基于信息技術的重載鐵路安全方案研究

路遠聰

(中國鐵路設計集團有限公司 電化電信工程設計研究院，天津 300308)

1 重載鐵路安全中信息技術的應用現(xiàn)狀及需求

重載鐵路安全是一個交叉多學科的領域，也是一個融合了管理制度和技術裝備的多專業(yè)復合系統(tǒng)，需要從管理措施和技術支撐等方面進行加強[1]，而通信信息技術正是其中重要一環(huán)，但目前重載鐵路在維護運營安全方面主要從調度組織、人員管理和工務檢修等方面進行強化[2-3]，其采用的通信信息技術及設施存在以下不足。

（1）重載鐵路具有更大的曲線半徑、更小的限制坡度，在曲線區(qū)段鋼軌側磨、隧道及大坡道地段磨損比較嚴重，在具有較小曲線半徑、較大坡度的特殊地形地段存在更大的行車安全風險。視頻監(jiān)控不能完全覆蓋上述重點區(qū)域，視頻采集設備老舊或未采用高清攝像頭，部分視頻設備不具備視頻分析能力，視頻信息僅本地存儲，監(jiān)控并未納入統(tǒng)一視頻監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]。在上述重點區(qū)段需要補強視頻監(jiān)控點位，突出顯示重點區(qū)域的監(jiān)控。

（2）重載鐵路車輛載重大，線路技術標準高，存在基礎設施病害多、維修周期短的問題。重載車輛對軌道的磨損也更嚴重，且重載車輛超限超重危害性大，需要從重量上對行駛車輛進行限制檢測。重載鐵路中間站接軌較多貨運支線、企業(yè)專用線，或臨近設有其他鐵路專用線貨場、交接場，貨車來源繁雜，需要有效管理監(jiān)控。貨車裝載視頻監(jiān)控設施、超偏載設施安設范圍仍有不足，未完全實現(xiàn)機檢代替人檢[6-7]。

（3）重載鐵路運量大，運輸組織復雜，運輸調度繁忙，貨運中間站調車裝卸疏解等工作負荷極大，且調度組織工作更需要按安全化標準化規(guī)程執(zhí)行。貨運車站接發(fā)列車作業(yè)安全管控機制仍然更多依靠作業(yè)人員之間的協(xié)同、監(jiān)督、值班盯控等人控機制，運輸調度組織的標準化、規(guī)范化流程缺乏監(jiān)控記錄，存在列車接發(fā)中的誤操作風險。

因此，加快重載鐵路安全監(jiān)測防范手段的信息化[8]，建設全流程一體化的重載鐵路安全信息系統(tǒng)具有迫切必要性[9-10]。

2 基于信息技術的重載鐵路安全方案

大秦鐵路(韓家?guī)X—柳村南)建成運營已久，基礎設施需要大修維護，結合現(xiàn)場運營中的安全風險狀況和病害問題，提出基于信息技術的重載鐵路安全方案對提升安全性很有必要。

2.1 方案目標

本方案涵蓋行車安全、監(jiān)控預警、車站管理、機車操控4個方面，基于信息技術創(chuàng)新性地提出了重載運營中的4大安全要素：行車安全、裝載安全、調度安全、操控安全。

行車安全需提供豐富的區(qū)間重點地段視頻圖像資料以保障車站管理、區(qū)間行車狀態(tài)穩(wěn)定；裝載安全需對進入重載鐵路的貨運車輛的裝載超限情況進行監(jiān)控，貨物超偏載檢測設備對進入重載鐵路的貨運車輛的重量超載情況進行監(jiān)控，在貨源地、貨物集散地消減貨車超偏載帶來的安全風險；調度安全需在貨運調度管理中進行程序化、自動化、規(guī)范化操作，避免誤操作風險；操控安全需安設列尾以輔助司機安全駕駛。借此實現(xiàn)在區(qū)間重點地段、貨源裝卸點、貨車接軌點、貨車疏解站、調度管理作業(yè)、貨車行駛中全流程的信息化安全運營。

