鐵路室外作業(yè)人員多維度安全防護(hù)系統(tǒng)研究

丁 一

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

近年來，我國(guó)鐵路處于快速發(fā)展階段，建設(shè)規(guī)模達(dá)到了歷史性的高度[1]，鐵路維修維護(hù)工作壓力也日益增加。然而針對(duì)室外維護(hù)人員安全保障手段發(fā)展卻相對(duì)滯后，目前的防護(hù)工作依然采用雙防護(hù)員管理模式，室內(nèi)防護(hù)員通過調(diào)度系統(tǒng)獲知運(yùn)行中的列車位置，通過對(duì)講機(jī)或電話通知室外防護(hù)員，室外防護(hù)員得知列車的大概位置后，憑借經(jīng)驗(yàn)判斷列車接近的時(shí)間，組織現(xiàn)場(chǎng)工作人員收拾工具撤離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。在這種模式下，如果防護(hù)員出現(xiàn)了疏忽，或者用于聯(lián)系的通訊設(shè)備出現(xiàn)故障，室外作業(yè)人員將失去保護(hù)[2]，作業(yè)人員可能會(huì)無法及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致傷亡[3]，而這些事故是可以通過使用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)避免的[4]。目前已經(jīng)有多人進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的研究，參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種防護(hù)燈墻，通過傳感器感知列車，在列車接近時(shí)，開啟聲光報(bào)警，對(duì)列車進(jìn)行警示。參考文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種施工預(yù)警系統(tǒng)，通過振動(dòng)傳感器，在列車接近，對(duì)室外作業(yè)人員進(jìn)行聲光提醒。參考文獻(xiàn)[5-6]所述系統(tǒng)均通過防護(hù)設(shè)備內(nèi)置的傳感器感知列車接近，感知距離較近，僅能進(jìn)行列車接近預(yù)警，功能比較單一；參考文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種列車接近預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GPS 獲取室外作業(yè)人員位置，通過調(diào)度系統(tǒng)獲取列車位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)天氣及線路狀況，實(shí)時(shí)計(jì)算人、車安全時(shí)間，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行預(yù)警。該系統(tǒng)對(duì)于安全時(shí)間的計(jì)算模型過于繁復(fù)，當(dāng)輸入信息出現(xiàn)偏差時(shí)，可能會(huì)影響預(yù)警時(shí)間的最終計(jì)算結(jié)果。參考文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種鐵路施工防護(hù)系統(tǒng)，通過防護(hù)圍樁、防護(hù)員終端定位信息的反饋，當(dāng)判斷各方均到達(dá)指定工作位置時(shí)，發(fā)送合規(guī)信息，同意進(jìn)行室外施工。該系統(tǒng)主要監(jiān)督了作業(yè)的合規(guī)情況，沒有涉及人、車距離的預(yù)警，傳輸通道的保障。鑒于上述情況，本研究進(jìn)行了一種新型主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)，從規(guī)范作業(yè)流程、保留安全空間及貫徹作業(yè)制度三個(gè)維度入手，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行全面保護(hù)。

1 設(shè)計(jì)思想及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

對(duì)多起事故的調(diào)查報(bào)告進(jìn)行分析，導(dǎo)致事故的原因主要有三類[9]：第一類為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員無視批復(fù)的作業(yè)時(shí)間，在鐵路天窗點(diǎn)外違規(guī)上道作業(yè)；第二類為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員所在位置超出申請(qǐng)的作業(yè)范圍，進(jìn)入了正常運(yùn)營(yíng)的股道；第三類為室內(nèi)、室外防護(hù)員疏忽大意，或因設(shè)備故障失去聯(lián)系，或者因人為失誤，造成現(xiàn)場(chǎng)人員無法獲知列車接近信息，未能及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)造成的事故。因此，本研究所述系統(tǒng)，針對(duì)上述三類事故原因，從源頭上進(jìn)行監(jiān)測(cè)與防護(hù)。

該系統(tǒng)由中心服務(wù)器、車站站機(jī)及手持終端組成。車站站機(jī)通過聯(lián)鎖系統(tǒng)接口采集進(jìn)站列車的位置，通過手持終端采集室外作業(yè)人員的位置，通過計(jì)算實(shí)時(shí)比較作業(yè)區(qū)域、列車、人員的相對(duì)位置，進(jìn)行空間上安全保障。通過車站站機(jī)與鐵路調(diào)度系統(tǒng)接口，獲取作業(yè)人員人數(shù)、作業(yè)時(shí)間及內(nèi)容，以此為依據(jù)對(duì)作業(yè)進(jìn)行記錄和卡控；根據(jù)預(yù)置的規(guī)則對(duì)防護(hù)人員聯(lián)控行為進(jìn)行監(jiān)督，進(jìn)行制度與時(shí)間上的安全保障；通過對(duì)通信通道的監(jiān)督，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警，適時(shí)啟動(dòng)后備通信模式，確保安全預(yù)警信息順利傳達(dá)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 室內(nèi)設(shè)備

