基于物聯(lián)網(wǎng)-5G技術(shù)的城市軌道交通安全行車模式研究

才 溢，何 碩，林曉飛

（1.北京市地鐵運營有限公司運營四分公司，北京 100102；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032；3.馬鞍山學(xué)院博士后科研工作站，安徽馬鞍山 243100）

1 引言

信息技術(shù)的發(fā)展、5G 技術(shù)及衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用極大地拓展了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍。當(dāng)前，城市軌道交通運營模式與信息技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)，信息技術(shù)能夠為城市軌道交通站-車一體化運營提供有力的物質(zhì)基礎(chǔ)。姜磊提出，在城市軌道交通通信領(lǐng)域可通過寬窄融合專用無線網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)有線路窄帶系統(tǒng)通過融合網(wǎng)關(guān)與寬帶系統(tǒng)的互聯(lián)互通，提供包括系統(tǒng)間個呼、組呼、短數(shù)據(jù)和動態(tài)重組、派接等功能。曹雙勝等在研究智慧城軌的生產(chǎn)組織優(yōu)化探討中提出行車組織由傳統(tǒng)3 級控制、2 級管理向2 級控制、1 級管理轉(zhuǎn)變。由此可見，應(yīng)用新技術(shù)不僅可以解決當(dāng)前城市軌道交通運營過程中存在的現(xiàn)實問題，還可以促進運營模式的融合與發(fā)展。同時在新技術(shù)應(yīng)用中安全風(fēng)險依然存在，交通運輸部印發(fā)的《關(guān)于“1·22”上海地鐵乘客傷亡等事故事件的警示通報》（以下簡稱《通報》）中指出“對于開通運營的全自動運行線路，各地交通運輸部門要督促運營單位對各類運營場景的系統(tǒng)聯(lián)動、人員操作等底層邏輯和應(yīng)對流程進行全面復(fù)盤、全面審視，加強人員培訓(xùn)和演練；初期運營期間應(yīng)配備具有駕駛技能的人員值守列車，全程監(jiān)視列車運行狀態(tài)，一旦發(fā)生列車故障或異常情況按規(guī)則及時處置?！庇纱丝梢?，人員是把守安全的最后一道關(guān)卡，但由于人的生理、心理特性，往往更容易由于人為因素而引發(fā)安全事故。目前，我國的城市軌道交通事故風(fēng)險仍側(cè)重于設(shè)備故障、人員傷害和車輛傷害等，因此需要從技術(shù)、管理等角度約束人的行為，從而導(dǎo)向結(jié)果安全。本文以當(dāng)前行車模式中存在的各類隱患作為研究對象，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)-5G 技術(shù)構(gòu)建平臺提供解決方案，使得行車環(huán)境在新技術(shù)條件下更加安全、穩(wěn)定。

2 現(xiàn)行運營管理模式

現(xiàn)行的行車管理模式為行車調(diào)度員在制定車輛配備計劃和應(yīng)用列車運行圖的基礎(chǔ)上，執(zhí)行日常的行車調(diào)度指揮工作；車站綜控員根據(jù)行車技術(shù)規(guī)程、行車工作細則等有關(guān)規(guī)定協(xié)助行車調(diào)度員完成行車作業(yè)；列車乘務(wù)員依據(jù)列車運行計劃的要求，根據(jù)行車調(diào)度員的指示、命令完成列車駕駛，并使列車在各車站完成乘客乘降作業(yè)。

新技術(shù)裝備在列車中的應(yīng)用提高了車輛的自動化程度，列車乘務(wù)員由傳統(tǒng)的雙人作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)閱稳俗鳂I(yè)，原有的雙人呼喚應(yīng)答制度改為單人確認制度，降低了安全可靠性。當(dāng)運營線路發(fā)生特殊事件時，行車調(diào)度員有時會將控制權(quán)下放車站綜控室，此情況會增加綜控員在無監(jiān)視條件下的作業(yè)風(fēng)險，如果此時需要辦理道岔搬動作業(yè)，綜控員也無法保持雙人監(jiān)護制度，行車風(fēng)險進一步增加。

3 行車安全保障措施

行車安全保障可從設(shè)備措施、人工、管理3 個方面進行保障。

3.1 設(shè)備措施

行車控制系統(tǒng)利用基于通信的列車自動控制（CBTC）通信技術(shù)實現(xiàn)“車-地通信”的同時還可實時傳遞列車定位信息，實現(xiàn)列車與車站或控制中心之間的信息交換，通過確定的列車位置控制列車速度，從而保障行車安全。此時行車安全保護措施高度依靠設(shè)備可靠性，單司機駕乘列車根據(jù)信號提示完成速度控制、列車監(jiān)護等作業(yè)，行車調(diào)度員、綜控員依靠綜合監(jiān)控系統(tǒng)完成行車監(jiān)控作業(yè)。

