雷太安，張煒明，刁興龍，徐運杰，王會龍，張飛，彭晨，樊志輝

（1.山東高速軌道交通集團有限公司 益羊鐵路管理處，山東 壽光 262700；2.北京世紀東方智匯科技股份有限公司，北京 102609）

0 引言

我國貨運鐵路在智能化發(fā)展中與互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)、智能控制、自動控制等方面的融合度較低，落后于同行業(yè)高速鐵路、城市軌道交通等運輸方式，存在安全隱患多、運行成本高、運輸效率低、用工數(shù)量多、人工勞動強度大等情況。如何實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析和智能處置判斷，實現(xiàn)列車運行預(yù)警系統(tǒng)，對進一步確保貨運行車安全具有重要意義［1］。

益羊鐵路管理處調(diào)研發(fā)現(xiàn)，線路防護道口、施工作業(yè)人員、巡道工與機車之間相互獨立，且防護以管理手段為主，無法實現(xiàn)列車、地面、人員的信息交互和實時信息獲取。為解決上述問題，在分析我國鐵路貨運規(guī)章制度［2-3］的基礎(chǔ)上，基于5G和北斗定位技術(shù)［4-5］，并結(jié)合大數(shù)據(jù)計算技術(shù)，研發(fā)多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)。

1 多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)概述

多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)通過實時精確采集機車、地面作業(yè)人員的動態(tài)位置信息和道口靜態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機車運行全過程監(jiān)控預(yù)警［6］，提供人員、機車、地面的三方實時通信和監(jiān)控，確保機車平穩(wěn)安全運行，全面提升行車安全水平。

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

行車過程中實時對區(qū)間施工作業(yè)人員、巡道工、道口、過道行人和機動車等進行機車接近預(yù)警，同時當(dāng)施工地點、道口出現(xiàn)障礙發(fā)起報警時及時推送至附近機車和安全預(yù)警接口平臺，實現(xiàn)機車、施工作業(yè)人員、道口、調(diào)度管理之間的多點智聯(lián)［7-8］。系統(tǒng)主要實現(xiàn)目標(biāo)如下：

（1）線路“變量”早知道。人機定位信息全員實時共享，線路運行中的“變量”及時共享，路況協(xié)同通知各單位，隱患早發(fā)現(xiàn)、早處理、早預(yù)防。

（2）溝通交流多通道。在既有作業(yè)閉環(huán)過程中，通信鏈路單一，交流方式被動，交流環(huán)境中斷后危險系數(shù)陡增。系統(tǒng)多通道通信能夠進一步保障作業(yè)安全。

（3）作業(yè)人員勤應(yīng)答。通過監(jiān)控車輛與人員的定位，系統(tǒng)實時判斷人機時空關(guān)系，當(dāng)距離達到一定閾值時，發(fā)送提醒信息給現(xiàn)場作業(yè)人員，作業(yè)人員收到提醒后及時撤離到安全區(qū)域再應(yīng)答，形成安全通路。

（4）一鍵報警全響應(yīng)。作業(yè)隊安全防護員、道口工、巡道工、值班司機遇到特殊緊急情況時，可一鍵報警，將自身安全情況及所處位置風(fēng)險情況告知系統(tǒng)內(nèi)所有人員；如遇特殊情況，可提醒司機減速甚至剎車避讓。

1.2 設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺、安全預(yù)警分析計算平臺、安全預(yù)警接口平臺三大平臺及其子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)設(shè)計方案見圖1。

圖1 多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案

1.2.1 終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺

終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口，包含多個接入服務(wù)單元（或稱為接入子系統(tǒng)）。每個接入單元由內(nèi)部接口和開放接口2個部分組成，再由網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的接入。

針對不同終端設(shè)備類型，通過對接入單元進行二次開發(fā)，主要是開放接口部分開發(fā)，根據(jù)具體接入設(shè)備或服務(wù)的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)接入，然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部接口要求的標(biāo)準數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入和轉(zhuǎn)換，傳入上層平臺。

為保證系統(tǒng)基礎(chǔ)功能正常運轉(zhuǎn)，接入平臺預(yù)先針對手持終端設(shè)備、道口設(shè)備、車載設(shè)備、鐵路道口設(shè)備開發(fā)了對應(yīng)的接入單元。硬件設(shè)備通過北斗實現(xiàn)定位信息的采集上傳，再利用現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)及無線電臺通信構(gòu)建多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)的終端通信網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 安全預(yù)警分析計算平臺

安全預(yù)警分析計算平臺是系統(tǒng)的核心部分，負責(zé)數(shù)據(jù)獲取和大數(shù)據(jù)智能分析。安全預(yù)警分析計算平臺分為數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)、安全預(yù)警分析計算子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)緩存?zhèn)}儲子系統(tǒng)、查詢分析子系統(tǒng)4個部分。

