楊威 鮑榴 解亞龍 劉紅峰 李飛

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路工程鋪架施工過(guò)程中不僅有鋪軌作業(yè)車(chē)、焊軌作業(yè)車(chē)、四電工程車(chē)等多種機(jī)車(chē)，還有線(xiàn)下各施工單位上道作業(yè)，涉及單位多，行車(chē)和施工作業(yè)安全等級(jí)高。鐵路工程線(xiàn)施工組織與行車(chē)安全管理是介于工程施工和營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工之間一個(gè)過(guò)渡期間的管理狀態(tài)，是以鐵路站前施工單位為管理主體，以上道作業(yè)的各參建單位為管理客體開(kāi)展的管理活動(dòng)［1］。

在線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)階段，通過(guò)應(yīng)用射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，為調(diào)度、車(chē)站值班員等行車(chē)人員提供及時(shí)準(zhǔn)確的列車(chē)定位運(yùn)行信息，輔助后續(xù)運(yùn)營(yíng)指揮［2］。傳統(tǒng)列車(chē)定位技術(shù)存在定位精度低和抗干擾能力差的問(wèn)題［3］，而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基于無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航定位和時(shí)間傳輸，能夠提供高精度、全天候的位置、速度和時(shí)間信息［4］。我國(guó)自行研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是除美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在鐵路列車(chē)行車(chē)安全、沿線(xiàn)災(zāi)害、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、施工現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)定位與管理等領(lǐng)域具備應(yīng)用可行性［5-6］。秦?。?］結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，提出了施工作業(yè)人員和車(chē)輛安全預(yù)警防護(hù)的軟硬件系統(tǒng)方案設(shè)想。甄德印等［8］研發(fā)了防碰撞預(yù)警相對(duì)位置算法，為施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中的人機(jī)安全提供技術(shù)保障。

目前鐵路工程管理過(guò)程仍處于人防為主、技防為輔的監(jiān)控防護(hù)狀態(tài)，調(diào)度指揮信息化水平參差不齊，缺乏有效的技術(shù)手段，長(zhǎng)期以來(lái)運(yùn)輸生產(chǎn)效率較低且安全風(fēng)險(xiǎn)巨大。因此，有必要深入研究工程線(xiàn)運(yùn)輸調(diào)度智控技術(shù)及安全裝置，研發(fā)鐵路工程線(xiàn)運(yùn)輸調(diào)度管理信息系統(tǒng)，輔助解決行車(chē)與施工組織協(xié)調(diào)難題，減少人車(chē)、車(chē)車(chē)碰撞安全隱患，提升工程線(xiàn)管理單位調(diào)度指揮信息化水平。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位與防碰撞報(bào)警融合技術(shù)

根據(jù)新建鐵路項(xiàng)目施工手冊(cè)制作虛擬工程線(xiàn)電子地圖，通過(guò)北斗高精度定位技術(shù)（Real?Time Kinematic，RTK）和防碰撞報(bào)警技術(shù)的融合，對(duì)機(jī)車(chē)等自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)地理坐標(biāo)與施工里程轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控設(shè)備和虛擬工程線(xiàn)電子地圖上實(shí)時(shí)顯示機(jī)車(chē)的速度和位置。機(jī)車(chē)與機(jī)車(chē)、機(jī)車(chē)與人產(chǎn)生碰撞趨勢(shì)時(shí)，車(chē)載終端和調(diào)度中心實(shí)時(shí)報(bào)警提醒，確保行車(chē)和人身安全。

1.2 基于運(yùn)行控制中心模式的電子地圖服務(wù)

建立協(xié)調(diào)施工與行車(chē)組織管理的運(yùn)行控制中心（Operating Control Center，OCC）模式，所有上道車(chē)輛必須安裝定位設(shè)備。根據(jù)線(xiàn)路設(shè)計(jì)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察結(jié)果，在新線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)里程未確定、長(zhǎng)短鏈普遍存在的情況下，實(shí)現(xiàn)基于鐵路虛擬工程線(xiàn)電子地圖的行車(chē)快速定位監(jiān)測(cè)。進(jìn)而，結(jié)合施工計(jì)劃自動(dòng)生成作業(yè)安全防護(hù)區(qū)，并與行車(chē)計(jì)劃作碰撞檢測(cè)，提升計(jì)劃審批效率，實(shí)現(xiàn)施工與行車(chē)組織統(tǒng)一管理。

1.3 隧道內(nèi)機(jī)車(chē)相互報(bào)警技術(shù)

工程車(chē)進(jìn)入隧道后失去與外部通信的能力，行車(chē)危險(xiǎn)性增大。研發(fā)車(chē)載終端可提供隧道內(nèi)機(jī)車(chē)之間相互報(bào)警功能，2臺(tái)機(jī)車(chē)進(jìn)入同一條隧道時(shí)，可相互報(bào)警并報(bào)告各自位置，報(bào)警距離在3 km范圍內(nèi)。工程車(chē)接近施工防護(hù)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向司機(jī)和調(diào)度人員發(fā)出語(yǔ)音提醒，確保行車(chē)和施工作業(yè)安全。

