謝博才,楊華昌,馮 軍
(1.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 工電部,北京 100844;2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所,北京 100081)
調(diào)車作業(yè)是鐵路運輸生產(chǎn)重要的組成部分,其安全管理也是影響鐵路運輸安全的重要環(huán)節(jié)。調(diào)車作業(yè)需要車站室內(nèi)外跨部門的多工種人員間密切協(xié)調(diào)配合,具有流程復(fù)雜、點多面廣、易受天氣條件影響等特點[1-2],其主要安全風(fēng)險來源于人員、機(jī)車、車輛等移動因素之間的運行協(xié)調(diào)不暢。在機(jī)車運行控制方面,近年來在全路陸續(xù)裝備的無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)(STP)已經(jīng)實現(xiàn)了防止闖藍(lán)燈、擠道岔、沖撞土擋、越出站界、超速運行等功能[3],在其他方面目前未形成有效的控制措施。為有序控制調(diào)車作業(yè)中移動因素的交互與運行,形成與指揮環(huán)節(jié)的高效溝通,通過對STP系統(tǒng)擴(kuò)充,建立車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng),以實現(xiàn)信息實時共享、運行預(yù)警與控制,防止調(diào)車安全事故發(fā)生。
鐵路車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)對移動因素的有序交互與運行控制,并與指揮環(huán)節(jié)進(jìn)行高效溝通。實現(xiàn)這一目標(biāo)的基本條件是對移動對象的精確定位,并通過高實時性的無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互,通過信息交互計算各移動對象的防護(hù)控制模式,將系統(tǒng)中的各對象動態(tài)信息在指揮環(huán)節(jié)進(jìn)行集中顯示。系統(tǒng)總體方案設(shè)計主要包括以下4個方面。
(1)移動對象精確定位。站場內(nèi)的移動對象包括機(jī)車、車輛、人員等,從安全防護(hù)需求分析,不僅需要精確定位,而且還需要保障定位的實時性。目前符合這一要求且應(yīng)用較為成熟的是衛(wèi)星定位技術(shù)。其中,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要,自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),在安全、自主、兼容等方面的特點適合應(yīng)用于鐵路。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日趨完備,使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心,同時兼容GPS,GLONASS等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),并采用RTK載波相位差分技術(shù)以實現(xiàn)更高精度定位[4-5]。
(2)站內(nèi)實時無線通信。要達(dá)到站場內(nèi)的人員、設(shè)備高效互聯(lián)的目的,需要建立高帶寬、高實時性的無線通信網(wǎng)絡(luò),此外,還應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)安全性及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求?;谝陨弦蛩?,選用鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)(LTE-R)[6],并預(yù)留將來的5G-R接口。依托無線通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信、語音通信、圖像及視頻低時延傳輸?shù)?,為?shù)據(jù)綜合處理及智能分析提供基礎(chǔ)保障[7]。
(3)安全預(yù)警及防護(hù)。對站內(nèi)調(diào)車作業(yè)涉及的人員、機(jī)車、車輛等移動對象的位置及狀態(tài)信息進(jìn)行綜合處理,智能識別相機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)的探測數(shù)據(jù),計算移動對象之間、移動對象與防護(hù)關(guān)鍵點(包括信號機(jī)、道岔、盡頭線土擋、站界等)之間的相互運動關(guān)系,對達(dá)到相應(yīng)條件的移動對象進(jìn)行預(yù)警和防護(hù)。
