鐵路營業線施工智能安全防護管理系統研究

關 達，白 銘

(神華包神鐵路集團有限責任公司，內蒙古包頭 014010)

安全是鐵路運輸永恒的主題。在鐵路營業線施工中，要確保行車、人身和施工安全[1]。目前鐵路營業線施工現場作業安全管理還是主要靠人盯人和依靠人傳輸安全信息的模式。施工現場安全防護工作依舊采取人工防護和制度管理的方式[2]，管理也是主要靠各級管理者的現場常態化檢查。現場安全防護人員通過目視的方法監控路用車的靠近，通過對講電話、信號旗或信號燈、慢行揭示牌進行安全防護[3]。既有施工安全防護主要采用人防為主，缺少安全防護的智能化[4]手段，容易造成人身安全或者行車安全事故。

國內外很多學者和鐵路局就施工安全防護進行了研究，如采用“故障導向安全”的策略，基于機車在線運行位置信息(LKJ 設備運行監測系統)和施工人員位置信息構建了施工安全防護系統[5]；按照“車對地、地對車、人車交互、雙向預警”的思路，基于物聯網技術，開發了施工安全綜合防護系統，系統GIS為基礎，承載呼叫中心、軌道車接近預警系統、施工關門防護系統、高鐵通道門智能管理系統、工務生產管理系統、電務生產管理系統、供電生產管理系統等功能性系統[6]。上述研究均是在整合既有系統的基礎上，通過新技術手段獲取路用車接近信息，但對于施工防護人員和防護設備管理以及現場作業標準化流程管理，并未提出有效解決方法。

本文研發了基于北斗地基增強高精度定位技術[7]的智能安全防護設備；提出一種鐵路營業線施工安全防護管理方法和系統，實現了施工現場作業前、中、后的全過程標準化、智能化管理；并在施工現場作業安全管理方面實現了業務流程再造和管理創新，有效提升施工安全管理整體水平。

1 系統整體框架

營業線施工智能安全防護系統主要基于人臉識別技術、北斗地基增強高精度定位技術、移動應用技術、GIS技術等新技術，實現對施工現場關鍵人員、智能防護設備、路用車、施工作業流程進行精細化、全過程管理。系統高精度(亞米級)采集路用車、安全防護設備、現場關鍵作業人員實時位置信息，提供車、地、人三方實時通信功能；同時對現場作業流程進行智能管控，實現現場作業標準化，以達到確保鐵路施工作業人身及設備安全，確保鐵路行車安全的目的。施工智能安全防護管理系統整體示意如圖1所示。

圖1 智能安全防護系統整體示意

2 系統流程安全策略

根據鐵路技術管理規程[8]和現場作業流程，提出一種鐵路營業線施工安全防護管理方法和系統，實現了施工現場作業前、中、后的全過程標準化、智能化卡控管理[9]，作業流程設計如圖2所示。

圖2 智能安全防護系統作業流程

2.1 防護員安全管控

施工現場作業中對施工單位的駐站聯絡員、現場防護員安全管控策略如下。

(1)系統通過人臉識別技術[10]核實到崗防護員的身份，確保到崗防護員具有上崗資質。

(2)系統通過北斗地基增強高精度定位技術確認駐站聯絡員到達車站行車室，現場防護員確認到達施工地點要求的防護位置，實現安全防護員到崗登記。

(3)系統在施工過程中實時記錄安全防護員的軌跡，并建立電子圍欄，實現安全防護員離崗預警。

2.2 防護設備安全管控

施工現場作業中對《鐵路技術管理規程》(以下簡稱“技規”)要求擺放的防護標志/信號進行智能化管理，通過在防護標志/信號加裝基于北斗地基增強高精度定位技術的智能安全防護設備，實現防護標志/信號智能化和亞米級高精度定位、數據上報和遠程控制預警，具體安全管控策略如下。

(1)系統獲取防護標志/信號高精度位置。

(2)系統根據施工地點的端點，計算防護距離[11]。

(3)系統根據施工地點、施工內容及防護距離，判斷是否符合“技規”要求。如不符合要求，系統提示“技規”要求防護距離。

2.3 施工登記安全管控

系統只有在防護員安全管控和防護設備安全管控都符合要求的前提下，才允許施工單位進行施工登記，車站值班員才能向調度申請施工封鎖命令。施工命令下達后，施工才能正式開始。

2.4 路用車接近安全管控

路用車通過工業PAD接收調度施工命令，確定天窗期間運行區間。路用車運行時，PAD上的地圖實時顯示路用車的高精度位置和速度，前方施工的防護設備位置和現場防護員的位置。PAD會根據系統設置的預警距離和路用車自身運行速度[12]，通過推演進行聲光提醒和預警；同時系統也會將預警信息推送給智能防護設備相關關鍵人員。從而實現人車交互、雙向預警安全防護。