數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)實現(xiàn)與終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺的數(shù)據(jù)對接，獲取數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進行清洗篩選，去除無用、無效數(shù)據(jù)。處理完畢后將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到安全預(yù)警分析計算子系統(tǒng)，然后通過預(yù)警算法根據(jù)配置的預(yù)警條件對線路中行車數(shù)據(jù)、巡道數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等進行分析計算，輸出實時預(yù)警信息到安全預(yù)警接口平臺，提供給接入的上層系統(tǒng)使用。在計算過程中的原始數(shù)據(jù)、關(guān)鍵點數(shù)據(jù)、計算結(jié)果數(shù)據(jù)，將根據(jù)需求通過數(shù)據(jù)緩存?zhèn)}儲子系統(tǒng)進行緩存和持久化，并保證數(shù)據(jù)的一致性。查詢分析子系統(tǒng)可以提供數(shù)據(jù)查詢分析接口服務(wù)。

該平臺通過內(nèi)部4個模塊的協(xié)作運行，實現(xiàn)行車的精確防護預(yù)警，并結(jié)合鐵路運行多部門綜合管理、多方協(xié)作的特點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通與共享，達到精確、全面、可靠的一體化綜合行車安全防護。

1.2.3安全預(yù)警接口平臺

多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)最終以接口的形式對外提供服務(wù)，第三方應(yīng)用可在此基礎(chǔ)上定制化開發(fā)客戶端，形成1個中心、多個終端的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的中心管理，對行車運行過程進行全局掌控。其中，多個終端指終端設(shè)備，終端設(shè)備作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源的同時，也作為系統(tǒng)下發(fā)信息的呈現(xiàn)終端，參與行車中的交互，消費系統(tǒng)中的部分輸出數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)組成與實現(xiàn)

系統(tǒng)分別給機車、道口、作業(yè)班組、巡道人員配置不同的終端，系統(tǒng)組成見圖2，包括軟件服務(wù)平臺和各類硬件設(shè)備，其中軟件服務(wù)平臺指基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺、安全預(yù)警分析計算平臺、安全預(yù)警接口平臺。系統(tǒng)利用北斗定位系統(tǒng)對各預(yù)警對象的位置進行定位；利用5G網(wǎng)絡(luò)，在預(yù)警對象和地面預(yù)警平臺間傳遞位置、身份、速度等信息；結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）線路數(shù)據(jù)庫進行趨勢判斷，生成預(yù)警信息；利用5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給每個需要的預(yù)警對象，實現(xiàn)預(yù)警及報警功能（見圖3）。

圖2 多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)組成

圖3 多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)示意圖

2.1 軟件服務(wù)平臺

安全預(yù)警分析計算平臺是軟件服務(wù)平臺的重要組成部分，是多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)的大腦與核心。終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺將所有機車及接入平臺設(shè)備的實時數(shù)據(jù)（機車屬性信息、設(shè)備位置信息、報警狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)），通過5G網(wǎng)絡(luò)匯聚到安全預(yù)警分析計算平臺，利用機車、人員、地點的位置、屬性信息等，對獲取到的數(shù)據(jù)進行算法研究，并對車、人、地點周邊接近的機車進行智能篩查，篩選出接近機車，最后向人員、地點推送接近預(yù)警信息，對接近機車推送二次防護報警信息，并接收線上作業(yè)人員的預(yù)警確認信息，當(dāng)識別出在預(yù)警范圍內(nèi)作業(yè)人員未做預(yù)警確認，則向車載預(yù)警設(shè)備推送預(yù)警提示。

2.2 預(yù)警終端

當(dāng)作業(yè)人員及道口附近有機車接近時，預(yù)警設(shè)備獲取到機車接近信息，進行語音提示，提醒作業(yè)人員、道口值守人員、過道行人和機動車機車已接近，并要求現(xiàn)場作業(yè)人員對預(yù)警消息進行預(yù)警確認。

施工作業(yè)人員或巡道工攜帶預(yù)警終端在區(qū)間線路作業(yè)時，預(yù)警終端通過5G公網(wǎng)接收接近預(yù)警信息，顯示接近機車的車次、速度、公里標(biāo)以及到達施工地點的距離與歷時，并根據(jù)列車上下行的不同，發(fā)出不同的語音提示區(qū)間線路作業(yè)人員下道避讓，并要求現(xiàn)場作業(yè)人員對預(yù)警消息進行預(yù)警確認。

道口作業(yè)人員攜帶預(yù)警終端在道口進行作業(yè)，預(yù)警終端通過5G公網(wǎng)接收接近預(yù)警信息，顯示接近機車的車次、速度、公里標(biāo)以及到達道口的距離與歷時，并根據(jù)列車上下行的不同，發(fā)出不同的語音提示，道口工進行道口防護及關(guān)閉欄木，并要求現(xiàn)場道口作業(yè)人員對預(yù)警消息進行預(yù)警確認。

