北斗差分定位技術在調車安全管理中的應用

楊小勇

(南昌鐵路局 運輸處， 南昌 330002)

0 引言

鐵路是國民經濟的重要組成部分，與公路、水運、航空、管道等運輸方式構成我國的現代化交通運輸網[1]。

鐵路調車作業是鐵路運輸生產的重要組成部分，是確保實現列車編組計劃、列車運行圖、加速車輛周轉、質量良好地完成運輸生產任務過程中必不可缺的重要環節，具有全天候、勞動強度大、作業地點涉及面廣、作業對象多種多樣、作業組織復雜、作業方法靈活多變、影響作業的因素多等特點，為此，調車作業發生事故的概率遠遠大于其他作業，是鐵路運營管理中安全防范，加強管理的重要環節[2]。

1) 南昌鐵路局調車工作現狀車務系統管轄車站402個，其中有調車作業車站201個，占車站總數的50.0%，日均調車約1.3萬鉤。其中編組站3個(向塘西、鷹潭、來舟)、區段站19個，設駝峰車站9個(除編組站外，九江西、贛州東、漳平、樟林、鐵山洋、武夷山<停用>)；主要調送客車底車站5個(九江、南昌、鷹潭、福州、廈門)，調送貨物列車車站196個(含11個客貨車均調動的車站)。全局配屬調小機車130臺，其中調機60臺，調度機車70臺；現有調車指導48人，調車有關人員約2135人。全局共有專用線、專用鐵道397處，其中配有企業自備(租用)機車22臺。

調車工作具有參與作業人員多、自動化程度低、全天候、勞動強度大、作業地點涉及面廣、作業對象多種多樣、作業組織復雜、作業方法靈活多變、影響作業的因素多等特點，這些特點決定了調車作業安全風險控制難度遠遠大于其它作業。

目前，車務系統調車安全存在以下主要問題[3]：

第一，查處“兩違”存在隨機性。由于調車作業均在室外，受滿場跑動、監控手段缺乏等客觀條件制約，對調車作業不能做到全過程監控和跟蹤，檢查調車作業更多是采取蹲守、隨機方式，調車作業人違章違紀被查處存在“撞大運”現象。直接造成部分職工在作業過程中抱有僥幸心理，置規章制度于不顧，盲目圖快，憑經驗、憑感覺簡化作業程序，臆測行車。這也是調車作業違章多、性質嚴重、事故多發的內在原因。

第二，職場不利環境需職工自主規避。調車作業不分場地、不分晝夜、不分寒暑，調車作業遇到勞保短缺、廢舊軌料亂堆亂放、地面不平、建筑物侵限、雜草樹木侵限、照明條件不良是常有現象，各種紛繁復雜不利條件需要調車人員自己熟悉，內化于形，一旦調車人員注意不集中極可能發生意外，這也是為什么調車作業發生職工傷亡多，特別是新入職人員傷亡多的內在原因。

第三、調車作業安保及監控手段匱乏。自鐵路有調車作業以來，近百年時間內除引入調車無線燈顯設備外，絕大多數調車方法、工具、流程長期固化。后期投入使用的STP更多是針對司機作業特點開發的，對調車人員的人身安全防護無任何作用；車務系統缺乏類似作業軌跡實時跟蹤設備，已有的錄音回放存在滯后性，引發了“假執標、假聯控”現象。可以說車務調車安保監控手段匱乏，大部分作業靠“人控”，是調車事故多發的客觀原因。

2) 調車管理工作趨勢

調車作業總是伴隨著機車、車輛的運動，是多工種、多環節的作業過程, 隨機性強, 點多面廣, 要求機務、運轉、貨運、裝卸等多工種協同，受人—機—環境的影響，稍有不慎就會發生意外，造成人員傷亡、設備損壞，影響正常的運輸生產秩序。由此可見，強化調車工作的安全管理對加速機車車輛周轉，提高運輸效率，降低運輸成本，實現鐵路的科學發展、和諧發展，甚至為國民經濟又好又快發展具有十分重要的意義[4]。

為進一步完善調車作業管理過程，規范調車作業要求，嚴格作業標準，提升管理效率，采用科技手段，人防與技防相結合，自動規范調車作業過程，減少安全隱患，顯得尤其必要。為了全方位的實時掌握調車作業過程的全貌，對于調車作業過程的調車語音、調車信令數據的離線數據分析，和事后分析整改管理，近年來已經得到一定的發展，相對完善。但是對于調車作業管理中，當前還存在如下實際管理問題迫切需要完善：