3 系統設計與應用

3.1 系統架構設計

系統架構包括用戶層、應用服務層、應用支撐層、數據傳輸層和身份識別及感知層，描述如下。

(1)用戶層：用戶使用互聯網(3/4G網絡)、內網完成業務處理、信息查詢等，用戶包括工區、工隊、車站值班室、段技術室、段調度室、調度中心施工室、公司業務主管部門、公司主管副總以及外部施工單位施工負責人、現場防護員、駐站防護員等。

(2)應用服務層：為用戶提供接入服務，負責客戶請求的安全接入，并將請求提交至應用支撐層處理，將處理結果返回客戶。

(3)應用支撐層：提供支撐應用系統的軟硬件運行環境。包括數據庫服務器、應用服務器、網絡設備、操作系統、數據庫軟件、中間件、GIS地理信息系統、網絡安全平臺等。

(4)數據傳輸層：負責信息系統數據傳輸與信息交換。包括NB-IoT、3/4G、VPN和神朔內網。

(5)身份識別及感知層：通過人臉識別、防護設備、手機、北斗模塊等自動采集防護人員、軌道上機車和路用車信息。

系統總體技術架構如圖3所示。

圖3 系統總體技術架構

3.2 系統功能

鐵路營業線施工智能安全防護管理系統根據業務流程主要分為施工準備管理、安全防護管理、施工完成管理三大功能模塊。這些功能模塊規范施工現場作業流程，實現了施工現場作業過程的精細化、智能化和全過程管理[13]。施工智能安全防護管理系統功能如圖4所示。

圖4 智能安全防護系統功能模塊

3.2.1 施工準備管理

(1)查看作業計劃：施工負責人及防護員查看每天批準的日計劃等信息；施工負責人派發日計劃工單。

(2)施工預登記：駐站聯絡員根據批準的施工日計劃，進行施工預登記。

(3)施工準備會：施工前，施工負責人組織召開施工準備會，對施工的流程步驟進行安排部署，強調安全重點等，上傳現場開會圖片及錄入會議內容。

(4)駐站到崗登記：通過人臉識別和北斗/GPS定位功能，對駐站聯絡員進行身份核實并實時獲取駐站防護員的位置信息[14]，判斷駐站聯絡員是否本人到崗，來進行到崗登記。登記詳細內容參考車站的駐站到崗登記簿。

(5)上道檢查：上道前檢查施工防護設備、人員是否齊全，對人員進行拍照，系統通過人臉識別技術及北斗/GPS定位功能，來識別照片中的上道人數、上道位置信息、上道時間等，并將信息通過水印的方式添加到照片上，照片上傳到服務器保存。

(6)現場防護員到崗登記：通過人臉識別和北斗/GPS定位功能，對現場防護員進行身份核實并實時獲取現場安全防護員的位置信息，判斷現場安全防護員是否本人到達指定防護區域，來進行到崗登記。

(7)防護設備到位檢查：通過日計劃的施工地點信息及智能防護設備上的高精度北斗/GPS定位功能，來判斷防護標志/信號是否放置到位，是否超出防護距離等。

3.2.2 施工安全防護管理

(1)登記確認：通過北斗/GPS定位功能來驗證駐站聯絡員的位置信息是否在登銷記車站；通過人臉識別技術來驗證駐站聯絡員是不是本人來進行登記確認。

(2)防護人員盯控：通過北斗/GPS定位功能，實時獲取現場防護員及駐站聯絡員的位置信息，根據預設的電子圍欄判斷現場防護員及駐站聯絡員是否遠離防護現場等，并在系統上記錄施工期間防護員的軌跡信息。

(3)來車預警：通過采集人員、防護設備、路用車的實時位置信息并上傳，同時檢查施工地點防護區間是否有路用車靠近[15]。如果有車輛靠近，系統給現場防護員、駐站聯絡員、車站值班員、路用車司機進行同步預警提醒。

(4)施工超限預警：通過北斗/GPS定位功能，實時獲取現場防護員及施工負責人的位置信息，如超出施工地點范圍，可提醒、預警現場防護員、施工負責人和車站值班員。

(5)施工超時預警：根據日計劃中的施工時間及登銷記時的施工封鎖命令時間，提醒現場防護員、駐站聯絡員、值班員施工即將超時。

(6)施工進度確認：現場施工負責人根據日計劃的施工內容及步驟，對現場施工的進度進行確認，并且在系統上實時顯示此施工的進度情況。

(7)施工現場視頻：通過安全防護設備上的視頻攝像頭，實時上傳現場施工視頻。相關人員可實時操控及查看現場施工視頻，掌握現場施工情況。

3.2.3 施工完成管理

(1)施工銷記：通過北斗/GPS定位功能來驗證駐站聯絡員的位置信息是否在登銷記車站；通過人臉識別技術來驗證駐站聯絡員是不是本人來進行銷記確認。

(2)下道檢查：施工完成后，對施工現場進行拍照，上傳到服務器，系統會根據圖片信息，自動分析施工現場是否存在異物、防護設備及人員是否撤離等；同時對下道人員進行拍照，系統通過人臉識別技術及北斗/GPS定位功能，來識別照片中的下道人數、下道位置信息、下道時間等，將信息通過水印的方式添加到照片上，照片上傳到服務器保存。同時通過照片比對技術，比對上道時的照片與下道時的照片中的人數是否相同。

