鐵路列車運行預報系統應用研究

魏奇奇

（國能新朔鐵路有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

1 引言

列車運行預報系統主要解決營業線軌行區域進場施工與設備維護的人身安全和財產安全問題，我國目前的列車運行預報系統解決方案技術手段不一，由于技術缺陷造成列車沖入施工現場，出現人員傷亡甚至列車損壞的案例時有發生，反映出目前的列車運行預報系統存在盲點，因此需要一套完整的技術手段解決此類問題。國內列車運行預報系統主要采用磁電與光電感應式、多普勒雷達式、聲識別式、視頻識別式、車載無線臺發射式等技術，磁電與光電感應式，多普勒雷達式、聲識別式、視頻識別式方案依靠在鐵路軌旁安裝感應識別裝置確定列車具體運行位置，再將列車運行位置發送至施工及維護作業人員，但由于感應識別方式本身可靠性不高及設備安裝成本較高等原因造成具體實施較為困難。車載無線電臺發射式裝置需要在每臺運行的機車上固定安裝位置發送信號，安裝成本較高，局外臨時入路列車難以實現，一旦某列未安裝該設備或者發送設備損壞，該列車將成為隱患車，在作業人員未知的情況下接近，安全風險極大。文章基于此設計研究列車運行預報系統，實現各專業作業人員從上道、收聽確認、避車、下道整套流程的集中監護，構建現場作業人員自防自控、現場防護員主防主控、駐站防護員集中防控、管理人員整體監控的閉環聯控機制，同時通過視聽結合方式提高現場防護員及作業人員對列車運行信息的預知性，可有效降低防護員勞動強度，提升整體安全管控水平，防護效果及安全系數提高。

2 列車運行預報系統功能要求

列車運行預報系統從運輸管理層面出發，疊加先進的無線通信定位技術、傳感技術、深度視頻識別技術等全新技術，解決列車接近預報警問題。列車運行預報系統主要依靠鐵路運輸調度指揮系統中的區段占用（或空閑、鎖閉）、信號機開放（或關閉）、道岔定位（或反位）等信息，計算車輛位置及進路信息，結合通過無線通信高精度定位技術、視頻識別技術、列車運行傳感技術等確定的現場作業人員位置精確信息，動態計算防護區域，過濾無關信息，使各專業作業人員在工作中受到保護，提升安全管控水平，列車運行預報系統功能圖如圖 1 所示，具體功能要求如下。

圖1 列車運行預報系統功能圖

（1）列車接近預警及動態防護。當列車通過區間信號機、接近或離去區段、進站接車或通過進路排列、進站、發車進路排列、出站時，根據人員定位對進入防護范圍的列車進行列車位置及距離播報。

（2）調車作業動態防護。在調車作業進路排列、調車通過第一道岔、到達股道或進路末端區段時，對進入防護范圍的調車進行信息播報。

（3）人員高精度定位及避車距離校核報警。運用北斗+全球定位系統（GPS）高精度差分定位技術，對上線作業人員的位置進行精確定位，區分股道及岔區，可對避車距離進行自動校核，對不符合安全距離的進行報警。

（4）多專業集中監護。車站運轉室設置集中監護終端，供各專業駐站防護人員對上線作業人員進行集中監護。列車運行預報系統以示意站場及地理信息系統（GIS）站場方式，實時顯示軌道區段、道岔及信號機狀態、進路及列車位置，并以不同顏色顯示各專業作業人員位置，顯示并播報現場防護員預警終端狀態，以便駐站防護員實時掌握列車位置、人員位置，監督并提醒作業人員適時避車。

（5）管理監控。管理人員通過便攜式管理監控終端示意站場及GIS 站場，實時查看上下道情況、列車位置、作業人員位置、避車狀態，進行軌跡查詢及歷史畫面回放，實現對管內作業人員的整體監控。

（6）四級閉環聯控。列車運行預報系統采用作業人員自防自控、現場防護人員主防主控、駐站防護員集中防控、管理人員整體監控的四級聯防聯控機制，對上線作業人員人身安全進行閉環聯控，閉環聯控機制示意圖如圖2 所示。

圖2 閉環聯控機制示意圖

（7）事后回放追溯。列車運行預報系統自動記錄作業全過程的站場狀態、列車位置、每臺高精度定位預警終端的位置及軌跡、預警信息播報內容及時間、現場防護人員執行的上下道/預警確認/避車等操作、對講錄音等，事后可進行查詢、回放、追溯，以便進行安全分析。

（8）全線自動漫游。列車運行預報系統以三站兩區間為基本方式對列車接近信息進行預警，多方向車站可實現多站多區間的信息播報。當作業人員進行跨站區作業時，手持終端根據作業人員定位，自動進行主站切換，并以新的主站和左右鄰站形成的三站兩區間為基準，進行預警信息播報，從而實現全線無縫切換和動態漫游。