(4)信息綜合展示及分析。以圖形化的方式將站內(nèi)人員、機(jī)車、車輛等移動對象的位置及狀態(tài)顯示在站場平面圖中,結(jié)合站內(nèi)信號設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行一體化展示,調(diào)車指揮人員可通過顯示界面對站內(nèi)調(diào)車相關(guān)要素一目了然,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的生產(chǎn)力,提高調(diào)車指揮及作業(yè)效率。對調(diào)車全程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,為分析及改進(jìn)調(diào)車作業(yè)管理提供依據(jù)。
車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)借鑒STP系統(tǒng)架構(gòu)并進(jìn)行了相應(yīng)擴(kuò)展,包括地面設(shè)備、車載設(shè)備、便攜設(shè)備。地面設(shè)備包括地面中心服務(wù)器、衛(wèi)星差分基站、綜合展示大屏等;車載設(shè)備包括車載主機(jī)、組合天線(含衛(wèi)星定位、無線通信天線)等;便攜設(shè)備包括手持終端、便攜測距設(shè)備等。
(1)地面設(shè)備。地面中心服務(wù)器是系統(tǒng)中執(zhí)行對站內(nèi)移動對象實時位置追蹤、計算控制指令的核心設(shè)備。地面中心服務(wù)器與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口,獲取信號、道岔、軌道電路區(qū)段信息,根據(jù)移動對象的位置、狀態(tài)計算其在站場中的調(diào)車進(jìn)路開放信息,通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車載設(shè)備;同時,地面中心服務(wù)器與車站信息系統(tǒng)接口,接收調(diào)車作業(yè)計劃通知單,發(fā)送至機(jī)車進(jìn)行顯示和打印。衛(wèi)星差分基站提供車站內(nèi)的高精度位置修正服務(wù),通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到移動端,移動端同時接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)和差分?jǐn)?shù)據(jù),通過實時解算后,得到高精度的衛(wèi)星定位坐標(biāo)。綜合展示大屏接收地面中心服務(wù)器發(fā)送的站場狀態(tài)、移動對象位置及狀態(tài)信息等,進(jìn)行一體化圖形顯示。
(2)車載設(shè)備。車載主機(jī)與機(jī)車既有的列車運行監(jiān)控裝置(LKJ)連接,獲取機(jī)車的運行方向、工況等信息,通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至地面中心服務(wù)器,同時接收地面中心服務(wù)器的控制指令,經(jīng)校核運算后發(fā)送至LKJ,進(jìn)行站場圖、機(jī)車信號顯示及限速控制。車載主機(jī)內(nèi)置了無線通信模塊和衛(wèi)星定位模塊,通過組合天線接收衛(wèi)星定位信息和無線通信信息。
(3)便攜設(shè)備。手持終端是室外作業(yè)人員隨身攜帶的終端,采集衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、語音通話數(shù)據(jù)、圖像及視頻數(shù)據(jù)等,通過無線與地面中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。便攜測距設(shè)備是一個小型的運行環(huán)境數(shù)據(jù)采集器,由調(diào)車員將其吸附在推進(jìn)車列的車輛前端,探測推進(jìn)前方200 m內(nèi)的圖像、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù),經(jīng)識別處理后無線傳輸至中心服務(wù)器。
車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。
在系統(tǒng)硬件架構(gòu)搭建的基礎(chǔ)上,根據(jù)數(shù)據(jù)流向設(shè)計軟件架構(gòu),管理數(shù)據(jù)安全傳輸及轉(zhuǎn)化融合,實現(xiàn)系統(tǒng)功能。車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)包含數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、邏輯處理層、圖形化展示層。
(1)數(shù)據(jù)采集層。從各終端及外部系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為規(guī)定格式,包括從車站計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采集站場聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)、從各移動對象采集位置和狀態(tài)等移動對象數(shù)據(jù)、從作業(yè)人員采集的語音通話和圖像視頻等人員交互數(shù)據(jù)、從衛(wèi)星差分基站采集定位差分?jǐn)?shù)據(jù)、從便攜測距設(shè)備采集的圖像和雷達(dá)數(shù)據(jù)等,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)。