(3)銷記確認：通過北斗/GPS定位功能來驗證駐站聯絡員的位置信息是否在登銷記車站；通過人臉識別技術來驗證駐站聯絡員是不是本人來進行銷記確認。

(4)駐站離崗登記：登銷記完成后，通過北斗/GPS定位功能，來進行離崗登記，系統記錄駐站聯絡員的位置及時間信息等，離崗登記詳細內容參考車站的駐站離崗登記簿。

3.3 系統實現及應用情況

3.3.1 智能安全防護設備

國家北斗地基增強系統是北斗衛星導航系統應用的一個重要組成部分[16]，是將衛星定位、計算機網絡、數字通信等技術多方位結合，采用多基站網絡RTK 技術建立的連續運行基準參考站系統(CORS)，為相關應用提供高精度的靜態和動態的空間位置服務[17]，以滿足基礎測繪、交通運輸管理、環保監測、滑坡監測、建筑物沉降變形監測[18]、移動目標監測應用等領域的需要。

本系統研究的智能安全防護設備就是采用國家北斗地基增強系統提供的高精度亞米級的定位服務來實現站場內的股道、信號機、道岔等相關設備和區間上下行股道[19-20]等施工地點的精準定位。基本原理如下：智能安全防護設備通過接收衛星信號，獲得所在地點的粗位置數據(非精準)，通過互聯網，將這個位置數據(GGA)上傳到國家北斗地基增強平臺，一同上傳的還有Ntrip協議參數。平臺獲得粗位置數據后，通過互聯網下播所在位置的差分數據。這個時候需用到安全防護設備自帶的差分解算功能，結合原始觀測值和差分數據，進行解算，實現糾偏，來獲取高精度的位置坐標[21]。

本系統研究了兩款智能安全防護設備，一款帶有攝像頭，支持4G通訊，支持現場視頻實時采集；另一款低功耗，支持GPRS。兩款設備都內置GNSS高精度定位模組和RTK算法，通過國家北斗地基增強系統提供的加速定位服務，在現場環境下3～5 s即可獲得高精度定位固定解。同時支持在無網絡信號區域，待2G信號恢復后，定位數據自動補傳。定位數據上傳頻率設置為在開機后3 min內每20 s一次，以后是每5 min一次，滿足整個系統及時性、安全性和可靠性要求。兩款智能設備具體外觀如圖5所示。

圖5 兩款智能安全防護設備

3.3.2 系統技術架構

施工智能安全防護管理系統技術架構采用集中式架構，提供網站、手機APP等多種接入渠道；圍繞微服務治理體系，依托分布式消息服務、分布式應用部署、數據庫集群等中間件，打造“強平臺，富組件”的集成架構應用；利用SpringBoot、SpringCloud微服務架構體系形成本系統統一應用框架；定義標準開發測試規范、版本管理規范；基于統一PaaS平臺構建持續集成、持續測試、持續發布、持續改進的自動化交付機制。

3.3.3 系統應用情況

系統自2019年12月1日正式在神華包神鐵路集團神朔鐵路推廣試運行，中間經過幾次優化調整，目前完全滿足神朔鐵路營業線施工安全防護管理的需求，達到了提質增效的預期效果。部分功能界面如圖6、圖7所示。

圖6 施工安全防護管理監控界面

圖7 駐站聯絡員、現場防護員到崗登記APP界面

4 結語

(1)本研究創新了一種鐵路施工防護方法、服務器和鐵路施工防護系統(發明專利公開號：CN110682941A)；創新了一種自輪運轉特種設備的運行方法、裝置、設備和存儲介質(發明專利公開號：CN111319656A)；研發了兩款智能安全防護設備；實現了物聯網技術在鐵路施工領域的應用創新，實現了業務流程再造、安全管理創新和應用模式創新。

(2)神朔鐵路隧道較多，長距離隧道內部對北斗定位和數據傳輸影響較大，下一步重點研究隧道施工的安全防護措施和手段，進一步增強鐵路施工作業工作的安全性、可靠性、可控性，提高鐵路施工工作的質量，有效降低人員傷亡事故發生率，保障鐵路運輸的安全有序運營。