3.2 人工措施

城市軌道交通行車工作可溯源至鐵路行車作業(yè)，第一代北京市軌道交通運營人員主要由鐵道兵專業(yè)及鐵路專業(yè)人員組成，因此在某些相通作業(yè)領(lǐng)域做法相同，例如行車調(diào)度、車站綜控員、乘務(wù)員均分別在作業(yè)時執(zhí)行呼喚應(yīng)答制度。通過操作人員 “一看、二指、三呼喚、得到應(yīng)答再操作”，監(jiān)護人員“一聽、二看、三復(fù)誦、發(fā)現(xiàn)錯誤即糾正”的作業(yè)流程，確保準確使用控制臺上的各種按鈕、正確辦理行車作業(yè)。但隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用、設(shè)備自動化程度的提高，運營模式朝著自動化方向發(fā)展，列車乘務(wù)員也由雙人值乘轉(zhuǎn)變?yōu)閱稳酥党?，呼喚?yīng)答制度改為單人確認制度。

3.3 管理措施

城市軌道交通行車組織工作由行車調(diào)度員、列車乘務(wù)員完成，實行“行車調(diào)度員-司機”2 級管理，車站綜控員輔助行車工作。1 個調(diào)度區(qū)由該區(qū)值班行車調(diào)度員統(tǒng)一指揮，車站由本站當(dāng)班綜控員統(tǒng)一指揮，列車由本列車當(dāng)班值乘司機負責(zé)指揮。三方按照不同閉塞模式下的管理要求進行配合，完成行車工作。

4 行車作業(yè)隱患

4.1 設(shè)備隱患

城市軌道交通信號系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜且具有高技術(shù)含量的自動化行車指揮系統(tǒng)，其中任何設(shè)備或環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都會對運營產(chǎn)生影響。系統(tǒng)故障時須通過降級處理確保線路維持運營。其中，CBTC 系統(tǒng)的后備模式為站間閉塞，如果后備模式仍不能滿足安全條件將降級到電話閉塞。電話閉塞為純?nèi)斯ば熊嚹Ｊ?，行車調(diào)度員退出行車指揮系統(tǒng)，列車乘務(wù)員依靠車站綜控員指令完成行車作業(yè)，列車失去設(shè)備保護措施。

4.2 人工隱患

隨著技術(shù)的進步，作業(yè)現(xiàn)場朝著少人化發(fā)展，這使得行車過程中作業(yè)人員無法實行“一人操作一人監(jiān)護”的監(jiān)護制度，行車的安全性依靠作業(yè)人員的責(zé)任心及專業(yè)化水平。林曉飛等從單獨駕駛員、多人共事的駕駛員和行人6個方面總結(jié)安全氛圍與安全行為之間的影響關(guān)系，表明安全行為需要矯正。

4.3 管理隱患

當(dāng)前行車作業(yè)的安全管理主要依靠各專業(yè)內(nèi)部的預(yù)防機制，依賴雙人作業(yè)時的“操作-監(jiān)護”制度，但由于現(xiàn)在單人值乘駕駛作業(yè)、處置突發(fā)事件時單人操作進路等原因，往往在需要執(zhí)行安全措施時無監(jiān)護人員，這極大的增加了風(fēng)險發(fā)生的概率，是一種制度隱患。此外，當(dāng)前行車計劃的制定取決于客流量的大小，增開臨客等行車措施是根據(jù)車站大客流情況制定的，而請求增開臨客的申請依靠現(xiàn)場作業(yè)人員的經(jīng)驗，這就存在超前申請浪費運力或是滯后申請造成車站客流密度劇增的風(fēng)險。

5 物聯(lián)網(wǎng)站-車一體化技術(shù)條件

物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)中，所有人或物可通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)進行連接，物理實體間通過物聯(lián)網(wǎng)進行信息交換，以實現(xiàn)應(yīng)用層的智能化識別和管理。

5.1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從下到上可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、處理層、應(yīng)用層。城市軌道交通物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備為“車-地通信”設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)層包括列車自動監(jiān)控網(wǎng)、控制中心局域網(wǎng)等；處理層為各系統(tǒng)終端的計算模塊，可生成一系列運營報告；應(yīng)用層為具有使用權(quán)限的用戶，可對授權(quán)范圍內(nèi)的應(yīng)用層設(shè)備數(shù)據(jù)（工作站數(shù)據(jù)）進行讀取。

