基于GIS 的企業(yè)專用鐵路生產(chǎn)安全管理系統(tǒng)

吳 峰，許 磊

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司 鐵路運(yùn)輸公司，克拉瑪依 833699）

如何保障運(yùn)輸生產(chǎn)安全是企業(yè)專用鐵路面臨的一個(gè)重要問題。企業(yè)專用鐵路現(xiàn)有的安全管理普遍存在體系不健全，措施缺乏執(zhí)行力，安全檢查工作缺乏持續(xù)性和針對(duì)性，及缺乏有效技術(shù)手段支持等問題[1]。安全管理系統(tǒng)在城軌領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，如城軌交通施工安全監(jiān)控管理信息系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等[2-5]，這些系統(tǒng)均采用地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)與工作流（Workflow）技術(shù)相結(jié)合的方式對(duì)異常監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、安全評(píng)估和安全培訓(xùn)進(jìn)行管理，取得了良好的應(yīng)用效果[6]。此外，在道路交通、礦業(yè)冶金、工程建設(shè)、石油化工等領(lǐng)域也有相關(guān)的安全管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大多側(cè)重于視頻監(jiān)控和Workflow 構(gòu)建，不具備動(dòng)態(tài)信息監(jiān)控和即時(shí)管理的能力。

GIS 是以地理坐標(biāo)為基礎(chǔ)，收集、管理、操作、分析及顯示空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)[7]。本文研發(fā)的企業(yè)專用鐵路生產(chǎn)安全管理系統(tǒng)以GIS 和Workflow 為基礎(chǔ)，從實(shí)際需求出發(fā)，以車列高精度定位為技術(shù)內(nèi)核，以移動(dòng)App 為即時(shí)安全管理工具，將生產(chǎn)監(jiān)控與安全管理深度融合，與聯(lián)鎖、無線調(diào)車機(jī)車信號(hào)（STP）、列車運(yùn)行控制記錄（LKJ）、調(diào)度集中（CTC）、機(jī)車視頻監(jiān)控等系統(tǒng)打通接口，實(shí)現(xiàn)信息共享，發(fā)揮動(dòng)態(tài)監(jiān)控和即時(shí)管理作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)依托于4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)專用局域網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）中心機(jī)房子網(wǎng)：設(shè)有差分機(jī)站接口機(jī)、接口服務(wù)機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web 服務(wù)器。差分接口機(jī)用于接收來自實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK，Real - Time Kinematic）差分基站的校正數(shù)據(jù)；接口服務(wù)機(jī)提供與其他計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)系統(tǒng)的接口服務(wù)；應(yīng)用服務(wù)器與Web 服務(wù)器分別提供后臺(tái)邏輯運(yùn)算和Web 訪問。

（2）辦公局域網(wǎng)：實(shí)時(shí)監(jiān)控終端和設(shè)備維護(hù)終端通過辦公局域網(wǎng)接入系統(tǒng)，用于監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和管理維護(hù)數(shù)據(jù)。應(yīng)用客戶端用于可視化監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)Workflow。

（3）外部網(wǎng)絡(luò)：連接外部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備可通過瀏覽器、移動(dòng)App 的方式訪問系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)桌面客戶端、瀏覽器和移動(dòng)App3種方式的訪問，出于統(tǒng)一性和可維護(hù)考慮，系統(tǒng)采用J2EE 平臺(tái)的SSM（Spring MVC+Spring+MyBatis）框架進(jìn)行開發(fā)，其技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)和技術(shù)框架

（1）數(shù)據(jù)管理層：采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。

（2）數(shù)據(jù)持久層：采用MyBatis 框架，該框架支持定制化SQL、存儲(chǔ)過程及高級(jí)映射，可使用簡(jiǎn)單的XML 或注解配置SQL 語句，實(shí)現(xiàn)程序?qū)ο笈c數(shù)據(jù)庫(kù)的ORM 映射，將系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件解耦，降低軟件的復(fù)雜度，提高軟件的可擴(kuò)展性與可移植性。

（3）業(yè)務(wù)邏輯層：采用Spring 框架，該框架是一個(gè)輕量級(jí)控制反轉(zhuǎn)（IoC）和面向切面（AOP）的容器框架，能夠提供一個(gè)統(tǒng)一、高效地構(gòu)造整個(gè)應(yīng)用的方式。