2.2 總體方案

重載鐵路安全信息系統(tǒng)在邏輯上分為4個層級。邏輯層級如圖1所示。

（1）設備層。設備層是系統(tǒng)平臺基本保障層，為平臺提供基礎視頻資源、數(shù)據(jù)采集信息，設備層包括視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、貨車裝載視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、電子軌道衡計量及貨物超偏載檢測子系統(tǒng)、車站接發(fā)列車程序安全控制及記錄子系統(tǒng)和貨車列尾子系統(tǒng)。設備層為安全管理和運營調度提供基礎視頻圖像資料和基礎狀態(tài)數(shù)據(jù)。前端設施包括高清高速線陣相機、電子軌道衡計量裝置、高清攝像機、各式傳感器、各類嵌入式設備等。根據(jù)運行線路實際情況可在前端采集點設置光電轉換器、光端機、綜合接入設備、室外柜等。

（2）中間層。中間層將設備層采集的視頻、數(shù)據(jù)信息進行接收處理后，傳輸給系統(tǒng)平臺的相應服務模塊。綜合考慮建設成本、運營需求以及實際管控模式，且重載鐵路通信系統(tǒng)較少設置數(shù)據(jù)網(wǎng)設備，中間層主干通道可采用通信專業(yè)設置的專用傳輸通道的方式進行專網(wǎng)傳輸，可以節(jié)約PE路由器、CE路由器等設備成本，且傳輸安全性、效率以及維護成本都可以得到很好的控制。帶有以太網(wǎng)光口的前端設備及前端室外控制箱等可通過光纜將數(shù)據(jù)匯聚于臨近車站的傳輸設備；列尾信息可經(jīng)無線信道匯聚于臨近車站的傳輸設備；中間層經(jīng)傳輸系統(tǒng)承載接入安全平臺。

圖1?邏輯層級Fig.1 Logical hierarchy

（3）服務層。服務層是系統(tǒng)平臺的核心層，系統(tǒng)的各項功能均由服務層的各業(yè)務單元模塊來實現(xiàn)，并預留第三方系統(tǒng)接口。服務層可以鐵路運營單位既有的綜合視頻監(jiān)控平臺為基底進行擴展。既有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)各類服務器等核心組件充分利用既有，并擴容調整。新增系統(tǒng)設備的接入通過軟件部署、軟件調整、功能調試等操作對新增設備進行配置即可。運營單位、資產(chǎn)歸屬單位等可對軟件進行許可證授權，以確保新增設備根據(jù)級別進行不同等級功能的授權。系統(tǒng)主要是建立在鐵路運營單位的專用網(wǎng)絡上，并需要與其他內(nèi)部信息網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)互通，視頻監(jiān)控信息、作業(yè)信息、狀態(tài)信息接入安全綜合管理平臺，可向應急指揮中心或其他職能機構的系統(tǒng)共享視頻級數(shù)據(jù)資源，可接入站段、鐵路局集團公司，便于集中管理和復示監(jiān)控。

（4）展現(xiàn)層。展現(xiàn)層是用戶界面層，系統(tǒng)的各項功能業(yè)務在本層與用戶進行交互。展現(xiàn)層可以鐵路運營單位既有的綜合視頻監(jiān)控平臺為基底進行擴展。展現(xiàn)層需具備多樣化功能，包括對各種不同業(yè)務部門的視頻監(jiān)控信息、傳感器采集數(shù)據(jù)、日常數(shù)據(jù)、日常日志、工作記錄等進行歸檔、歸納、總結、分類，并進行綜合評判后進行分類處理，通過視頻狀態(tài)監(jiān)控終端和平臺顯示大屏呈現(xiàn)綜合安全運維狀態(tài)信息。

2.3 方案要素分析

研究從信息技術角度提出了基于信息技術的重載鐵路安全方案，通過整合各類前端安全狀態(tài)信息，以集成于運營單位統(tǒng)一的多媒體安全監(jiān)控平臺，以信息技術涵蓋重載鐵路全流程的運維安全。