5.2 通信技術(shù)5G簡述

5G 是第五代通信技術(shù)，主要特點是高速率、低時延、廣連接。應(yīng)用5G 技術(shù)可以在傳統(tǒng)站車信號傳輸網(wǎng)絡(luò)之外開辟新的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，在采集感知層運營數(shù)據(jù)后，通過5G 網(wǎng)絡(luò)上傳至云端進行計算，處理過的數(shù)據(jù)反饋給用戶使用。這樣5G 網(wǎng)絡(luò)與既有網(wǎng)絡(luò)不沖突，并可以提供終端人機交互通信，達到支撐智能化操作的目的。同時還可以成為車-地通信中斷時的后備通信模式。

5.3 物聯(lián)網(wǎng)與5G應(yīng)用融合

基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT）是支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，可直接部署于LTE 網(wǎng)絡(luò)，它的特點是覆蓋廣、功耗低、成本低、連接廣?；贜B-IoT 技術(shù)的應(yīng)答器，在數(shù)據(jù)傳輸方面不需要任何中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)可從應(yīng)答器直達數(shù)據(jù)平臺，而數(shù)據(jù)處理工作由后臺服務(wù)器完成，物聯(lián)網(wǎng)-5G 通信模式如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)-5G 通信模式

由圖1可知，傳統(tǒng)站-車通信模式下感知層收集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過計算生成的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在單一系統(tǒng)終端，不能實現(xiàn)需求者實時共享。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)-5G 平臺的綜合系統(tǒng)可以將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，不僅為決策者更可以為操作者提供實時數(shù)據(jù)，作為檢驗現(xiàn)場操作效果的反饋。

6 其于物聯(lián)網(wǎng) -5G 技術(shù)的人工智能作業(yè)終端設(shè)計

人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）=人工智能（AI）+物聯(lián)網(wǎng)（IoT），AIoT 融合AI 技術(shù)和IoT 技術(shù)，通過將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生、收集海量的數(shù)據(jù)儲存于云端，再通過大數(shù)據(jù)分析及更高形式的人工智能，實現(xiàn)萬物數(shù)據(jù)化、萬物智能化。5G 技術(shù)可以實現(xiàn)信息的高速交換，實現(xiàn)操作、監(jiān)護的實時性。

6.1 操作人員防疲勞系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)已有文獻研究結(jié)果可知，人體疲勞與工作時長、工作環(huán)境、工作時間段等因素有關(guān)，以北京市軌道交通昌平線為例，每日清晨5 點軋道車下線，5 : 20 分首班車開始全天運營，直至次日00 : 22 最后一班車回段整備，而停運時段又是開行施工列車、段場調(diào)車作業(yè)的時間。換言之，在實際生產(chǎn)過程中，城市軌道交通車輛一直處在運行狀態(tài)，而作為終端操作人員（行車調(diào)度員、乘務(wù)員、車站綜控員）需要全程實施操作及對行車情況進行實時監(jiān)控，超長的工作時長容易導(dǎo)致操作人員疲勞，從而發(fā)生安全事故。

在行車作業(yè)過程中，可以借助人臉識別技術(shù)收集列車乘務(wù)員或車站綜控員面部信息，通過車載邊緣計算設(shè)備收集終端信息防止作業(yè)人員走神、打瞌睡等情況。如同當(dāng)前汽車駕駛員廣泛使用的導(dǎo)航App 中的疲勞提醒功能，但此功能大多是通過駕駛時長和駕駛歷程來提示疲勞，并非根據(jù)駕駛員實時開車狀況進行判定。

基于AIoT 的操作員監(jiān)控系統(tǒng)可以在列車乘務(wù)員駕駛過程中、行車調(diào)度員和車站綜控員監(jiān)控列車運行時實時監(jiān)測其身體狀態(tài)，并根據(jù)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時、快速地進行計算和應(yīng)對異常?；贏IoT 的操作員監(jiān)控系統(tǒng)由感知層收集人臉信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸與云端儲存的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進行比對，根據(jù)比對結(jié)果對存在異常情況的操作人員狀態(tài)發(fā)出警報提示，必要時可以觸發(fā)決策端信號，通過人工呼叫等措施對異常狀態(tài)人員進行干預(yù)。