(2)數(shù)據(jù)傳輸層。對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、加密和優(yōu)先級排序后,通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至下一層。針對不同類型數(shù)據(jù)采用不同的壓縮算法,尤其對動態(tài)視頻數(shù)據(jù)采用流媒體壓縮技術(shù),可以有效降低系統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸任務(wù)量。為保障系統(tǒng)通信的安全性,系統(tǒng)通信協(xié)議采用序列號、時間戳、超時、源和宿標(biāo)識符、反饋報文、認(rèn)證過程、安全編碼、加密等措施,符合開放式傳輸系統(tǒng)中的安全相關(guān)通信要求。數(shù)據(jù)傳輸層還對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸優(yōu)先級排序,保障系統(tǒng)中對控制實時性要求較高的數(shù)據(jù)得到及時傳輸。
圖1 車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of integrated monitoring system for shunting operation
(3)邏輯處理層。綜合處理分析各類數(shù)據(jù),追蹤站場中所有移動對象的位置和運動狀態(tài),判斷可能發(fā)生的安全隱患并發(fā)出相應(yīng)控制指令,并進(jìn)行調(diào)車作業(yè)通知單、施工限制措施等信息處理。邏輯處理層預(yù)先導(dǎo)入鐵路地理信息和站場信號平面圖間已建立映射機(jī)制的綜合站場圖,將各移動對象的衛(wèi)星定位坐標(biāo)經(jīng)卡爾曼濾波處理后,在綜合站場圖中進(jìn)行軌跡匹配,將匹配結(jié)果與機(jī)車速度傳感器采集的機(jī)車相對位移數(shù)據(jù)、站場進(jìn)路與軌道電路狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重校核,實現(xiàn)移動對象追蹤。對處于車列運行前端的便攜式測距設(shè)備采集的圖像、雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行點云融合處理,通過基于深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別出前方運行軌道上的人員或車輛目標(biāo),將目標(biāo)在激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的三維點云數(shù)據(jù)上匹配,計算其準(zhǔn)確距離。根據(jù)站場內(nèi)移動對象的位置和運動狀態(tài),計算防護(hù)模式,對移動對象發(fā)出相應(yīng)控制指令。同時,邏輯處理層也對人員交互信息進(jìn)行點對點、群組等信息流管理。
(4)圖形化展示層。在指揮中心大屏上進(jìn)行站場顯示,并動態(tài)更新從計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采集的站場聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù),在相應(yīng)位置顯示機(jī)車、車列、作業(yè)人員等移動對象圖標(biāo),并將這些移動對象圖標(biāo)以不同顏色、形狀、動畫的方式進(jìn)行區(qū)分,實現(xiàn)位置、狀態(tài)、相對關(guān)系的直觀表達(dá)[8]。對調(diào)車全程重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,對具備相應(yīng)權(quán)限的操作人員提供圖形回放、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析等工具。
車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。