系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備主要包含4 個(gè)部分，第一部分是服務(wù)器系統(tǒng)，包含各類服務(wù)器和工作終端，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)及系統(tǒng)應(yīng)用；第二部分為站場(chǎng)WLAN 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端及視頻監(jiān)控設(shè)備的接入鑒權(quán)及控制；第三部分為站場(chǎng)廣播系統(tǒng)，作為系統(tǒng)全面失效后的應(yīng)急手段，在車站覆蓋范圍內(nèi)播放應(yīng)急廣播；第四部分為定位增強(qiáng)系統(tǒng)，主要用于提高定位系統(tǒng)精度。各部分主要設(shè)備見表1。

表1 系統(tǒng)設(shè)備類型表

2.2 室外設(shè)備

室外部分主要包括設(shè)備抱桿、差分定位設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、WLAN 網(wǎng)絡(luò)無線AP 及廣播等設(shè)備。抱桿埋設(shè)在車站咽喉區(qū)適當(dāng)位置，用于安裝差分定位接收機(jī)天線、無線AP 天線、廣播揚(yáng)聲器。差分接收機(jī)電源模塊、無線AP 電源模塊、防雷單元等均安裝在軌旁箱盒內(nèi)。專用光纖、供電電纜、廣播電纜等均由信號(hào)樓敷設(shè)至軌旁箱盒。

2.3 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中心總機(jī)可設(shè)置于電務(wù)調(diào)度中心或鄰近的車站，中心總機(jī)與車站站機(jī)通過鐵路專用數(shù)據(jù)網(wǎng)或者公網(wǎng)及系統(tǒng)防火墻進(jìn)行通信[10]。軌旁設(shè)備與車站站機(jī)通過光纖、電纜、WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)連接。

3 軟件模塊

本系統(tǒng)軟件基于WEB 的B/S 架構(gòu)，使用了Ext JS 開發(fā)應(yīng)用程序界面[11]。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)和開發(fā)，表現(xiàn)層使用MVC 模式設(shè)計(jì)，中間層使用組件化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模塊功能。

3.1 定位監(jiān)測(cè)及預(yù)警模塊

該模塊將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員、列車、施工區(qū)域的定位信息，以可視化的形式[12]，在各級(jí)防護(hù)終端、移動(dòng)終端App 上實(shí)時(shí)顯示，位置刷新時(shí)間不大于3 秒。各級(jí)防護(hù)員，應(yīng)急指揮員，將根據(jù)定位信息及系統(tǒng)的各類報(bào)警內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行指揮。

3.1.1 人員定位

人員定位功能以車站線路平面圖為基礎(chǔ)，通過移動(dòng)終端獲取作業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)位置及移動(dòng)軌跡，并回傳服務(wù)器，將人員位置實(shí)時(shí)反應(yīng)在平面圖中，定位終端采用RTK 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分米級(jí)定位[13]。車站防護(hù)人員根據(jù)調(diào)度命令確定鐵路作業(yè)范圍，設(shè)置防護(hù)電子圍欄[14]。獲得作業(yè)授權(quán)的維護(hù)人員進(jìn)入電子圍欄后，系統(tǒng)將對(duì)圍欄區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人員進(jìn)行防護(hù)。當(dāng)人員離開防護(hù)電子圍欄保護(hù)范圍，侵入鄰線限界時(shí)，系統(tǒng)將在車站站機(jī)及移動(dòng)終端APP 中進(jìn)行報(bào)警。

