鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

孫國(guó)鋒，田志強(qiáng)，馬亞雯，景 云，吳文娟

（1. 蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

1 鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)分析

1.1 研究現(xiàn)狀

鐵路編組站素有“貨物列車(chē)制造工廠”之稱(chēng)，主要進(jìn)行各種貨物列車(chē)的解體和編組作業(yè)。調(diào)車(chē)駝峰是編組站的核心設(shè)備，駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)有大量的車(chē)列解體，具有作業(yè)流程復(fù)雜、車(chē)流密度大、溜放速度快、車(chē)場(chǎng)股道多、區(qū)域跨度大、車(chē)場(chǎng)內(nèi)人車(chē)等機(jī)具多的特點(diǎn)。在車(chē)輛溜放的同時(shí)，車(chē)場(chǎng)內(nèi)的各類(lèi)作業(yè)人員不可避免的在各個(gè)作業(yè)地點(diǎn)間行走移動(dòng)，無(wú)法確保其人身絕對(duì)安全。

鐵路調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)安全一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，學(xué)者們從不同角度對(duì)車(chē)站調(diào)車(chē)作業(yè)安全進(jìn)行了研究。其中，張琢[1]以沈陽(yáng)鐵路局的調(diào)車(chē)作業(yè)事故為分析基礎(chǔ)，提出健全管理體系、強(qiáng)化業(yè)務(wù)培訓(xùn)、控制作業(yè)過(guò)程、更新調(diào)車(chē)設(shè)備、改善作業(yè)環(huán)境等控制鐵路調(diào)車(chē)作業(yè)安全的建設(shè)及措施；史宏等[2]設(shè)計(jì)了新型鐵路智能電子警沖標(biāo)，可以有效警示越標(biāo)停車(chē)，為保障鐵路行車(chē)安全提供有效的技術(shù)手段；施衛(wèi)忠等[3]對(duì)于重載條件下編組站駝峰制動(dòng)能力不足，導(dǎo)致駝峰的效率和安全性降低的問(wèn)題，提出了2個(gè)駝峰改造方案；苗長(zhǎng)俊[4]設(shè)計(jì)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(tái)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)安全報(bào)警信息和安全檢查信息處置，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警分析和輔助決策技術(shù)；王修志[6]針對(duì)駝峰調(diào)車(chē)作業(yè)中存在的安全隱患問(wèn)題，提出了對(duì)駝峰調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造和調(diào)整車(chē)場(chǎng)縱斷面等解決駝峰調(diào)車(chē)的安全問(wèn)題；樊國(guó)智[7]研究提出鐵路數(shù)字化人身安全防護(hù)語(yǔ)音提示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)功能，為提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全系數(shù)提供了技術(shù)保障；羅萬(wàn)軍[8]研究了推送調(diào)車(chē)作業(yè)智能領(lǐng)車(chē)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)推送調(diào)車(chē)作業(yè)無(wú)人領(lǐng)車(chē)，有助于從根源上消除調(diào)車(chē)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(chē)作業(yè)的安全，但仍然無(wú)法對(duì)作業(yè)人員的人身安全進(jìn)行有效的防護(hù)，因而應(yīng)加強(qiáng)鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)研究。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

為了有效防護(hù)鐵路調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)的作業(yè)人員安全，其核心問(wèn)題是確定作業(yè)人員和溜放車(chē)輛實(shí)時(shí)位置以及判斷二者的位置關(guān)系，因而以解決這兩個(gè)問(wèn)題為入手點(diǎn)，以駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)的解體調(diào)車(chē)作業(yè)為研究對(duì)象，進(jìn)行鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)是指在帶有駝峰調(diào)車(chē)設(shè)備的編組站上，為防止車(chē)場(chǎng)內(nèi)各個(gè)工作地點(diǎn)間行走移動(dòng)的工作人員(連結(jié)員、制動(dòng)員等)因駝峰溜放車(chē)輛受到生命威脅而設(shè)計(jì)的有效防護(hù)系統(tǒng)。鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)主要采用軌道電路設(shè)備、計(jì)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(guò)獲取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的車(chē)輛及人員信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)車(chē)輛和作業(yè)人員潛在沖突的預(yù)判、實(shí)時(shí)沖突的檢測(cè)和語(yǔ)音報(bào)警提示等功能，從而對(duì)調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)作業(yè)人員的人身安全進(jìn)行有效防護(hù)。鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)主要分為以下2部分。

