工務(wù)及電務(wù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)

郭榮昌，林俊亭，李國(guó)寧

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，1.碩士研究生；2.講師；3.副教授，甘肅 蘭州 730070）

鐵路線路作業(yè)安全防護(hù)是指鐵路工務(wù)和電務(wù)部門，對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的工作人員進(jìn)行的安全防護(hù)工作。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)防護(hù)是安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要工作，是確保行車和人身安全的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。施工作業(yè)中，如果不設(shè)防護(hù)或防護(hù)措施不到位，就會(huì)嚴(yán)重威脅鐵路行車安全和作業(yè)人員的人身安全，甚至造成嚴(yán)重后果。隨著鐵路的不斷提速，列車密度的日益增大，防護(hù)工作愈來(lái)愈重要。而現(xiàn)有的安全防護(hù)方法，已經(jīng)不能滿足施工作業(yè)的要求，影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。為此，開發(fā)工務(wù)及電務(wù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)，以加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)防護(hù)。

1 安全防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

工務(wù)及電務(wù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)，由系統(tǒng)硬件設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)用軟件構(gòu)成。該系統(tǒng)硬件設(shè)備包括青藏線專用于鐵路的通信系統(tǒng)（GSM-R）網(wǎng)絡(luò)及加強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)（ITCS）設(shè)備，以及在調(diào)度中心增設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)平臺(tái)（計(jì)算機(jī)），在現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)的移動(dòng)終端設(shè)備等；應(yīng)用軟件包括原有的GSM-R通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件和ITCS系統(tǒng)的軟件，還包括新開發(fā)的安全防護(hù)平臺(tái)軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)的安全防護(hù)平臺(tái)硬件包括微機(jī)、打印機(jī)、接收設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及原有的消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、微機(jī)監(jiān)測(cè)和GPS設(shè)備、ITCS設(shè)備。安全防護(hù)終端設(shè)備為手持報(bào)警器。

2 安全防護(hù)系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)

列控車載設(shè)備將列車當(dāng)前位置和速度信息，通過GSM-R通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送給調(diào)度中心的消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，局域網(wǎng)的通信前端機(jī)將消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的信息傳送給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)平臺(tái)的接收設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的終端設(shè)備即手持報(bào)警器，利用全球定位系統(tǒng)（GPS）或者公里標(biāo)定位當(dāng)前經(jīng)緯度或線路里程，將位置信息通過GSM-R通信系統(tǒng)傳送回現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)平臺(tái)。

2.1 安全防護(hù)平臺(tái)安全防護(hù)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)對(duì)接收設(shè)備接收到的列車位置、速度等信息和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的位置信息進(jìn)行里程標(biāo)轉(zhuǎn)換，通過匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中電子地圖上的線路信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出列車以當(dāng)前速度下運(yùn)行到作業(yè)位置的時(shí)間，從而產(chǎn)生出不同的報(bào)文信息。

軟件系統(tǒng)主要是對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理，計(jì)算出預(yù)警級(jí)別，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視圖，形象地向調(diào)度人員表示，并給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)終端傳送計(jì)算結(jié)果。該部分為安全防護(hù)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的核心。為提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)平臺(tái)的可靠性，采用冗余結(jié)構(gòu)，同時(shí)將平臺(tái)與微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄該平臺(tái)的運(yùn)行狀況，并且采用統(tǒng)一條件觸發(fā)式的發(fā)送過程完成單向通訊。通過GPS獲取精確的時(shí)鐘信息，采用定時(shí)重復(fù)發(fā)送機(jī)制實(shí)現(xiàn)單向通訊。微機(jī)監(jiān)測(cè)和GPS設(shè)備通過以太網(wǎng)相連接，接口為RJ-45網(wǎng)絡(luò)通信接口。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)平臺(tái)的微機(jī)、打印機(jī)、接收及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等設(shè)置于調(diào)度所室內(nèi)。因其需要全天候運(yùn)行，且運(yùn)算量比較大，所以對(duì)防護(hù)平臺(tái)的上述硬件要求相對(duì)較高。

平臺(tái)軟件系統(tǒng)采用VC++軟件編寫，系統(tǒng)工作界面左上角和右上角部分為安全報(bào)警的級(jí)別詳情，中上部分為安全報(bào)警顯示結(jié)果，下半部分為鐵路線路及車輛顯示。其截圖如圖1所示。