（9）語音對講錄音。所有手持終端（智能預警終端、對講預警終端、管理監控終端）均具備語音對講功能，后臺自動錄音。

（10）預警信息現場擴音。手持終端具備音頻接口，可在大型施工作業現場放置便攜式擴音設備，進行作業區域列車接近預警信息的高音廣播，進一步提升預警提示效果和作業安全系數。

（11）列車運行預報系統自檢報警。系統應具備狀態自檢功能，對數據中斷、通信中斷、手持終端定位失效等故障及異常狀態進行自檢，并在手持終端和集中監護終端同時進行報警，以便提醒現場人員注意瞭望，或停止作業并立即下道，從而達到故障導向安全的目的。其中終端定位失效時，由于無法計算防護范圍，終端進行三站兩區間全部列車運行信息的播報，以免漏報。

3 列車運行預報系統設計和原理

3.1 方案設計

結合國內現有技防方案，確定列車運行預報系統整體架構、設備組成及分布、數據采集方案、數據傳輸方案、列車定位方案、人員定位方案（含隧道內）、預警分析方案、預警信息播報內容/時機/方式、動態防護方案、確認反饋方案、隧道盲區網絡覆蓋方案，完成列車運行預報系統安全機制及自檢報警機制的設計，整體架構示意圖如圖3所示。而列車運行預防系統關鍵技術難點在于對運輸調度指揮系統數據的統計、分析、準確計算，通過技術手段對現場作業人員作業范圍、運動軌跡等精確捕捉并實時與系統交互，以及特殊地段如隧道、山區等地通信傳輸和定位技術難題的解決方案等。基于以上因素開展關鍵點設計，具體關鍵點如下。

圖3 列車運行預報系統架構示意圖

（1）列車接近預警模型。保證列車接近預警分析準確率達到100%，列車運行預報系統從多個方面保證列車分析準確性：①基礎數據校核及清洗，從最底層保證參與運算的站場邏輯關系準確無誤；②站場開關量數據核驗，從信號集中監測接收到站場開關量數據后，對數據有效性進行核驗；③列車進路追蹤，通過對列車完整進路追蹤保證列車接近分析準確性；④故障導向安全機制，超時未收到監測數據時，會提示信息中斷，告知用戶系統存在問題，需加強瞭望或從其他渠道獲取列車接近信息，達到故障導向安全原則。

（2）GIS 站場跨平臺展現。列車運行預報系統在實現GIS 站場功能時，主要功能使用腳本語言（Js）完成，如GIS 地圖展示，站場設備（含橋梁、隧道）在GIS 地圖中的繪制、人員位置展示、人員軌跡展示等。在操作系統Windows 平臺中，通過運行程序QWebEngineView實現GIS 站場顯示，并通過運行程序QWebChannel實現程序設計語言（C++）與Js 之間的數據交互，完成實時站場顯示，人員位置、橋梁、隧道、軌跡等展示。在操作系統Android 平臺，通過谷歌瀏覽器內核（WebView）實現GIS 站場顯示，并通過Js 接口實現數據傳輸，完成相關功能。相關功能已完成模擬測試，達到預期效果。

（3）隧道內無線網（WIFI）覆蓋。列車運行預報系統示范站清水河縣站管內有清水河隧道（上行、下行）、石壁橋隧道（上行、下行），石壁橋隧道無彎道且有通信運營商網絡信號，無需再進行網絡覆蓋；清水河隧道處于有彎道，且內部無運營商網絡信號，需進行網絡覆蓋。隧道覆蓋施工難點主要為：①施工時間只能為天窗點，且施工工期較長；②光纖及電源在隧道內部如何架設與固定；③電源從何處獲取，且上下行之間電源埋設（跨越線路）。

（4）隧道內WIFI 定位。隧道完成網絡覆蓋后，可實現隧道內部對講通話、列車接近預警接收及播報、人員定位等功能。人員定位思路為采集隧道內部各位置的WIFI 信息，進行數據校核后錄入指紋庫，當終端進入隧道后，通過WIFI 信息與指紋庫進行比較，計算出人員位置。WIFI 人員定位準確性受以下因素影響：①設備安裝為線狀分布的影響；②隧道為洞，側壁及洞頂為混凝土結構，對WIFI 反射、散射影響；③不同類型終端、不同終端的固件對WIFI 定位影響。

（5）動態防護實現。終端現場使用時，根據自身定位信息，結合列車預警信息進路，判斷人、車、站場邏輯關系，動態進行提示及報警，減少無關信息對現場人員干擾：①站場設備定位信息均由高精度定位設備采集，同時開通“千尋知寸-FindCM”服務，使定位精度可達厘米級；②站場軌道采集線狀定位數據，保證彎道數據準確性；③道岔區段分多部分進行采集；④動態防護相關設置根據終端類型有所調整；⑤列車進路包含鄰站進路信息。