2.3.1 行車安全

行車安全是重載鐵路安全的基本要素之一，指重載車輛在貨運作業(yè)區(qū)及行駛區(qū)間的車況安全。鐵路的視頻監(jiān)控采集設備多設置于車站咽喉區(qū)、貨場、隧道口等位置，考慮到重載鐵路在具有較小曲線半徑、較大坡度的特殊地形地段存在更大的行車安全風險，需要擴大視頻監(jiān)控設備建設范圍，可在下列位置補強或升級視頻采集點。

（1）在區(qū)間較小曲線半徑、較大坡度的特殊地形地段等可補強設置視頻采集點。

（2）工務巡檢發(fā)現(xiàn)的軌道磨損嚴重點位及其他病害多發(fā)地段可補強設置視頻采集點。

（3）貨運站咽喉區(qū)及到達解體列車各入口方向全覆蓋配置視頻監(jiān)控設備，實現(xiàn)對到達解體列車機檢代替人檢目標。

（4）貨場視頻監(jiān)控補強，對貨區(qū)貨位、裝卸車作業(yè)點、營業(yè)廳、門衛(wèi)、倉庫、道路等補強設置視頻采集點，做到貨運作業(yè)場所視頻全覆蓋，增強治安防范能力，滿足貨運作業(yè)需求。

（5）對既有貨運視頻監(jiān)控設備進行升級改造，可升級為具有智能分析功能的視頻監(jiān)控設備。

貨運作業(yè)區(qū)專用視頻及區(qū)間重點地段視頻監(jiān)控等監(jiān)控信息可納入鐵路局集團公司重載安全多媒體綜合平臺，便于集中管理和監(jiān)控，并可設置于應急系統(tǒng)、調度系統(tǒng)等聯(lián)動接口。

2.3.2 裝載安全

裝載安全是重載鐵路安全的重要要素，是指重載車輛在載貨過程中的滿載偏載的裝載安全。重載鐵路連接大量支線貨運鐵路及專用線，在重載線路入口車站配齊完善貨車裝載視頻監(jiān)控設備，確保貨物列車開行安全。應用貨檢智能識別技術，實現(xiàn)貨物裝載狀態(tài)高清視頻、圖像信息的自動收集，增強視頻監(jiān)控設備主動判斷安全隱患并預警的能力，減輕監(jiān)控、作業(yè)人員勞動強度，優(yōu)化貨檢作業(yè)流程，提高貨檢作業(yè)效率及質量。

貨車裝載視頻監(jiān)視子系統(tǒng)由光纖通道、設備門架、貨車裝載視頻設備(高清攝像機)、車號識別設備及聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)組成。系統(tǒng)以車輛為單位、按車號進行圖像采集，通過檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)車或確報進行匹配，實現(xiàn)實時監(jiān)控、視頻回放、圖像抓拍、報警管理、過車信息查詢、統(tǒng)計分析等功能。貨車裝載視頻監(jiān)控邏輯結構如圖2所示。

貨車裝載視頻監(jiān)控室外設備可設置于筒倉、軌道衡、與重載鐵路接軌處、接軌站到達場入口處、裝卸站咽喉區(qū)等位置。上述視頻監(jiān)控信息可納入多媒體安全綜合平臺，并可接入站段、鐵路局集團公司，便于集中管理和監(jiān)控。

重載鐵路連接大量支線貨運鐵路及專用線，在重載線路入口車站及重載鐵路接軌的專用線和貨運支線需配齊完善軌道衡、超偏載檢測設備，對到達解體列車實施機檢，節(jié)省人力，避免漏檢問題，提高問題車處置能力及運輸效率，確保貨車開行安全。

圖2?貨車裝載視頻監(jiān)控邏輯結構Fig.2 Logic structure for video monitoring of freight car loading

鐵路貨車超偏載檢測可無人值守，當貨車車輛以5～60 km/h通過該裝置的測量點時，可以準確動態(tài)測量貨車每節(jié)車廂的重量、速度、各項偏移量及該節(jié)車廂的車型、車號，并提供各測試點通過貨車的超載和偏載的報警。采用嵌入式鐵路貨車超偏載檢測裝置，采用基于PC104工業(yè)總線體系的嵌入式系統(tǒng)，把信號實時采集、數(shù)據(jù)處理部分與數(shù)據(jù)庫管理部分分開，可提高檢測裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性并優(yōu)化各部分設計。貨車超偏載檢測數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