圖1 防護(hù)平臺(tái)軟件界面

2.2 安全防護(hù)終端作為安全防護(hù)終端的手持報(bào)警器，接收通過GSM-R通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送過來(lái)的預(yù)警信息，針對(duì)不同的預(yù)警報(bào)文采用不同級(jí)別的預(yù)警信息，從而達(dá)到防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的目的。

終端接收GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來(lái)的預(yù)警級(jí)別信號(hào)；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員需按壓手持報(bào)警器自復(fù)式按鈕，向安全防護(hù)平臺(tái)傳遞反饋預(yù)警級(jí)別接收?qǐng)?bào)文。手持報(bào)警器裝有電子顯示燈（LED）、喇叭、GPS及GSM-R通信系統(tǒng)接收裝置。

安全防護(hù)終端的工作界面左半部分為安全報(bào)警的顯示結(jié)果，右半部分為安全報(bào)警的等級(jí)詳情。截圖如圖2所示。

圖2 防護(hù)終端工作界面截圖

3 系統(tǒng)的功能

3.1 安全防護(hù)平臺(tái)硬件安全防護(hù)平臺(tái)微機(jī)通過接收設(shè)備接收列車及人員的速度和位置信息，依據(jù)速度和位置信息計(jì)算出預(yù)警時(shí)間，然后將預(yù)警信息通過原有的消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備傳送給安全防護(hù)終端并在平臺(tái)上顯示警示燈光。

3.1.1 微機(jī) 微機(jī)是安全防護(hù)系統(tǒng)工作的硬件載體，所有軟件都需要在微機(jī)上運(yùn)行。

3.1.2 接收和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備 在安全防護(hù)平臺(tái)上設(shè)有接收和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。接收設(shè)備用于接收現(xiàn)場(chǎng)傳送過來(lái)的列車和現(xiàn)場(chǎng)工作人員的信息以及終端反饋回來(lái)的信息。轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備用于將平臺(tái)計(jì)算出的預(yù)警信息傳送給安全防護(hù)終端。

3.1.3 警示燈光 在安全防護(hù)平臺(tái)上設(shè)有燈光預(yù)警裝置，可以提示現(xiàn)場(chǎng)及調(diào)度人員對(duì)危險(xiǎn)情況做出及時(shí)反應(yīng)。

3.2 安全防護(hù)平臺(tái)軟件平臺(tái)應(yīng)用軟件主要功能是對(duì)接收到的原始信息進(jìn)行計(jì)算處理，根據(jù)計(jì)算處理結(jié)果得出相應(yīng)的預(yù)警級(jí)別，并產(chǎn)生預(yù)警報(bào)文和預(yù)警信息。

3.2.1 分級(jí)預(yù)警命令計(jì)算 防護(hù)平臺(tái)中的預(yù)警裝置采用分級(jí)時(shí)間預(yù)警模式，即根據(jù)列車運(yùn)行的速度及列車與維修人員之間的距離得到不同級(jí)別的預(yù)警。預(yù)警信息分為4個(gè)等級(jí)：1）正常（藍(lán)色表示）：告訴維護(hù)人員，可以正常維護(hù)，列車2 min之內(nèi)不會(huì)到達(dá)；2）有情況（綠色）：列車2 min內(nèi)可能到達(dá)，準(zhǔn)備下道；3）緊急（黃色）：30～60 s之內(nèi)列車可能到達(dá)，維修人員立刻下道；4）非常緊急（紅色）：列車30 s內(nèi)到達(dá)，施工人員必須迅速下道。

在確定不同預(yù)警級(jí)別的同時(shí)，考慮到線路的曲線、坡度等復(fù)雜因素，速度的變化可能較為劇烈。因此，在防護(hù)平臺(tái)中確定黃色和紅色級(jí)別為不可降級(jí)預(yù)警。

3.2.2 預(yù)警報(bào)文自動(dòng)選擇和發(fā)送 現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)平臺(tái)軟件對(duì)采集到的列車速度、位置信息和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的位置信息進(jìn)行計(jì)算和分析，自動(dòng)選擇合理的預(yù)警級(jí)別，并及時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員發(fā)送報(bào)文信息，同時(shí)將預(yù)警級(jí)別情況反饋給調(diào)度員。

