāo)和障礙智能識別等。決策控制層包括計算機(jī)聯(lián)鎖信息、股道自動化信息、非集中區(qū)信息采集、車列位置實(shí)時追蹤、行車許可自動運(yùn)算、站場感知信息融合處理、作業(yè)人員自動定位等。綜合監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)對站場內(nèi)作業(yè)機(jī)車、作業(yè)人員、物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備實(shí)時位置、運(yùn)行軌跡和工作狀態(tài)的全程監(jiān)控和顯示,以及對相關(guān)監(jiān)控和顯示數(shù)據(jù)的存儲和查詢。

2.3 安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

1）環(huán)境感知:基于圖像及雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合運(yùn)算的行車障礙物識別及測距技術(shù)。車載環(huán)境感知和軌旁環(huán)境感知的結(jié)構(gòu)如圖3所示,通過在機(jī)車兩端、運(yùn)行車列前端和站場軌旁,加裝視頻采集設(shè)備、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等感知設(shè)備,將視頻圖像數(shù)據(jù)和雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理、配準(zhǔn)和融合后,利用深度學(xué)習(xí)算法自動識別作業(yè)車列前方的鐵路軌道、機(jī)車車輛、作業(yè)人員、鐵鞋、動物及其它較大障礙物,并探測車列前端距各障礙物的距離,將識別結(jié)果傳給地面控制設(shè)備和車載控制設(shè)備［12］。環(huán)境感知與障礙物測距見圖4。

圖3 環(huán)境感知結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 車列前方環(huán)境感知與障礙物測距示意圖

2）精準(zhǔn)定位:存車線內(nèi)停留車輛位置定位和站場內(nèi)調(diào)車作業(yè)人員定位技術(shù)。通過在作業(yè)車列前端加裝便攜測距裝置,實(shí)現(xiàn)對車列前方視頻采集、距離探測等。便攜測距裝置利用北斗差分定位、慣性傳感器結(jié)合車載里程計實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,利用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對存車線內(nèi)停留車輛的距離探測。通過加裝便攜測距裝置,調(diào)車作業(yè)人員只需在地面跟車前行,無需攀爬車列隨車走行,既降低了調(diào)車人員的勞動強(qiáng)度,也避免了作業(yè)過程中人員跌落、摔傷等事故發(fā)生。作業(yè)人員手持終端實(shí)時將差分后的北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)通過5G回傳給地面控制中心,并根據(jù)地面控制中心的相應(yīng)指令提示作業(yè)人員。地面控制中心根據(jù)作業(yè)計劃結(jié)合高精度地圖,完成作業(yè)人員作業(yè)電子圍欄規(guī)劃和作業(yè)人員實(shí)時軌跡追蹤和越界提示。停留車輛定位示意圖見圖5。

圖5 存車線停留車輛定位示意圖

3）決策規(guī)劃:調(diào)車作業(yè)行車許可自動計算技術(shù)。地面控制設(shè)備通過站場軌道電路、車載北斗差分定位、慣性傳感器和車載里程計,并結(jié)合進(jìn)路開放條件,實(shí)現(xiàn)對作業(yè)車列和作業(yè)機(jī)車的精準(zhǔn)定位,作業(yè)全程的車列完整性檢查和車列、機(jī)車位置追蹤,自動根據(jù)車列前方調(diào)車信號開放狀態(tài)、關(guān)鍵作業(yè)點(diǎn)（一度停車點(diǎn)、限速道岔、限速區(qū)段、站界、盡頭線等）允許通過或接近信息、感知系統(tǒng)反饋的車列前方車輛及人員等障礙物信息,實(shí)現(xiàn)調(diào)車行車許可融合計算,計算結(jié)果通過5G上傳到車載控制設(shè)備。

4）控制執(zhí)行:綜合了調(diào)車車列及線路參數(shù)計算的機(jī)車控制技術(shù)和運(yùn)行曲線計算技術(shù)。車載控制設(shè)備根據(jù)地面控制設(shè)備計算的行車許可,并結(jié)合行車障礙物識別、車列長度、接風(fēng)管數(shù)量、調(diào)車作業(yè)通知單中的空/重車、車輛類型等信息,綜合計算機(jī)車運(yùn)行曲線,控制機(jī)車牽引電路或制動機(jī)進(jìn)行加速、減速、制動、換向、鳴笛等,以規(guī)劃模式到達(dá)調(diào)車作業(yè)目的地。具體功能包括:根據(jù)前方防護(hù)點(diǎn)類型進(jìn)行速度曲線計算,基于PID機(jī)器改進(jìn)算法進(jìn)行機(jī)車速度控制、單機(jī)連掛速度控制、存車線存留車對標(biāo)停車控制等。

3 結(jié)束語

基于5G通信的調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)技術(shù)可充分發(fā)揮5G技術(shù)優(yōu)點(diǎn),優(yōu)化既有STP車地通信邏輯,彌補(bǔ)既有數(shù)傳電臺半雙工通信缺點(diǎn),填補(bǔ)調(diào)車作業(yè)相關(guān)設(shè)備采集狀態(tài)和智能感知信息與STP聯(lián)控的空白,實(shí)現(xiàn)了對STP控制技術(shù)的整體升級和STP控車效率的明顯提升。系統(tǒng)通過對站場內(nèi)鐵鞋、脫軌器等設(shè)備狀態(tài)、車載和軌旁智能感知設(shè)備感知信息、車列運(yùn)行前方視頻圖像和激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合等信息的引入,促進(jìn)了鐵路站場集中區(qū)、非集中區(qū)和機(jī)務(wù)段內(nèi)進(jìn)行調(diào)車作業(yè)的專用調(diào)車機(jī)、本務(wù)機(jī)和軌道車技防手段升級,為站內(nèi)作業(yè)機(jī)車遠(yuǎn)程駕駛和自動駕駛奠定了技術(shù)基礎(chǔ),明顯降低了司乘人員、調(diào)車人員和指揮人員的勞動強(qiáng)度,也降低了作業(yè)過程發(fā)生人身傷亡事故的可能性,具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。