當(dāng)出現(xiàn)危及行車安全的情況時，道口值守人員或線上作業(yè)人員可一鍵報警，報警消息將第一時間傳遞給附近運行機車，在車載設(shè)備人機交互界面上將會顯示報警線路的名稱、公里標(biāo)，并進行語音提示，道口報警語音提示為“注意！××××線××××.××公里道口報警，請注意運行”。線上作業(yè)人員報警語音提示為“注意！××××線××××.××公里施工報警，注意運行”［9］。

2.3 車載預(yù)警設(shè)備

車載預(yù)警設(shè)備安裝在機車上，通過5G網(wǎng)絡(luò)接收地面預(yù)警平臺推送的施工防護報警信息、道口障礙報警信息，并發(fā)送包含機車位置、速度的接近預(yù)警信息。車載預(yù)警設(shè)備作為無線列調(diào)電臺的升級產(chǎn)品，是保障行車安全的必配設(shè)備，是實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)、語音傳輸?shù)木C合平臺。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙向預(yù)警確認

從機車距離線上作業(yè)人員5 km處開始，每接近1 km就自動通過預(yù)警終端向作業(yè)人員發(fā)出語音報警，提醒避讓軌道車，確保人身安全。當(dāng)現(xiàn)場作業(yè)人員未進行預(yù)警確認時，系統(tǒng)通過車載預(yù)警設(shè)備提醒司機，播報“注意！前方現(xiàn)場作業(yè)人員未預(yù)警確認，注意運行”［9］。通過車對地、地對車的雙向預(yù)警，實現(xiàn)機車接近預(yù)警信息的人車交互、雙向預(yù)警防護。

3.2 位置糾偏及線路識別

機車運行中存在通信盲區(qū)、衛(wèi)星定位失效或地形復(fù)雜區(qū)域產(chǎn)生多路徑效應(yīng)等問題，各終端設(shè)備上傳的位置信息可能發(fā)生漏報或漂移，導(dǎo)致上報的位置信息并非真實的實時位置，預(yù)警平臺結(jié)合各終端設(shè)備上一次上報的位置信息和速度信息，通過位置糾偏算法［10］，還原機車、人員的實際位置，保證安全防護信息的準確下發(fā)。

機車運行在樞紐區(qū)，存在多條并行鐵路而無法確定機車具體行駛線路的情況，車載預(yù)警終端根據(jù)相關(guān)算法智能判斷出多條運行線路，并在顯示終端上彈出線路選擇框，由司機確定運行線路。

3.3 預(yù)警算法

接近預(yù)警核心算法以空間索引算法GeoHash［11］為實現(xiàn)基礎(chǔ)，在墨卡托坐標(biāo)系下，對地理坐標(biāo)進行編碼，把二維的空間經(jīng)緯度數(shù)據(jù)編碼成1個字符串，每個字符串代表地圖中某個特定區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)所有地理坐標(biāo)都使用該字符串進行表示。字符串越長則定位精度越高，對應(yīng)的地理區(qū)域范圍越小。

對1個地理坐標(biāo)編碼時，按照初始區(qū)間范圍緯度［-90°，90°］和經(jīng)度［-180°，180°］，計算目標(biāo)經(jīng)度和緯度分別落在左區(qū)間還是右區(qū)間。落在左區(qū)間則取0，右區(qū)間則取1。然后，對上一步得到的區(qū)間繼續(xù)按照該方法對半查找，得到下一位二進制編碼。當(dāng)編碼長度達到業(yè)務(wù)的進度需求后，根據(jù)“偶數(shù)位放經(jīng)度，奇數(shù)位放緯度”的規(guī)則，將得到的二進制編碼穿插組合，得到1個新的二進制串。最后，根據(jù)Base32的對照表，將二進制串翻譯成字符串，即得到地理坐標(biāo)對應(yīng)的目標(biāo)GeoHash字符串。

在鐵路運輸行車過程中，通過將機車位置信息編碼，并根據(jù)指定的檢索半徑對檢索范圍內(nèi)的終端設(shè)備獲取檢索結(jié)果，由于GeoHash劃分的區(qū)域為矩形區(qū)域，因此需要分別計算檢索結(jié)果集合中的位置點與機車位置的距離，進行二次范圍判斷，以提高計算的精確度。最后，平臺會根據(jù)不同的預(yù)警距離，將不同級別的預(yù)警信息分發(fā)至相關(guān)設(shè)備進行預(yù)警提示。

4 運用效果

多點智聯(lián)運檢安全預(yù)警系統(tǒng)于2022年2月在益羊鐵路試用，至今運行平穩(wěn)可靠。試用結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取機車、人員、道口的在線狀態(tài)，完成機車、人員及道口的信息互通，實現(xiàn)了機車、施工作業(yè)人員、道口、調(diào)度管理之間的安全預(yù)警信息多點互聯(lián)功能，有效降低了線上作業(yè)安全風(fēng)險、提高了防護工作效率。該系統(tǒng)達成了貨運鐵路“監(jiān)測監(jiān)控智能分析”的愿景，整體提升了山東高速軌道交通集團有限公司貨運鐵路信息化管理水平，為營業(yè)線施工安全提供了堅強的技術(shù)保障。