3.2.3 列車和人員信息實(shí)時(shí)采集 列車在線路上的位置和速度是隨機(jī)的，這就決定預(yù)警級(jí)別的計(jì)算也是隨機(jī)的。為了準(zhǔn)確地計(jì)算預(yù)警結(jié)果，安全防護(hù)軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集列車的位置和速度信息，及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的位置信息。同時(shí)為保證計(jì)算的精度，不僅采集列車的位置和速度，而且還采集列車的載重、機(jī)車型號(hào)、線路的狀況等信息。

3.2.4 預(yù)警級(jí)別實(shí)時(shí)計(jì)算 線路上的臨時(shí)限速、坡度、風(fēng)速等情況直接影響著列車的實(shí)時(shí)速度，現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜多變?cè)斐闪熊噷?shí)際速度很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。為了能更加安全可靠地預(yù)警，安全防護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)定時(shí)間間隔為5 s，即每5 s對(duì)采集到的列車速度、位置和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的位置等信息進(jìn)行計(jì)算，得出實(shí)時(shí)的預(yù)警信息。

3.2.5 閉環(huán)接收終端反饋信息 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的精確位置很難在施工前確定，作業(yè)人員是否接收到預(yù)警信號(hào)，這些信息能否準(zhǔn)確地傳送給平臺(tái)，都將直接影響到平臺(tái)產(chǎn)生出的預(yù)警信息的準(zhǔn)確性。因此，安全防護(hù)平臺(tái)軟件還提取安全防護(hù)終端反饋來(lái)的信息。

3.2.6 虛擬信號(hào)降級(jí)顯示 由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，受地理位置、電磁干擾、太陽(yáng)活動(dòng)、基站覆蓋、天氣狀況等諸多因素影響，存在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員不能及時(shí)接收到預(yù)警信息的危險(xiǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)應(yīng)答的緊急情況下，安全作業(yè)防護(hù)平臺(tái)可向相應(yīng)的地面無(wú)線站臺(tái)發(fā)出緊急臨時(shí)限速命令，控制列車在一個(gè)安全的速度下運(yùn)行。當(dāng)接收到現(xiàn)場(chǎng)的反饋信號(hào)后，安全作業(yè)平臺(tái)向地面無(wú)線站臺(tái)發(fā)送解除臨時(shí)限速命令，列車恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.3 安全防護(hù)終端安全防護(hù)終端設(shè)備——手持報(bào)警器具有聲、光、震動(dòng)預(yù)警以及反饋信息、定位、通話功能。

3.3.1 聲音提示預(yù)警 為防止現(xiàn)場(chǎng)工作人員不能及時(shí)看見燈光預(yù)警，手持報(bào)警器設(shè)置了聲音預(yù)警功能：可用不同的語(yǔ)音提示，表示不同級(jí)別預(yù)警。

3.3.2 燈光提示預(yù)警 考慮到鐵路現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境嘈雜，維修人員有可能聽不到聲音提示，手持報(bào)警器還設(shè)置有燈光提示預(yù)警。

3.3.3 震動(dòng)提示預(yù)警 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，在聲音預(yù)警和燈光預(yù)警的基礎(chǔ)之上，手持報(bào)警器還增設(shè)了震動(dòng)預(yù)警方式。震動(dòng)提示預(yù)警在接收到綠色、黃色和紅色級(jí)別預(yù)警時(shí)才會(huì)起作用，但此種預(yù)警方式無(wú)法準(zhǔn)確表示是哪一級(jí)別預(yù)警。

3.3.4 反饋接收預(yù)警 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員接收到預(yù)警信息后，需及時(shí)按壓手持報(bào)警器上的自復(fù)按鈕，以表示接收到信息。這樣就可以向平臺(tái)及時(shí)反饋接收到的信息，從而使調(diào)度人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)是否接受到預(yù)警。

3.3.5 定位功能 現(xiàn)場(chǎng)施工人員通過防護(hù)終端的手持報(bào)警器GPS定位功能，確定所處位置，并將經(jīng)緯度信息發(fā)回給安全防護(hù)平臺(tái)，可以彌補(bǔ)公里標(biāo)定位不精確的缺點(diǎn)。

3.3.6 語(yǔ)音通信功能 現(xiàn)場(chǎng)人員可以借助手持報(bào)警器語(yǔ)音通信功能，向調(diào)度人員匯報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

與原有的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)方法相比較，青藏線工務(wù)及電務(wù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)在列車速度不斷提高的情況下，能夠更好地保障作業(yè)人員的人身安全，滿足鐵路安全生產(chǎn)的需求。