（4）Web 服務(wù)層：采用Spring MVC 框架。該架構(gòu)是Spring 面向Web 項(xiàng)目開發(fā)的延伸產(chǎn)品，具備高可配置性，是典型的MVC 架構(gòu)解決方案。

（5）表示邏輯層：由于GIS 窗口需要顯示大量動(dòng)、靜元素，通過網(wǎng)頁(yè)訪問較為困難，所以采用符合OGC Web 服務(wù)規(guī)范的開源軟件GeoServer 加以實(shí)現(xiàn)。GeoServer 基于J2EE 開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用Servlet 和Struts 框架，與Spring 框架兼容性高，同時(shí)兼容網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS）和網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（WFS）特性，支持廣泛的GIS 數(shù)據(jù)格式。利用GeoServer 可以方便地發(fā)布地圖數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)交互，允許用戶對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查操作，還可以迅速在用戶之間共享空間地理信息。

（6）用戶層：分為桌面客戶端、瀏覽器和Andriod 移動(dòng)App3 種訪問方式，分別采用WinForm、JSP 和Android Studio 技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，3 種方式使用同一數(shù)據(jù)服務(wù)，但有不同的布局和權(quán)限，其中，基于WinForm 的桌面客戶端具備完整的顯示和操作功能。

2 功能介紹

系統(tǒng)分為動(dòng)態(tài)監(jiān)控、設(shè)備安全管理、安全事件管理、人員管理、安全教育、權(quán)限管理6 個(gè)基本功能模塊，如圖3 所示。動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊是系統(tǒng)的核心。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)控

（1）GIS 動(dòng)態(tài)監(jiān)控：顯示企業(yè)專用鐵路全線平面圖。其中，靜態(tài)元素包括：鐵軌、供電設(shè)施、信號(hào)設(shè)備、土擋、盡頭線、標(biāo)志性建筑等；動(dòng)態(tài)元素包括：機(jī)車、車輛，及調(diào)車計(jì)劃、施工活動(dòng)、裝卸作業(yè)、巡道活動(dòng)等事務(wù)信息和預(yù)警信息。

（2）實(shí)時(shí)車站聯(lián)鎖：展示機(jī)車運(yùn)行軌跡、現(xiàn)車分布、調(diào)車計(jì)劃、貨物裝卸信息，功能界面如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)車站聯(lián)鎖界面

（3）設(shè)備生產(chǎn)安全提示：展示機(jī)車、車輛、道口、道岔、信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段、車號(hào)識(shí)別等設(shè)備的工作狀態(tài)和檢修信息；展示道口報(bào)警、線路天窗、機(jī)車超速、冒進(jìn)、線路施工、用戶發(fā)現(xiàn)并上傳的安全事件文本描述或圖片。

（4）安全活動(dòng)監(jiān)控：用于實(shí)時(shí)監(jiān)控巡道、巡檢人員的活動(dòng)軌跡。

2.2 設(shè)備安全管理

（1）設(shè)備分布圖：包括電務(wù)圖、施工圖、線路圖、隱蔽設(shè)施分布圖、設(shè)備圖、綜合圖等。其中信號(hào)機(jī)、道岔實(shí)物在GIS 地圖中具備真實(shí)坐標(biāo)。

（2）維護(hù)檢修資料：錄入日常檢查檢修工作記錄，通過工作日志自動(dòng)生成周、月匯總，形成單項(xiàng)設(shè)備檢修歷史記錄。

（3）檢修期管理：按照檢修記錄及已錄入的檢修周期，形成檢修周期管理，系統(tǒng)自動(dòng)提示和記錄。

（4）設(shè)備信息維護(hù)：可以對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)信息進(jìn)行修改。

2.3 安全事件管理

該模塊用于處置安全事件。用戶在移動(dòng)App 上用文字描述、位置定位和拍照的方式發(fā)起安全事件并上傳至服務(wù)器。

安全管理員接收移動(dòng)App 上報(bào)的安全事件，按工作流程進(jìn)行跟蹤和處理，處理過程包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、整改和復(fù)查3 個(gè)主要環(huán)節(jié)，具體流程如圖5 所示。