電子軌道衡、貨車超偏載檢測設備可設置于筒倉、貨檢站到達解體列車各入口等位置附近。上述視頻監(jiān)控信息在一些運營鐵路線上為本線或本地提供監(jiān)控信息。該視頻信息可通過通信傳輸通道納入鐵路局集團公司重載安全多媒體綜合平臺，便于集中管理和監(jiān)控，并可在相應管理站段設置復示終端。

2.3.3 調度安全

調度安全是重載鐵路安全中的另一重點，是指重載鐵路中間站貨運調度的管理安全。重載鐵路車站接發(fā)列車作業(yè)需要值班員熟練掌握規(guī)章制度并實時了解諸多接發(fā)列車相關信息，對于作業(yè)負荷較大的車站，特別需要避免接發(fā)列車作業(yè)錯誤決策的風險。

車站接發(fā)列車程序安全控制及記錄系統(tǒng)以計算機網(wǎng)絡傳達接收接發(fā)列車作業(yè)指令，使多工種多崗位的工作能協(xié)調統(tǒng)一，減輕了車站人員勞動強度，系統(tǒng)從列車預告開始輸入，將車站股道占用情況以及車次運行信息等數(shù)據(jù)同步通知各接發(fā)作業(yè)人員，保證信息準確一致。車站調度管理計算機網(wǎng)絡結構如圖4所示。

系統(tǒng)具備與運輸調度管理系統(tǒng)(TDMS)的接口，可讀取列車階段計劃數(shù)據(jù)，將現(xiàn)時間段列車車次有序排列；該系統(tǒng)具備與微機監(jiān)測的接口，以讀取站場狀態(tài)信息，核對進路信號是否正確，實現(xiàn)車次自動接近、自動停妥、自動出清的功能。

系統(tǒng)根據(jù)《車站工作細則》等相關規(guī)定構建底層數(shù)據(jù)庫，對接發(fā)列車進行卡控，設置卡控條件。例如，設置區(qū)間停電、區(qū)間封鎖、接觸網(wǎng)停電、股道封鎖等事件條件，智能比較站場開放接發(fā)列車進路信號與系統(tǒng)布置的股道是否一致，如有異常，向車站值班員進行錯誤提醒。系統(tǒng)可對接發(fā)列車的全過程進行記錄。

系統(tǒng)集階段計劃、站場信號狀態(tài)變化、安全提醒、施工管理、行車數(shù)據(jù)于一體，上述作業(yè)信息可納入鐵路局集團公司重載安全多媒體綜合平臺，便于集中管理和監(jiān)控。通過與其他系統(tǒng)連接交互，把車站、站段、局中心納入一個平臺。

圖3?貨車超偏載檢測數(shù)據(jù)流圖Fig.3 Data flow diagram of overload and unbalanced load detection for freight cars

圖4?車站調度管理計算機網(wǎng)絡結構Fig.4 Computer network structure of station dispatching management

2.3.4 操控安全

重載鐵路安全的另一個重要要素是操控安全，是指通過列尾輔助手段保障機車司機的操縱安全。重載鐵路本線貨物列車及車站接入、開往其他支線的貨物列車，需安裝使用貨車列尾裝置。列尾數(shù)據(jù)流圖如圖5所示。

列尾系統(tǒng)主用設備為雙模列尾主機和列尾機車臺。列尾機車臺安裝在機車上，列尾主機安裝在貨車最后一節(jié)車廂。列尾信息的傳輸利用GSM-R無線信道。司機通過列尾機車臺向列尾主機獲取列車尾部風壓信息，結果直觀顯示并通過語音播報提示司機；列尾主機實時監(jiān)測尾部風壓狀態(tài)，當出現(xiàn)風壓異常時可主動向司機提示。