圖1 鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System design structureof safety protection system for railway hump yard operators

（1）基于人車(chē)運(yùn)行軌跡的潛在沖突點(diǎn)預(yù)判。根據(jù)調(diào)車(chē)作業(yè)計(jì)劃指定的車(chē)輛溜放股道和系統(tǒng)為車(chē)場(chǎng)內(nèi)作業(yè)人員選定的走行路線，初步判斷人車(chē)的交叉點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合車(chē)輛的移動(dòng)速度和人員的走行速度確定其相應(yīng)的運(yùn)行軌跡，從而獲得二者到達(dá)交叉點(diǎn)前后特定區(qū)域的時(shí)間段，進(jìn)而根據(jù)2個(gè)時(shí)間段的重疊關(guān)系判斷該交叉點(diǎn)是否為潛在沖突點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)的機(jī)車(chē)、車(chē)輛與作業(yè)人員運(yùn)行軌跡潛在沖突的預(yù)判。

（2）人車(chē)沖突實(shí)時(shí)檢測(cè)及預(yù)警。首先通過(guò)車(chē)場(chǎng)內(nèi)原有的軌道電路和增設(shè)的計(jì)軸設(shè)備獲取車(chē)輛的實(shí)時(shí)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(chē)場(chǎng)內(nèi)的信號(hào)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(zhǔn)位置，其次考慮作業(yè)人員和溜放車(chē)組的尺寸參數(shù)，利用凸集分離軸定理實(shí)現(xiàn)人車(chē)的等效變換（如將人看成圓盤(pán)，將車(chē)組看成橢圓或膠囊），最后按照變換后的尺寸參數(shù)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)溜放車(chē)組和作業(yè)人員的實(shí)時(shí)距離，并根據(jù)二者的相對(duì)狀態(tài)確定預(yù)警等級(jí)，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行沖突預(yù)警和防護(hù)。

2 基于人車(chē)運(yùn)行軌跡的潛在沖突點(diǎn)預(yù)判

2.1 溜放車(chē)輛及作業(yè)人員的運(yùn)行軌跡確定

車(chē)輛溜放過(guò)程遵循能量守恒定律[9]，雖然難、易行車(chē)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(chē)輛溜放需兼顧難行車(chē)和易行車(chē)，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(chē)輛溜放到任意一點(diǎn)K時(shí)的速度可以表示為

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

由能量守恒定律可得

式中：hv0為車(chē)輛在峰頂時(shí)的動(dòng)能高，m；H為A與B的高差，m；Hvk為車(chē)輛在任意點(diǎn)K時(shí)的動(dòng)能高，m；Hk為車(chē)輛在任意點(diǎn)K時(shí)的能高，即K與B的高差，m；Hwk為車(chē)輛在任意點(diǎn)K的阻力高，m。

由于駝峰的縱斷面是確定的，因而每一制動(dòng)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(diǎn)的能高Hk，從而得出車(chē)輛由峰頂溜至任意計(jì)算點(diǎn)的長(zhǎng)度L和速度v車(chē)。車(chē)輛溜放單位總阻力由溜放車(chē)輛的類(lèi)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(tái)的顯示屏上讀出，則車(chē)輛由峰頂溜至任一計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間可表示為

式中：t車(chē)為車(chē)輛由峰頂溜至任一計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間，s。

為了駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)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(shí)間，后臺(tái)可以根據(jù)作業(yè)人員的初始位置和行進(jìn)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(jìn)時(shí)間可表示為

式中：t人為作業(yè)人員的行進(jìn)時(shí)間，s；s為作業(yè)人員的走行距離，m。

在已知車(chē)輛溜放股道和人員走行線路的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算二者到達(dá)任一計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間，便可得到溜放車(chē)輛和作業(yè)人員的時(shí)空運(yùn)行軌跡。

2.2 潛在沖突點(diǎn)預(yù)判實(shí)現(xiàn)