3.2 工作原理

列車運行預報系統利用防護人員的手持終端收集現場實時定位數據，同時與信號集中監測終端進行實時通信，進行數據清洗加工給出列車運行預警信息。列車運行預報系統繪制站場平面圖數據，在施工過程中，車站值班員根據站場平面圖規劃出施工范圍，施工人員攜帶手持終端，若出現列車接近手持終端自動報警，現場有施工人員擅自超范圍施工，視頻動態采集系統結合站場平面圖規劃區域實時聯動邏輯運算并給出報警信息，提示防護員立刻禁止該行為，列車運行預報系統原理示意圖如圖4 所示，列車運行預報系統設計過程中對各子系統實時進行數據存儲，從而加強施工隊伍以及檢修隊伍的管控。

圖4 列車運行預報系統原理示意圖

4 列車運行預報系統應用

4.1 列車運行預報系統組成

列車運行預報系統由集中防控中心、站區系統、無線通信系統、電源系統、現場防控視頻系統、特殊地段定位系統、列車運行終端組成。集中防控中心是其指揮中心，收集站區預報系統、現場防控視頻系統、列車運行終端系統數據，進行數據整合、運算，最終得出準確的預告防護信息，提前預警保證了運營線施工和檢修人員的生命和財產安全。

（1）集中防控中心功能。主要包括數據建模、計算、整理、轉發模塊、信息管理模塊。數據轉發模塊實現站機與手持終端之間的數據交互。信息管理模塊實現線別、車站、組織架構、手持終端等管理。

（2）站區系統主要功能。與調度監控系統（TDCS）進行數據接口、列車預警分析、示意站場、GIS 站場、數據查詢、軌跡查詢、歷史回放等。

（3）列車運行終端主要功能。終端根據精度劃分為高定位智能終端、對講終端、管理監控終端3 種。高精度定位智能終端具備實時站場平面顯示、預警文字顯示及播報、人員位置顯示、高精度定位（厘米級）、動態防護、確認反饋、作業對講等功能，使用對象為現場防護員。對講終端具備預警文字顯示及播報、人員定位、動態防護、作業對講等功能，使用對象為現場作業人員。管理監控終端具備示意站場顯示、GIS 站場顯示、人員位置顯示、預警信息顯示及播報、手持終端實時狀態顯示、手持終端上下道查詢、手持終端軌跡查詢、站場回放等功能，使用對象為車間、電務段管理人員。

（4）通信系統主要功能。主要采用沿線無線覆蓋通信系統，獨立頻段，覆蓋區域全面，主干網絡采用冗余環網傳輸，保證數據流通實施有效。

（5）現場防控視頻系統主要功能。安裝于施工現場四周，要求全范圍無死角監控作業現場，數據傳輸至調度防控終端，通過GIS 站場進行防控區域布控，一旦出現人員穿出防控區域，系統自動報警并推送至各級防控人員。

（6）特殊地段通信無線系統及定位系統。主要使用無線路由器和無線訪問接入點（AP）進行網絡覆蓋，根據實際情況進行測算補強。

4.2 試驗驗證及完成情況

以老牛灣-清水河縣-二道河三站兩區間的線路、隧道、橋梁等區域為例，進行列車運行預報系統驗證，驗證情況如下：列車運行預報系統安裝實驗后，經檢測各項功能達到設計標準。微機監測數據源在穩定可靠的前提下，列車接近分析準確率100%。站場實時顯示，語音播報清晰、準確。對講通話無距離限制，通信信號存在即可通話。常規條件下，通信鏈路傳輸延時小于2 s。使用高精度定位智能終端在室外空曠、無遮擋地帶，加載千尋差分數據后，定位精度達厘米級。列車運行預報系統站機能夠保障148 h 不間斷運行。自檢功能完備，在數據中斷、網絡中斷、系統故障時提醒用戶，滿足故障導向安全原則。電磁兼容符合相關標準的要求，設備工作噪音不大于75 dB。系統環境適應性良好，且經過現場實際測試。示范區間內無通訊盲點，同時示范區間內智能終端能實時接收到列車預警信息及反饋。

5 結語

列車運行預報系統以清水河縣站為示范站進行實施和試驗。設備試運行后，實現了清水河縣站管內（站內、咽喉、區間、鄰站交界）全站列車接近預警接收及播報、對講通話、人員定位等功能。在實際運用過程中，列車預警信息準確無誤，定位狀態正常情況下動態防護準確無誤，預警提示高效（警示音、振動、語音播報、文字），確認反饋簡單直接，室內集中監護終端人員圖標顯示位置精準，人員狀態清晰明了，對講通話清晰流暢。列車運行預報系統應用后經濟效益明顯提升，減少人身傷害事故，降低事故性安全支出，同時社會效益顯著增強，降低勞動強度，提升防護效果。