6.2 行車作業(yè)人員呼喚應(yīng)答系統(tǒng)設(shè)計

早期城市軌道交通行車作業(yè)中的列車乘務(wù)員、車站綜控員、行車調(diào)度員均是雙人作業(yè)，采取“一人操作一人監(jiān)護”的模式，但隨著技術(shù)的進步，越來越多的城市軌道交通線路開始在列車駕駛中采取單司機值乘方式，有些運營線路開始在非道岔集中站試行綜控室單人值守模式，依照事故多米諾理論，行車系統(tǒng)的安全性大大降低。

基于AIoT 的“調(diào)-乘-綜”系統(tǒng)，可以使用物聯(lián)網(wǎng)-5G 技術(shù)在3 者之間構(gòu)建互控應(yīng)答機制，由主辦方向協(xié)辦方發(fā)出呼喚請求，協(xié)辦方對呼喚內(nèi)容作出應(yīng)答，第三方作為監(jiān)控方對呼喚應(yīng)答內(nèi)容予以監(jiān)控。此方法可以應(yīng)用在城市軌道交通作業(yè)人員無法執(zhí)行呼喚應(yīng)答制度時，尤其對單人作業(yè)起到防護作用。常見的應(yīng)用場景有 2 種。

（1）當(dāng)乘務(wù)員駕駛列車在電話閉塞模式下無車-地信號保護，在發(fā)車時可以使用語音或視頻模式與車站綜控室實時通話確認發(fā)車條件，減少了車站綜控員與乘務(wù)員交接紙質(zhì)命令的環(huán)節(jié)，可以提高運行效率，同時作為行車調(diào)度員可以對該作業(yè)進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況并及時主叫停止作業(yè)。

（2）在特殊天氣或某些情況下，正線停運后需要在運營線分區(qū)段開行軌道車進行施工作業(yè)，但其他非封閉區(qū)間需要人工在線作業(yè)，這就造成了人-車共線的現(xiàn)象，如果車站綜控員在核對正線作業(yè)或者辦理封閉區(qū)間時出現(xiàn)問題，就會發(fā)生侵入限界的事件，嚴重的可能造成人員傷亡、財產(chǎn)損失。針對這種情況，可以由施工列車乘務(wù)員與行車調(diào)度員確認行車區(qū)間，相鄰站車站綜控員進行監(jiān)控。

6.3 站-車一體化大客流預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

城市軌道交通列車滿載率由列車空氣簧承重換算后得出，此數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在列車終端。同時在車站綜控室的綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測車站乘客進出站數(shù)量，通過時間粒度估算得到站廳、站臺客流密度，這二者之間尚未建立連接。當(dāng)前城市軌道交通大客流管理主要依靠現(xiàn)場人員的經(jīng)驗進行調(diào)配，存在過分超前和滯后實施的可能性，在列車滿載率與車站客流密度通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連接后，可以根據(jù)設(shè)定的閾值對客流進行動態(tài)管控，車站可以根據(jù)預(yù)警值決定客運組織策略，行車調(diào)度指揮中心可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)決定是否加開臨客，這套系統(tǒng)可以使大客流啟動時機由經(jīng)驗化向科學(xué)化轉(zhuǎn)變。

6.4 車輛智能搶險運維系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)列車在運營線路上發(fā)生故障時，單司機模式下的故障處理使得列車乘務(wù)員只能依靠個人能力，無法得到專業(yè)技術(shù)人員的支持。這時可以應(yīng)用智能運維系統(tǒng)，車輛通過車-地網(wǎng)絡(luò)向車輛基地發(fā)送故障代碼，運維人員在收到故障報警后，協(xié)助乘務(wù)員處置故障，當(dāng)應(yīng)急故障操作存在人為錯誤時，運維終端可以顯示乘務(wù)員操作步驟，運維人員通過終端對操作步驟進行提示和監(jiān)控，當(dāng)列車返回車輛段后，運維人員可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)對故障點進行排除。

7 結(jié)語

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)-5G 技術(shù)的硬件條件已經(jīng)成熟，國內(nèi)很多公司已經(jīng)在其他領(lǐng)域有了成熟的應(yīng)用案例。當(dāng)前缺少的是將硬件設(shè)施與運營需求相關(guān)聯(lián)，讓技術(shù)服務(wù)于需求，讓需求得到實體體現(xiàn)，作為城市軌道交通運營企業(yè)，要加快將新技術(shù)融入到現(xiàn)場運營中的步伐，以達到提高運營效率、降低安全隱患的目的。