《調(diào)車(chē)作業(yè)通知單》規(guī)定了待解車(chē)列的溜放股道及作業(yè)起止時(shí)間，在已知作業(yè)人員走行路線和出發(fā)時(shí)刻的情況下，可以對(duì)人車(chē)的行進(jìn)線路進(jìn)行比對(duì)并得出所有交叉點(diǎn)。為了判斷作業(yè)人員和移動(dòng)車(chē)輛的潛在沖突，利用二者的行進(jìn)軌跡對(duì)得出的交叉點(diǎn)作進(jìn)一步分析。

假設(shè)以某個(gè)交叉點(diǎn)上下15 m和左右50 m作為人車(chē)沖突的判定區(qū)域，分別計(jì)算作業(yè)人員以1.5 m/s和車(chē)輛以5 m/s的速度進(jìn)入和離開(kāi)該區(qū)域的時(shí)刻，當(dāng)作業(yè)人員與車(chē)輛進(jìn)出判定區(qū)域的時(shí)刻存在交集時(shí)，表明人與車(chē)之間存在潛在的沖突，綜合以上情況，應(yīng)用Python編程實(shí)現(xiàn)的安全防護(hù)系統(tǒng)預(yù)判界面。沖突預(yù)判原理圖如圖3所示。人車(chē)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(chē)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(chē)沖突實(shí)時(shí)檢測(cè)及預(yù)警

3.1 溜放車(chē)輛和作業(yè)人員實(shí)時(shí)位置的確定

在駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)中，為了監(jiān)控調(diào)車(chē)進(jìn)路的排列情況，自峰頂平臺(tái)至調(diào)車(chē)場(chǎng)股道頭部設(shè)有軌道電路，將其定義為有軌電路區(qū)；當(dāng)車(chē)輛在有軌電路區(qū)行進(jìn)時(shí)，可以利用已有的軌道電路采集溜放車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置信息，并與之前計(jì)算得出的車(chē)組溜放位置進(jìn)行校驗(yàn)。從調(diào)車(chē)場(chǎng)股道頭部至尾部無(wú)需進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換，而且不存在進(jìn)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(jì)軸設(shè)備區(qū)，系統(tǒng)通過(guò)在該區(qū)域增設(shè)計(jì)軸設(shè)備來(lái)獲取車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置信息。車(chē)場(chǎng)分界點(diǎn)示意圖如圖6所示。

計(jì)軸器通過(guò)計(jì)取和檢查經(jīng)過(guò)計(jì)軸點(diǎn)車(chē)輛的軸數(shù)來(lái)判斷車(chē)輛對(duì)計(jì)軸區(qū)的占用情況，考慮到鐵路貨車(chē)具有不同的尺寸參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)計(jì)軸設(shè)備區(qū)車(chē)輛的精確定位，確保任意貨車(chē)在計(jì)軸區(qū)不會(huì)陷入相鄰2個(gè)計(jì)軸點(diǎn)的盲區(qū)，應(yīng)當(dāng)選取合適的布置間隔。由于敞車(chē)的全軸距d1= 11 040 mm，平車(chē)的全軸距d2=10 700 mm。因此，計(jì)軸設(shè)備的布置間隔為d計(jì)軸=min {d1，d2} = 10 700 mm。為了實(shí)際布設(shè)的方便，d計(jì)軸可取10 m。相對(duì)于其他定位技術(shù)而言，采用計(jì)軸器實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)場(chǎng)股道的車(chē)輛定位具有較高的可靠性和獨(dú)立性，無(wú)需對(duì)車(chē)輛進(jìn)行任何改造，可以根據(jù)實(shí)際情況改變計(jì)軸設(shè)備的布局。

調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)作業(yè)人員的位置隨著作業(yè)項(xiàng)目的改變而移動(dòng)，因而需要較為精確的定位方式來(lái)獲取人員的實(shí)時(shí)位置信息。無(wú)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位。Wi-Fi三角定位的原理是無(wú)線信號(hào)在空口傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)受到路徑損耗、多徑效應(yīng)等因素的制約發(fā)生信號(hào)衰減，而信號(hào)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(hào)傳輸損耗模型，進(jìn)而推斷出終端與AP之間的距離。當(dāng)3個(gè)AP以同樣形式得到3個(gè)圓的交點(diǎn)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(guò)終端信號(hào)設(shè)備實(shí)時(shí)采集和反饋?zhàn)鳂I(yè)人員的位置信息。三角定位的原理如圖7所示。