列尾運行信息、列尾風壓信息可經(jīng)由GSM-R無線信道傳輸至鐵路局集團公司列尾管理系統(tǒng)中心及機務段，列尾運行及監(jiān)測信息回傳至列尾運用管理系統(tǒng)，上述列尾狀態(tài)等信息同時可納入鐵路局集團公司重載安全多媒體綜合平臺，設置接口服務器，呈現(xiàn)于系統(tǒng)展現(xiàn)層，并可接入站段，并在相應站段設置視頻監(jiān)控終端，便于集中管理和監(jiān)控。

3 應用案例

3.1 項目概況

大秦鐵路開通以來，總運量累計已達70億t，年運量突破4.5億t，成為世界上年運量最大、列車密度最高、運行速度最快、運營效率和效益最佳的重載鐵路。

大秦鐵路在行車安全、裝卸安全、操控安全等多方面通過信息手段強化了運營安全性。以大秦鐵路湖東站為例，該站為輔助性編組站，主要擔負列車編組、解體、改編作業(yè)，以及專用線、段管線車輛的取送車作業(yè)。

圖5?列尾數(shù)據(jù)流圖Fig.5 Data flow diagram of train tail system

3.2 應用情況

大秦鐵路湖東站在管轄范圍內(nèi)的貨場、上下行咽喉區(qū)、行車室、站場外勤站臺及長大隧道隧道口等位置設有視頻監(jiān)控攝像頭，視頻監(jiān)控信息經(jīng)傳輸系統(tǒng)引入視頻監(jiān)控平臺。

大秦鐵路湖東站在湖大線(湖東—大同東)等相鄰鐵路接軌處設有超偏載檢測裝置、不斷軌無梁式自動軌道衡超偏載檢測裝置，當貨車分別以60 km/h 和5 ～ 35 km/h 通過時，可以監(jiān)控預警貨車的載重偏載情況，防止大秦鐵路上駛入掛有裝載超限貨物及超重的車輛。

大秦鐵路湖東站在企業(yè)線或其他相鄰鐵路線路(如湖大線等)接軌本線位置設有跨股道視頻監(jiān)控龍門架，視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端新建貨物裝載視頻高清監(jiān)控設備2 ～ 3套，信息機房至前端監(jiān)控點敷設有光纜，信息機房至貨檢室或貨檢車間利用既有光纜通道，在貨檢室或貨檢車間設視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端。大秦鐵路線上萬噸及以上貨物列車(含萬噸及以上空車列)均須安裝使用貨車列尾裝置。湖東站設貨車列尾檢測點，配屬普通貨車列尾主機檢測臺、可控貨車列尾主機檢測臺、可控貨車列尾檢測系統(tǒng)及其他附屬設備。湖東站應用情況如表1所示。

3.3 應用效果

大秦鐵路運營30多年來，存在著一定的病害隱患和風險點，危及行車安全，通過采用信息化智能化的監(jiān)控管理手段和技術設施，有效降低了安全風險事件的出現(xiàn)概率，有效防止了重載鐵路運營中安全事故的發(fā)生，減輕了工作人員的勞動強度。但是，本方案在實際應用中仍需完善，需增強各類設施的融合度和集成度，形成集車輛狀態(tài)、安全提醒、調度管理、行車數(shù)據(jù)于一體的統(tǒng)一平臺；可將安全信息復示至相關管理站段，并可增加與其他系統(tǒng)及設施(如應急救援)的接口；視頻監(jiān)控設備須具備智能分析功能，從而增強對安全風險的主動識別防范。

表1?湖東站應用情況Tab.1 Application at Hudong Railway Station

4 結束語

研究創(chuàng)新性地提出在重載鐵路中借助多種通信信息技術手段，輔助提升重載鐵路的信息化和安全性，實現(xiàn)了在貨源裝卸點、貨車接軌點、貨車疏解站、調度管理作業(yè)、區(qū)間重點地段全流程的信息化安全運營，隨著重載鐵路的建設以及包括傳感、視頻在內(nèi)的通信信息技術的成熟與融合，通信信息技術在重載鐵路中的應用會越來越廣泛，為保障重載鐵路行車運營安全、提高運輸效率提供有力的技術支撐。