3.1.2 列車接近預(yù)警

列車防護(hù)預(yù)警模塊通過聯(lián)鎖系統(tǒng)接口，獲取列車在區(qū)間的運(yùn)行情況[15]，實(shí)時(shí)計(jì)算列車位置與作業(yè)防護(hù)區(qū)域的距離，按照距離遠(yuǎn)近向各個(gè)終端發(fā)送預(yù)警信息。系統(tǒng)按照“鄰站發(fā)車”“列車接近車站”“列車進(jìn)站”設(shè)置三個(gè)預(yù)警等級(jí)，分別使用藍(lán)色、黃色及紅色背景發(fā)出信息，提醒各級(jí)防護(hù)員。當(dāng)列車進(jìn)站后，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)計(jì)算人員和列車的位置，當(dāng)小于安全閾值時(shí)推送碰撞預(yù)警。列車預(yù)警流程如圖1 所示。預(yù)警通知信息自動(dòng)發(fā)送至相關(guān)防護(hù)終端，各級(jí)防護(hù)人員根據(jù)預(yù)警信息自行安排合理的避讓時(shí)間。為確保人員及時(shí)獲知預(yù)警信息，當(dāng)移動(dòng)終端App接收到預(yù)警通知時(shí)，將以聲音、振動(dòng)及屏幕閃爍三種方式同時(shí)進(jìn)行提醒，必須通過防護(hù)人員手工確認(rèn)后，方能解除提醒后。當(dāng)預(yù)警信息達(dá)到黃色級(jí)別后，若駐站聯(lián)絡(luò)員與現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員聯(lián)系因故中斷或者終端的提示信息超時(shí)未處理時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急后備模式，開啟站場(chǎng)廣播系統(tǒng)，觸發(fā)緊急告警，用廣播呼叫方式指揮現(xiàn)場(chǎng)人員終止作業(yè)、立即撤離避險(xiǎn)。

圖1 列車預(yù)警處理流程

3.2 作業(yè)流程監(jiān)控模塊

作業(yè)流程監(jiān)控模塊對(duì)室外作業(yè)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)、對(duì)講機(jī)聯(lián)控通訊指令等作業(yè)流程相關(guān)信息進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)信息將實(shí)時(shí)上傳至智能監(jiān)控防護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)及相關(guān)終端，用于監(jiān)督作業(yè)人員，確保不會(huì)違規(guī)進(jìn)行作業(yè)；監(jiān)督和指揮防護(hù)員，確保調(diào)度命令的正確下達(dá)。

對(duì)于作業(yè)人員，系統(tǒng)對(duì)鐵路調(diào)度系統(tǒng)批復(fù)的作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行解析，生成作業(yè)步驟及作業(yè)計(jì)劃，當(dāng)計(jì)劃作業(yè)時(shí)間開始后，系統(tǒng)向移動(dòng)終端推送作業(yè)信息[16]，作業(yè)人員通過移動(dòng)終端APP 中作業(yè)模塊進(jìn)行登記認(rèn)證，拍照上傳，作為室外作業(yè)開始的依據(jù)，作業(yè)過程中，作業(yè)結(jié)束后，也需要根據(jù)要求，在軟件中進(jìn)行登記。如作業(yè)人員在計(jì)劃時(shí)間外進(jìn)行，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，生成違規(guī)記錄?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程，均通過咽喉區(qū)布設(shè)的視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行全程監(jiān)控及記錄，確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)全過程合規(guī)進(jìn)行。

對(duì)于防護(hù)人員，系統(tǒng)按照鐵路作業(yè)管理規(guī)范的要求，每3～5 分鐘自動(dòng)提醒聯(lián)絡(luò)員與現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員進(jìn)行通信[17]，聯(lián)控對(duì)講信息將通過錄音模塊記錄，確保聯(lián)控信息按時(shí)傳達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。當(dāng)聯(lián)控信息缺失時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，并自動(dòng)向聯(lián)絡(luò)員與現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員發(fā)送提醒信息，要求采取相應(yīng)的應(yīng)急糾錯(cuò)措施。

3.3 遠(yuǎn)程廣播指揮

廣播指揮是系統(tǒng)的后備安全手段[18]，當(dāng)所有通信中斷而無法聯(lián)系時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)開啟廣播，向作業(yè)范圍廣播應(yīng)急信息，要求所有作業(yè)人員進(jìn)行避險(xiǎn)。系統(tǒng)采用HTML5 Web Audio API 和WebRTC實(shí)現(xiàn)音頻的采集和傳輸[19]，能夠適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。室外采用定向揚(yáng)聲器，可以確保車站作業(yè)范圍均能聽見清晰的指令。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)研發(fā)完成后進(jìn)行了模擬測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的問題，模擬了三個(gè)場(chǎng)景，分別為人員違規(guī)、列車接近、設(shè)備故障。

4.1 人員違規(guī)場(chǎng)景模擬

該測(cè)試模擬三類人員違規(guī)場(chǎng)景:

（1）人員違規(guī)上道作業(yè)。測(cè)試維護(hù)人員在作業(yè)計(jì)劃以外時(shí)間，私自上道作業(yè)的情況。測(cè)試時(shí)，室內(nèi)防護(hù)員終端軟件處于待機(jī)狀態(tài)，關(guān)閉移動(dòng)終端定位功能，利用模擬GPS 軟件，向App 提供持續(xù)的模擬定位信息，模擬作業(yè)人員的走行軌跡。當(dāng)模擬的定位信號(hào)進(jìn)入車站股道范圍內(nèi)時(shí)，值班員終端及移動(dòng)終端均進(jìn)行報(bào)警。