圖5 安全事件處理流程

流程中，整改計(jì)劃的內(nèi)容包括整改人、復(fù)查人以及整改期限，對(duì)逾期未完成的要說明原因。流程結(jié)束后，系統(tǒng)將對(duì)事件發(fā)起人進(jìn)行安全積分結(jié)算，作為激勵(lì)制度的依據(jù)。

2.4 人員管理

該模塊依托于手機(jī)、平板、手環(huán)等智能移動(dòng)終端，包含巡檢任務(wù)上報(bào)、安全事件上報(bào)和安全積分體系3 個(gè)功能模塊。

（1）巡檢任務(wù)上報(bào)：巡檢是專用鐵路安全工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，包括工務(wù)巡道、車務(wù)?；费矙z和電務(wù)檢查。巡檢工作執(zhí)行不到位可能造成安全隱患。系統(tǒng)通過手機(jī)App 定位巡檢人員的行動(dòng)軌跡、巡檢節(jié)點(diǎn)掃碼等技術(shù)措施，確保巡檢工作切實(shí)落地。

（2）安全事件上報(bào)：工作人員在任一時(shí)間、地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)安全隱患均可形成安全事件，上報(bào)系統(tǒng)。

（3）安全積分體系：安全積分是員工對(duì)企業(yè)安全產(chǎn)生貢獻(xiàn)的量化指標(biāo)，基于安全事件上報(bào)的情況，根據(jù)發(fā)起安全事件的價(jià)值和相關(guān)規(guī)則確定分值。

2.5 安全教育

安全教育功能包括安全資料庫(kù)、安全培訓(xùn)、安全考試3 個(gè)功能模塊。

（1）安全資料庫(kù)：數(shù)據(jù)來源主要包括法律法規(guī)、企業(yè)規(guī)章、設(shè)備操作規(guī)程、事故案例、培訓(xùn)資料等。

（2）安全培訓(xùn)：從資料庫(kù)中選擇培訓(xùn)內(nèi)容供培訓(xùn)對(duì)象學(xué)習(xí)。

（3）安全考試：錄入安全考試題目，考察培訓(xùn)對(duì)象學(xué)習(xí)的成果。在實(shí)際應(yīng)用中，用于承包商、外雇員工的安全專題培訓(xùn)和考核。

2.6 權(quán)限管理

該模塊用于系統(tǒng)用戶的身份驗(yàn)證，可進(jìn)行崗位權(quán)限設(shè)置、用戶管理和單位管理，并具備指紋識(shí)別功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 GIS 與聯(lián)鎖映射

（1）繪制GIS 地圖。利用定位儀對(duì)地形進(jìn)行測(cè)繪，得到鐵路沿線的經(jīng)緯點(diǎn)集合，再參考公開的衛(wèi)星圖片描繪站場(chǎng)主要的建筑和地理特征。具體方法為：建立RTK 基站，使用手持或車載定位儀沿每條鐵軌的中線運(yùn)動(dòng)，收集RTK 定位數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Map-GIS、MapInfo 等地圖工具中進(jìn)行連線、繪圖、標(biāo)注，如圖6 所示。

圖6 經(jīng)測(cè)繪和標(biāo)注后站場(chǎng)主要建筑和地理特征示意

（2）建立測(cè)繪線路與聯(lián)鎖區(qū)段的映射關(guān)系。將GIS 線條按軌道區(qū)段（以絕緣節(jié)為界）劃分成GIS 線段，再用軟件拆分成間隔1 m 的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯點(diǎn)集合，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例如表1 所示。

表1 GIS 線段與聯(lián)鎖區(qū)段映射

表1 示例為一段名為GS1 的GIS 線段及其對(duì)應(yīng)的聯(lián)鎖區(qū)段1DG。線段的實(shí)際長(zhǎng)度為56 m，被拆分成56 個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間相隔1 m。表中記錄了每個(gè)點(diǎn)與線段起點(diǎn)、終點(diǎn)的距離，以便判斷該點(diǎn)在區(qū)段中所處位置和比例。