車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過追蹤監(jiān)控、信息共享、一體化展示和分析優(yōu)化實現(xiàn)對站內(nèi)調(diào)車作業(yè)移動對象作業(yè)過程的整體協(xié)調(diào),有序控制移動對象的交互與運行。車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括作業(yè)監(jiān)控、信息管理、綜合圖形化顯示、數(shù)據(jù)管理等4個模塊。作業(yè)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)追蹤和監(jiān)控站內(nèi)移動對象的室外作業(yè);信息管理模塊負(fù)責(zé)管理作業(yè)人員之間的語音通話、圖像及視頻、調(diào)車作業(yè)單等信息共享;綜合圖形化顯示模塊負(fù)責(zé)站場狀態(tài)、移動對象位置及狀態(tài)等綜合信息一體化展示;數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)存儲調(diào)車作業(yè)全程信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息,并可進(jìn)行圖形回放、數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計分析。車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖2 車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of integrated monitoring system for shunting operation
圖3 車站調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Functional structure of integrated monitoring system for shunting operation
作業(yè)監(jiān)控模塊通過從計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取信號、道岔、軌道電路區(qū)段信息,持續(xù)追蹤移動對象在站場內(nèi)的位置和移動狀態(tài),計算移動對象之間及機(jī)車車列對需要防護(hù)的信號機(jī)、道岔、盡頭線土擋、站界等固定目標(biāo)的距離關(guān)系,并發(fā)出相應(yīng)控制指令,指揮機(jī)車以安全的速度行車,或通知作業(yè)人員及時避讓正在接近的機(jī)車車列。在機(jī)車作業(yè)監(jiān)控子模塊中不僅具備STP監(jiān)控功能,還能夠在機(jī)車連掛作業(yè)中自動執(zhí)行連掛限速防護(hù)。調(diào)車員將便攜測距設(shè)備吸附在推進(jìn)車列前端的車輛上,便攜測距設(shè)備通過圖像、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等探測數(shù)據(jù)識別運行線路上的停留車輛,計算出距離,經(jīng)無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車載主機(jī)執(zhí)行連掛限速防護(hù)。人員作業(yè)監(jiān)控子模塊中,當(dāng)作業(yè)人員處于機(jī)車車列的移動徑路上時,系統(tǒng)自動計算作業(yè)人員與機(jī)車車列的距離及接近趨勢,及時通過手持終端向作業(yè)人員發(fā)出聲光避讓預(yù)警,提示作業(yè)人員下線;也可設(shè)置電子圍欄,即通過地面指揮人員在站場內(nèi)設(shè)定一個允許作業(yè)區(qū)域,當(dāng)作業(yè)人員超出區(qū)域邊界時,手持終端自動發(fā)出聲光報警。車列定位監(jiān)控子模塊中,列檢、貨檢人員的手持終端具備車列定位功能,在股道內(nèi)車列的首末端通過手持終端各進(jìn)行一次定位操作,系統(tǒng)自動計算并存儲車列位置。作業(yè)監(jiān)控模塊實現(xiàn)站內(nèi)移動對象作業(yè)的信息綜合處理和監(jiān)控,可徹底改變原有各作業(yè)單元件間的信息孤島效應(yīng),改變依靠人工觀察和防護(hù)的作業(yè)方式,有效提高現(xiàn)場調(diào)車作業(yè)安全性。
信息管理模塊統(tǒng)一管理調(diào)車作業(yè)進(jìn)程信息及作業(yè)人員間的交互信息。作業(yè)進(jìn)程管理子模塊從車站信息系統(tǒng)接收調(diào)車作業(yè)通知單信息,并將其發(fā)送至車載設(shè)備及調(diào)車人員手持終端上,在進(jìn)行顯示的同時,還通過調(diào)車員手持終端的操作收集作業(yè)鉤完成確認(rèn)信息,更新作業(yè)進(jìn)程,實時在指揮中心和調(diào)車組內(nèi)部共享,使各方的信息掌握保持同步。此外,還將調(diào)車作業(yè)通知單的內(nèi)容與實際作業(yè)過程進(jìn)行核對,不一致時進(jìn)行報警,防止錯辦進(jìn)路。交互信息管理子模塊提供多媒體信息交互平臺,調(diào)車作業(yè)人員可以通過手持終端進(jìn)行點對點、分組語音通話,如可為每個調(diào)車組和對應(yīng)司機(jī)建立一個群組,在組內(nèi)可以進(jìn)行實時通話,這些通話也可以在指揮中心的終端上進(jìn)行實時監(jiān)聽和存儲,方便進(jìn)行調(diào)車管理。對于列檢和貨檢等作業(yè)人員,可通過手持終端拍攝圖片或視頻,在作業(yè)小組內(nèi)實時共享,以多方確認(rèn)車輛狀態(tài)和貨物狀態(tài)是否需要進(jìn)行處理。這些信息共享功能有效提高了調(diào)車作業(yè)各要素間的溝通時效,保障作業(yè)過程順利無誤,從而提高調(diào)車作業(yè)效率。