（2）人員離開電子圍欄。測(cè)試正常作業(yè)過程中，維護(hù)人員無意中離開作業(yè)范圍進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)的情況。測(cè)試時(shí)，室內(nèi)防護(hù)員終端軟件處于防護(hù)狀態(tài)，此時(shí)關(guān)閉移動(dòng)終端定位功能，利用GPS 模擬軟件，向App提供持續(xù)的模擬定位信息，模擬作業(yè)人員進(jìn)入工作電子圍欄區(qū)域后進(jìn)行施工的過程，然后模擬人員離開圍欄邊界，進(jìn)入相鄰線路。當(dāng)模擬的定位信號(hào)離開電子圍欄保護(hù)范圍時(shí)，防護(hù)員終端及移動(dòng)終端均進(jìn)行報(bào)警。

（3）防護(hù)員超過3 分鐘未進(jìn)行聯(lián)控通話。模擬室內(nèi)外值班人員未執(zhí)行規(guī)定，在3 分鐘的周期內(nèi)沒有進(jìn)行溝通的情況。測(cè)試時(shí)，室內(nèi)防護(hù)員終端軟件處于防護(hù)狀態(tài)，使用對(duì)講機(jī)進(jìn)行通話，進(jìn)行兩次正常通信后，停止通信。在第二次通信后3 分鐘左右的時(shí)間，系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)控信息缺失報(bào)警。

4.2 列車接近場(chǎng)景

該測(cè)試模擬列車接近場(chǎng)景，用于測(cè)試聯(lián)鎖接口信息的獲取狀況。測(cè)試時(shí)，按照列車從臨站開出駛?cè)氡菊镜倪^程，編制了模擬測(cè)試序列。再將序列按照接口規(guī)范翻譯成二進(jìn)制代碼，并使用模擬程序，通過485 接口將信號(hào)按規(guī)定的周期，輸入本系統(tǒng)。當(dāng)模擬列車從臨站開出，系統(tǒng)進(jìn)行了藍(lán)色預(yù)警；模擬列車進(jìn)入本站接近區(qū)段，系統(tǒng)進(jìn)行了黃色預(yù)警；模擬列車進(jìn)入進(jìn)站信號(hào)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行了紅色預(yù)警。

4.3 設(shè)備故障場(chǎng)景

此項(xiàng)測(cè)試分為如下內(nèi)容：

（1）移動(dòng)終端故障；（2）移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)中斷<3 分鐘；（3）室內(nèi)主機(jī)故障；（4）室內(nèi)主機(jī)網(wǎng)絡(luò)中斷<3 分鐘。

測(cè)試時(shí)，用移除設(shè)備電源的方式模擬設(shè)備故障，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)功能、移除網(wǎng)線的方式模擬網(wǎng)絡(luò)故障。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，室內(nèi)防護(hù)員終端及室外移動(dòng)終端均能及時(shí)進(jìn)行報(bào)警,在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后能及時(shí)更新信息繼續(xù)工作；當(dāng)室內(nèi)主機(jī)故障時(shí)，室外移動(dòng)終端將進(jìn)行報(bào)警，如果在3 分鐘后未恢復(fù)通信，移動(dòng)終端App 將通知室外防護(hù)員，進(jìn)行人員的強(qiáng)制撤離。當(dāng)室外終端故障時(shí)，室內(nèi)終端將進(jìn)行報(bào)警，在3 分鐘后如果未恢復(fù)通信，則在提示室內(nèi)值班員的同時(shí)，開啟站場(chǎng)應(yīng)急廣播。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用了多個(gè)維度的防護(hù)功能，在出現(xiàn)人為失誤、作業(yè)人員處于危險(xiǎn)區(qū)域、設(shè)備故障等一系列意外因素的情況下，均能對(duì)室外作業(yè)人員進(jìn)行安全防護(hù)。系統(tǒng)通過對(duì)聯(lián)控指令、作業(yè)過程等信息的全面記錄，反推強(qiáng)化作業(yè)人員對(duì)規(guī)范的執(zhí)行力。系統(tǒng)的可追溯性，明確了責(zé)任的劃分，出現(xiàn)事故后，能及時(shí)進(jìn)行回溯，查找問題的根源。經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)可以在常見場(chǎng)景中消除人為因素導(dǎo)致的安全隱患，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的作業(yè)安全系數(shù)，降低人身傷亡事件發(fā)生概率。下一步將進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在不同的溫濕度下，進(jìn)一步測(cè)試強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性，系統(tǒng)功能有待在使用中繼續(xù)完善與升級(jí)。