現有的管控技術手段，雖然可以通過記錄儀事后下載調車通話數據和調車信令數據，暫時無法獲取調車機車和調車作業組的準確位置信息，即使輔助增加傳統的GPS定位追蹤技術，也達不到實際的作業精度要求。同時調車作業過程進行離線事后分析，只能應付事后事故分析和證據保存的需要，無法做到實時管控和調車軌跡的精確追蹤。

為此，在鷹潭南站試點，采用北斗差分定位技術，結合現場的調車作業管理的具體實踐，設計一套基于北斗差分定位技術的調車安全管理系統，該系統能夠實時監控調車班組作業人員和調車機車的精確軌跡、同時也能通過網絡遠程實時獲取調車通話數據和調車信令數據，系統設計了調車鉤計劃接入接口，可以自動產生鉤分數據，可以根據調車軌跡或者調車鉤計劃全方位的展示調車組的作業過程；除了遠程實時掌握現場調車作業過程，及時控制作業安全風險以外，也為調車作業過程和規范的總結分析、安全防范提供了更加全面的數據分析和管理手段。

1 北斗差分定位技術介紹

近年，隨著我國北斗衛星導航系統的不斷發展，衛星覆蓋范圍和定位精度都得到了巨大的提高，北斗定位技術的不斷應用到國民經濟發展的各個行業。

北斗差分技術的原理：北斗差分系統包括一個或多個安裝在已知精確位置點上的北斗接收機作為基準站接收機，通過基準站接收機對北斗衛星信號的測量而計算出差分校正量，然后將差分校正量轉發給位于差分服務范圍內的用戶接收機，以提高用戶接收機的定位精度。

1. 差分北斗根據服務的地理方位分為局域，區域和廣域三大類，擁有不同長度的基線距離。

差分系統目的主要在于消除衛星時鐘，衛星星歷，電離層延時和對流層延時誤差,如果這些誤差量經差分校正后的殘余要小于多路徑和接收機噪聲，那么這些誤差成分在用戶與基準站處的空間相關性較高，此時的基線稱為短基線，否則稱為長基線。

2. 差分北斗根據差分校正的目標參量分為位置差分，偽距差分，載波相位平滑后的偽距差分以及載波相位差分。

(1) 位置差分：

位置差分系統認為基準站接收機的定位誤差與用戶接收機的定位誤差相關，于是它將基準站接收機的定位值與經精密測繪得到的真實值之差作為差分校正量并將之轉發出去，用以對用戶接收機進行直接校正。

(2) 其他差分

與差分校正量在定位領域內位置差分不同，其他三種差分量則均在測距領域內。由于載波相位測量值的精度比偽距測量值的精度高出幾個數量級，因而基于載波相位的差分系統通常具有更高的定位精度，可以用來實現精密定位，基于偽距的差分系統可以獲得分米級的定位精度，而基于載波相位的差分系統的定位精度能達到毫米。

3. 差分北斗定位根據定位的結果可以分為絕對定位和相對定位兩種。

在絕對定位中，基準站接收天線的位置坐標需要被實現精確地確定，而利用差分服務的用戶接收機可以求解出天線位置在同一坐標系統中的定位值。

相反，相對定位系統可以不需要知道基準站接收天線的精確位置坐標，用戶也并不關注他的絕對位置坐標，而用戶接收機所解得的定位結果是相對于基準站位置的位移向量。

2 北斗差分定位應用系統在調車安全管理中的實踐要求

北斗衛星導航系統是我國自主發展、獨立運行的，與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，也是我國最關鍵的國家基礎設施之一。

針對調車安全管理的具體情況，對平面調車和駝峰調車作業中的不安全因素進行分析，找出影響調車作業安全的因素，理論聯系實際，兼顧監督管理和安全防護，兼顧事后查處和事前預防，提高調車作業和調車管理水平。

在總體設計中，系統實現調車作業無線通話數據、調車作業信令數據的實時采集、實時解碼、實時監聽、遠程回放，進一步綜合利用差分北斗定位技術，設計調車業務支撐系統平臺，實現調車作業語音、調車作業信令、調車作業高精度軌跡的遠程實時監控、遠程回放，通過全方位、多維度的調車業務數據的智能分析，自動篩選出“違規”作業、自動提示安全預警，在提供系統監控、違規分析的同時，為調車作業人員、管理人員提供技術支援和業務支撐。