（3）映射關(guān)系建立后，將車載定位單元上傳的定位點(diǎn)與GS1 標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)集進(jìn)行比對(duì)，選取相距最近的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)作為實(shí)際定位點(diǎn)的替代值，轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，填充機(jī)車圖標(biāo)形成動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)顯示。

3.2 車列定位及校正

衛(wèi)星定位受到環(huán)境、天氣和地形條件影響，不可避免會(huì)存在定位漂移的問題，即使是高精度RTK定位在信號(hào)遮擋區(qū)或線路密集區(qū)也容產(chǎn)生較大誤差。機(jī)車定位的準(zhǔn)確度關(guān)系到行車安全，需采取多種定位手段對(duì)衛(wèi)星定位進(jìn)行校正?？捎梅桨赣新?lián)鎖進(jìn)路信息校正和地面信標(biāo)校正。本系統(tǒng)采用在聯(lián)鎖覆蓋區(qū)域運(yùn)用進(jìn)路信息校正技術(shù)，在非聯(lián)鎖區(qū)域的重要地點(diǎn)（道岔、盡頭線、停車點(diǎn)等）加設(shè)地面信標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)定位校正。

僅對(duì)機(jī)車頭進(jìn)行定位并不能滿足安全管理需要，對(duì)車尾和車列所在位置的推算也十分重要，通常情況下，使用沒有嚴(yán)格寫實(shí)的調(diào)車計(jì)劃獲取車輛換長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算有可能產(chǎn)生較大誤差。本文采用從調(diào)車計(jì)劃獲取車輛換長(zhǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算車長(zhǎng)[8]，結(jié)合速度積分車長(zhǎng)算法驗(yàn)證的方案。具體實(shí)現(xiàn)過程為：（1）從鐵路運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)（TMIS）的調(diào)車計(jì)劃中獲取計(jì)劃車數(shù)及各車輛的換長(zhǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出計(jì)劃車長(zhǎng)；（2）根據(jù)速度積分算法得出驗(yàn)算車長(zhǎng)，將兩者進(jìn)行比對(duì)，若相差不超過3 m，則可判定車長(zhǎng)數(shù)據(jù)正確。

速度積分計(jì)算如圖7 所示，其原理為：記錄車列進(jìn)入和出清某一聯(lián)鎖軌道區(qū)段的時(shí)間t0和t1，同時(shí)，采集進(jìn)入和出清的瞬時(shí)速度v0和v1。期間車載終端不斷從車載LKJ 或GYK 系統(tǒng)采集機(jī)車當(dāng)前速度，用速度對(duì)時(shí)間的積分算出總距離，加上車軸到車箱前端的距離，減去軌道區(qū)段A 的長(zhǎng)度，即可得出驗(yàn)算車長(zhǎng)。

4 應(yīng)用情況

企業(yè)專用鐵路生產(chǎn)安全管理系統(tǒng)自2019年4月在獨(dú)山子石化公司上線以來，已經(jīng)采集各類安全事件378 次，有效安全事件86 件，其中，設(shè)備設(shè)施安全隱患34 件，人員不安全行為41 件，其他事件11 件。有效安全事件全部整改到位，并對(duì)發(fā)起人進(jìn)行了相應(yīng)的激勵(lì)。另外，系統(tǒng)對(duì)站場(chǎng)線路、道岔、信號(hào)設(shè)備、機(jī)車等要素均已做到精確定位和展示，發(fā)揮了對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)的監(jiān)督、監(jiān)控作用。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合安全管理理論和企業(yè)專用鐵路實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了適用于企業(yè)專用鐵路的生產(chǎn)安全管理系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)功能和關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)了對(duì)企業(yè)專用鐵路生產(chǎn)安全的管控。目前，除發(fā)揮生產(chǎn)監(jiān)控和安全管理作用外，系統(tǒng)的GIS 信息和車列定位數(shù)據(jù)等信息資源僅用于展示和監(jiān)控，利用不夠充分，下一步將利用此類信息資源，以高可靠性車列定位和無線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，向安全控制領(lǐng)域拓展延伸，開發(fā)行車速度、距離防護(hù)、上道作業(yè)防護(hù)等行車安全控制功能。

圖7 聯(lián)鎖速度積分算法