綜合圖形化顯示模塊在車站指揮中心大屏上顯示站場圖、移動對象、作業(yè)狀態(tài)等。站場圖顯示子模塊繪制站場信號平面圖實現(xiàn)站內(nèi)信號、道岔、軌道電路等設(shè)備的實時狀態(tài)顯示。移動對象顯示子模塊根據(jù)移動對象的定位數(shù)據(jù),在站場平面圖相應(yīng)位置顯示其動態(tài)圖標(biāo),這樣可以使調(diào)度人員實時掌握站內(nèi)機(jī)車、人員、車輛的動態(tài)位置分布情況。作業(yè)狀態(tài)顯示子模塊根據(jù)移動對象的狀態(tài)對其動態(tài)圖標(biāo)進(jìn)行實時更新,以圖形化的方式展示移動對象的作業(yè)狀態(tài)。其中,機(jī)車動態(tài)圖標(biāo)以數(shù)字表示調(diào)機(jī)編號,以圓形圖案表示調(diào)機(jī)位置,以動畫箭頭指示機(jī)車運動方向,動畫箭頭的變化速率表示機(jī)車的運動速度。當(dāng)操作人員想進(jìn)一步了解機(jī)車相關(guān)信息時可點擊機(jī)車圖標(biāo),在彈出的浮動窗口中將顯示機(jī)車的前方距離、限速、作業(yè)鉤序號等詳細(xì)信息。作業(yè)人員的動態(tài)圖標(biāo)以圓形圖案表示人員位置,不同的調(diào)車組顯示為不同顏色,同時以數(shù)字表示其所屬調(diào)車組別,字母表示其角色,三角箭頭表示其運動方向。車列圖標(biāo)以長條形顯示在車列的相應(yīng)停車位置,并以數(shù)字表示車列所屬的車次號。通過對站內(nèi)信號、進(jìn)路、移動對象位置及狀態(tài)的一體化顯示,可實現(xiàn)車站指揮人員對調(diào)車動態(tài)實況一目了然,根據(jù)實際作業(yè)情況編制和調(diào)整調(diào)車作業(yè)計劃,減少人工通話聯(lián)系的任務(wù)量,有效提高調(diào)車作業(yè)的管理效率。
數(shù)據(jù)管理模塊存儲調(diào)車作業(yè)全程信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息,為不同的操作人員分配相應(yīng)操作權(quán)限,并可進(jìn)行圖形回放、數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計分析等。其中,圖形回放子模塊可再現(xiàn)綜合顯示屏的歷史顯示內(nèi)容,以圖形方式回放站場狀態(tài)變化、機(jī)車作業(yè)進(jìn)程、人員移動軌跡等,有利于管理人員更直觀的追溯宏觀或局部作業(yè)過程。數(shù)據(jù)查詢子模塊可查詢特定時段內(nèi)重要調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)的具體變化情況,包括作業(yè)節(jié)點的執(zhí)行時機(jī)、機(jī)車走行距離、人員操作數(shù)據(jù)、車輛停留位置等,有利于管理人員精準(zhǔn)掌握數(shù)據(jù),對作業(yè)過程進(jìn)行量化評價。統(tǒng)計分析子模塊統(tǒng)計設(shè)定時間內(nèi)的作業(yè)量、調(diào)車機(jī)車的作業(yè)時長、作業(yè)人員的作業(yè)強(qiáng)度等,可根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比分析不同班組的作業(yè)效率、作業(yè)人員的操作習(xí)慣等,及時發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)管理措施,實現(xiàn)節(jié)約調(diào)車作業(yè)成本,提高調(diào)車作業(yè)效率[9]。數(shù)據(jù)管理模塊提供了車站調(diào)車作業(yè)安全管理、流程管理、績效管理的信息化分析平臺,對于提高車站調(diào)車作業(yè)自動化、信息化水平具有重要意義。
隨著鐵路事業(yè)的不斷進(jìn)步與快速發(fā)展,鐵路運營安全技術(shù)也在不斷提高,調(diào)車作業(yè)作為鐵路運輸中重要組成部分,其作業(yè)安全直接關(guān)系到企業(yè)的運營安全,特別是近年來,鐵路事故中由于調(diào)車安全問題導(dǎo)致的事故占較大的比例,使得升級調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控技術(shù)裝備成為車站的緊迫需求。調(diào)車作業(yè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)在增強(qiáng)STP機(jī)車作業(yè)監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上,補(bǔ)齊了對站內(nèi)作業(yè)人員的車列接近預(yù)警、停留車輛位置監(jiān)控、連掛作業(yè)防護(hù)、作業(yè)要素一體化管理等功能,可為車站調(diào)車作業(yè)安全管控提供重要的技防支撐,并提供作業(yè)過程分析統(tǒng)計平臺,提升車站調(diào)車作業(yè)的安全性和信息化水平。