2.1 調車作業安全檢查部分要點舉例：

未結合實際繪制上道(上線)作業固定線路走行示意圖或不按規定行走固定走行線路。發生上述情況時，極易引發勞動人身安全事故，通過定位追蹤，可以實時報警，也可以留存分析。

調車作業在路肩窄、路基高的線路上和高站臺上作業時未停車上、下車。定位技術可以識別不按《站細》規定停車上下，從而達到警示作業人員，防患于未然。

調車作業未按規定執行一度停車或未按規定進行制動機通風試驗；接近車檔不一度停車可以報警。

調車作業人員遙控指揮，未確認調車信號，盲目指揮機車動車。識別調車人員不在規定作業范圍指揮。

越出站界調車、跟蹤出站調車。定位識別越出站界或跟蹤出站調車，提示相關作業事項。

推進作業時，作業人員站立在不能隨時使用簡易緊急制動閥的位置。

調車作業計劃布置后，調車作業人員未及時出場作業。定位識別是否全員出動，有無進行入線檢查，是否假防溜。

機車車輛通過減速頂時超過規定速度。經過減速頂線路時，是否符合《站細》規定速度，采取相應處置。

2.2 調車安全管理中，集成北斗差分定位的調車業務支撐系統功能設計要求：

調車推進作業過程中實時監控車列移動的精確位置，平臺遠程實時追蹤回放調車作業人員和機車的移動軌跡；

調車推進作業過程中通過北斗精確定位實現特定位置安全提醒，盡頭線精確定位安全防護，與平調設備互聯互通，安全聯鎖控車。

與調車作業軌跡同步，遠程實時監聽調車作業通話語音，也支持調車軌跡追蹤和調車通話錄音的同步回放。

與調車作業軌跡同步，遠程實時監控和解碼調車信令過程，也支持調車軌跡追蹤和調車信令的同步回放。

設計調車作業計劃通知單接入接口，支持調單計劃的接入功能，支持調單計劃執行過程的實時監控和軌跡追蹤，也支持調單計劃和調車軌跡的同步回放。

支持調單計劃支持過程的實時確認功能，自動獲取調車計劃執行數據，輸出調車鉤計劃鉤分系統。

可選支持雷達測距功能，自動語音播報存車位置距離，減輕作業人員勞動強度。

3 調車安全管理中的北斗差分定位應用系統設計

設計一款具備北斗差分定位功能的智能調車終端，調車作業人員采用背夾的方式，攜帶調車終端。內置北斗差分定位模塊，定位精度達到厘米級，攜帶定位終端，系統通過北斗差分系統的高精度功能，能夠自動識別：

調車人員走行路線定位，辨識調車作業人員沿股道的行走路線和繞過車列尾部折返路線，自動識別作業人員侵限、不按固定線路行走、需要行走的路程不完整、穿越線路動作、探身進入線路作業等情況。

通過系統的北斗差分高精度定位功能，能夠自動識別離開股道盡頭線土檔的精確距離，與現有平調設備互通聯鎖，能夠自動完成多股道盡頭線土檔的智能防護功能。

通過系統的北斗差分高精度定位功能，能夠自動識別調車作業人員接近高站臺、路肩窄、路基高、高柱信號機，調車人員遙控指揮、調車完畢不復檢以及車列一度停車、接近站界、調車作業人員不全員出場作業等自動提醒，自動預警功能。

通過系統的北斗差分高精度定位功能，能夠精確測試車列移動速度，可以準確的辨識差速調車、超速上下車、超速連掛、調車作業超速等違規調車作業。

差分北斗定位終端預留了調車計劃單接口，可以顯示調車作業通知單。

通過系統平臺側的WEB網頁可以回放調車作業人員的高精度移動軌跡，既可以實時監控，也可以歷史回放作業過程。

3.1 系統實現原理框圖：如圖1所示。

差分定位信息系統設計有兩條傳輸通道，一條為鐵路專網的傳輸通道，用于實時傳輸北斗差分基站的校正偏移量，另外一條備用數據傳輸通道選用4G移動互聯網絡。

系統設備介紹：

1) 差分北斗定位數據采集終端：用于實時采集差分定位數據，同時預留調車鉤計劃傳輸顯示擴展接口，如圖2所示。

2) 車站設備：實時采集調車作業通話、調車信令數據，具備調車業務策略分析功能，如圖3所示。

圖3 車站設備

3) 應用控制器設備：完成調車作業錄音數據、信令數據、高精度軌跡數據的收集、存儲、處理；完成調車作業違規策略的分析；提供實時監聽、實時追蹤業務數據流的調度；調車業務支撐系統的業務呈現等，如圖4所示。