3.2 人車(chē)距離實(shí)時(shí)檢測(cè)

在獲得作業(yè)人員和移動(dòng)車(chē)輛的位置后，將人視為圓盤(pán)、車(chē)視作膠囊進(jìn)行二者距離的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，利用凸集分離軸定理，圓盤(pán)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(chē)的相交問(wèn)題轉(zhuǎn)化為點(diǎn)與線段間的最短距離問(wèn)題。人車(chē)等效圖如圖8所示。

圖6 車(chē)場(chǎng)分界點(diǎn)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(diǎn)與線段求最短距離問(wèn)題示意圖Fig.9 Schematic diagram of the shortest distance problem between point and line segment

圖8 人車(chē)等效圖Fig.8 Human vehicle equivalent diagram

通過(guò)判定該距離與安全防護(hù)距離的關(guān)系，為人、車(chē)的沖突預(yù)警提供依據(jù)。點(diǎn)與線段求最短距離問(wèn)題示意圖如圖9所示。

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

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

式中：d為點(diǎn)和線段之間的最短距離，m。

人車(chē)相對(duì)位置示意圖如圖10所示。根據(jù)計(jì)算分析：當(dāng)作業(yè)人員處于車(chē)輛運(yùn)行正前方時(shí)，為了避免移動(dòng)車(chē)輛對(duì)作業(yè)人員的正面沖撞，應(yīng)設(shè)置最大的防護(hù)距離d1；當(dāng)作業(yè)人員位于車(chē)輛的垂直方向時(shí)，由于移動(dòng)車(chē)輛和作業(yè)人員的目的地不同，因而危險(xiǎn)性最小，此時(shí)設(shè)置的安全防護(hù)距離d2也最小，如圖10a所示；當(dāng)作業(yè)人員處于股道內(nèi)方且側(cè)向來(lái)車(chē)時(shí)，危險(xiǎn)系數(shù)較大，防護(hù)范圍也隨之變大，如圖10b所示；當(dāng)作業(yè)人員位于股道外方時(shí)，由于不存在下道的過(guò)程，僅因車(chē)輛的移動(dòng)不會(huì)危及人員安全，人的防護(hù)圈也隨之變小，但相比垂直方向的狀態(tài)，由于移動(dòng)車(chē)輛與作業(yè)人員可能向前方同一點(diǎn)移動(dòng)，防護(hù)范圍也較之偏大，如圖10c所示。

圖10 人車(chē)相對(duì)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(xiǎn)預(yù)警

車(chē)站安全防護(hù)員通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)場(chǎng)內(nèi)人員與車(chē)輛的位置及狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員和溜放車(chē)輛可能存在沖突時(shí)，以人工呼叫的方式對(duì)作業(yè)人員進(jìn)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(chē)的位置信息進(jìn)行后續(xù)的邏輯判斷，并自動(dòng)確定不同的預(yù)警等級(jí)。當(dāng)作業(yè)人員與移動(dòng)車(chē)輛的距離達(dá)到一定閾值時(shí)系統(tǒng)顯示黃色預(yù)警，同時(shí)向作業(yè)人員發(fā)送黃色警告；當(dāng)作業(yè)人員與移動(dòng)車(chē)輛的距離進(jìn)一步縮小時(shí)，系統(tǒng)顯示紅色預(yù)警，表示作業(yè)人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)，并同時(shí)向作業(yè)人員發(fā)送紅色警告。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)，可以改變目前駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)人員安全防護(hù)工作人防為主、技防為輔的低效率安全防護(hù)模式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員安全防護(hù)的智能化和精準(zhǔn)化具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。鐵路駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了新型駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)系統(tǒng)的解決方案。同時(shí)，該系統(tǒng)可以與編組站自動(dòng)化系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)場(chǎng)內(nèi)人與車(chē)的位置，實(shí)現(xiàn)駝峰調(diào)車(chē)作業(yè)的可視和可控，有助于提升鐵路場(chǎng)站作業(yè)安全防護(hù)的智能化水平。