圖4 應用控制設備

3.2 鷹潭南站站場系統平臺地圖測繪和制作

鷹潭南站站場定位地圖數據的實地測繪效果，如圖5所示。

圖5 鷹潭南站實地測繪圖

鷹潭站高精度定位軌跡追蹤應用系統WEB登錄界面顯示效果，如圖6所示。

(a) 界面顯示效果

(b) 網頁登陸顯示界面

3.3 系統功能界面展示效果圖：

調車高精度定位軌跡追蹤系統部分界面操作示意圖，如圖7所示。

4 總結

通過高精度RTK北斗差分技術在調車管理中的應用，基本已經到達調車管理和安全防護的高精度、調車作業軌跡追蹤的功能。后續還會持續在終端體積的工藝小型化、調車管理和防護策略的豐富方面持續優化以及對定位設備如條件成熟接入視頻攝像設備等方面持續改進。

后續可以引入語音識別技術，可根據調車錄音、信令、軌跡自動生成鉤計劃分析表，預判存在的問題，提高管理人員分析效率和分析質量，減輕管理人員勞動強度。還需引入大數據分析，可以智能識別調車人員作業習慣，有針對性采取管理手段控制安全風險；可以統計各類調車作業指標，有針對性地改進工作方式，提高作業效率；實現全局數據聯網后，可以準確掌握全局各站、各段、個人調車作業情況。

圖7 界面操作示意圖

該技術如能實現與STP系統、信號監測系統、視頻監控系統接口，不僅可以實現更精確的定位，還可以實現三維立體監控，屆時調車作業將全方面、立體受控，調車安全系數將極大提高，調車作業效率也將進一步提高，車務系統安全管理壓力將會得到極大緩解，在車務系統安全管理甚至是鐵路安全管理中的具有里程碑意義。

該技術成熟后，可先在調車作業繁忙的中間站推廣，再在編組站、技術站推廣，最后在一般中間站推廣，計劃3-5年時間內可實施完畢。在實施過程中，首先要考慮頂層設計調車智能分析系統，分路局、站段、中間站三級權限，預留相應接口，便于管理和進一步功能拓展，更于大數據分析。

當然，在推廣使用該技術時，始終在突出“人防”核心，針對《鐵路技術管理規程》《行車組織規則》《車站行車工作細則》不夠詳細的地方，在實踐中加以補充和細化，強化規章管理制度的剛性約束，以進一步統一操作流程。加強了對人的不安全因素有效控制，以崗位作業自控、班組內部互控、班組間聯控為核心，“兩紀一化”受控、設備質量受控、人員素質受控為目標，使各人員間的配合達到統一和整體化，減少操作不統一帶來的安全隱患。按照“數字車務”“智慧車務”目標，持續推進科技手段在運輸安全生產中的融合和應用，解決生產條件變化后現實安全控制的難題，提升了車站調車設備的現代化程度，進一步降低了職工的勞動強度。

再好的設備也需要人來管理，針對調車作業特點，各級管理人員還是要補全安全風險管理監督制機的薄弱環節，按照覆蓋面和量化要求，均衡制定月度檢查計劃，并保證雙休日、節假日現場監督檢查力量，要做到明查與暗訪相結合、定期與隨機相結合、白天與夜間相結合、重點與一般相結合、專項檢查與日常檢查相結合，強化關鍵時間、關鍵作業、關鍵地段的檢查力度。特別是要善于利用STP、微機監測等系統回放分析，提高檢查的針對性和準確性。

[1] 《鐵路技術管理規程(普速鐵路部分)》[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2] 《鐵路平面數字無線調車設備技術條件》[M].北京：中國鐵道科學研究院,2016.

[3] 《南昌鐵路局普速鐵路行車組織規則》[M].北京：中國鐵道出版社,2016.

[4] 《調車作業安全知識手冊》[M].北京：中國鐵道出版社,2010.