2 信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)鐵路工程線(xiàn)施工與行車(chē)安全統(tǒng)籌管理，研發(fā)了一套鐵路工程線(xiàn)運(yùn)輸調(diào)度管理信息系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工程線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)）。

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

工程線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)分為5層，見(jiàn)圖1。

圖1 總體架構(gòu)

1）感知層。通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位、車(chē)載視頻、列車(chē)速度傳感器、RFID定位電子標(biāo)簽、電子安全防護(hù)器等多種無(wú)線(xiàn)感知設(shè)備，獲取施工作業(yè)、行車(chē)計(jì)劃、人員定位、機(jī)車(chē)定位、速度監(jiān)測(cè)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2）傳輸層。主要包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。負(fù)責(zé)提供安全高效的傳輸通道，將采集到的數(shù)據(jù)信息安全、快速地傳輸?shù)焦こ叹€(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)，使調(diào)度中心與施工現(xiàn)場(chǎng)能夠隨時(shí)獲取數(shù)據(jù)、聲音和視頻信息。

3）數(shù)據(jù)層。包括里程標(biāo)、坡度表、車(chē)站表、道岔表等靜態(tài)數(shù)據(jù)和機(jī)車(chē)定位與測(cè)速數(shù)據(jù)、施工計(jì)劃作業(yè)里程范圍、安全防護(hù)區(qū)域、報(bào)警距離等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

4）應(yīng)用層。主要針對(duì)調(diào)度中心審批及指揮人員、車(chē)站值班員、各施工單位駐站聯(lián)絡(luò)員和施工負(fù)責(zé)人，具備鋪軌形象進(jìn)度、統(tǒng)計(jì)分析、施工與行車(chē)計(jì)劃審批、無(wú)線(xiàn)調(diào)度命令、運(yùn)行軌跡圖、超速與限速報(bào)警、語(yǔ)音及視頻通信等功能。

5）表現(xiàn)層?？赏ㄟ^(guò)局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)，支持調(diào)度中心指揮大屏、車(chē)載計(jì)算機(jī)、手機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)和連接。

2.2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

工程線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)由運(yùn)行監(jiān)控調(diào)度中心（簡(jiǎn)稱(chēng)客戶(hù)端）、鐵路工程管理平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái)端）、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)）3部分組成（圖2），通過(guò)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對(duì)各部分統(tǒng)一集中管理。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

客戶(hù)端主要通過(guò)施工計(jì)劃與調(diào)度命令的接收確認(rèn)、上道施工作業(yè)登記與銷(xiāo)記、行車(chē)監(jiān)控與報(bào)警提醒等功能，確保對(duì)施工與行車(chē)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。平臺(tái)端主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目人員組織機(jī)構(gòu)、線(xiàn)路參數(shù)等信息初始化，施工計(jì)劃與行車(chē)調(diào)度的申請(qǐng)、審核、下發(fā)，鋪架進(jìn)度形象化與統(tǒng)計(jì)分析。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)北斗、廣域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)定位、列車(chē)速度監(jiān)測(cè)和電子防護(hù)報(bào)警等數(shù)據(jù)集中處理，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

2.3 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

工程線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)主要功能包括計(jì)劃管理、無(wú)線(xiàn)調(diào)度命令、運(yùn)行軌跡圖、視頻監(jiān)控、站存車(chē)管理、防護(hù)區(qū)與臨近報(bào)警、列車(chē)限速及超速報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析等。

3 工程線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

京張高速鐵路東起北京北站，西至張家口南站，正線(xiàn)全長(zhǎng)174 km，在下花園北站接軌全長(zhǎng)53 km的崇禮鐵路，向北至太子城奧運(yùn)村。京張高速鐵路—崇禮鐵路作為2022年北京冬奧會(huì)重要交通配套基礎(chǔ)設(shè)施，共設(shè)11座車(chē)站，在河北省懷來(lái)縣設(shè)立現(xiàn)場(chǎng)鋪軌調(diào)度指揮中心，負(fù)責(zé)集中調(diào)度指揮。通過(guò)工程線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用，線(xiàn)上審批通過(guò)施工計(jì)劃8 000余條，下發(fā)無(wú)線(xiàn)調(diào)度命令2000余條。將車(chē)載視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控與防碰撞預(yù)警提醒相結(jié)合，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)與行車(chē)組織安全。

3.1 計(jì)劃管理

調(diào)度中心根據(jù)各施工單位上報(bào)的施工請(qǐng)點(diǎn)計(jì)劃和次日行車(chē)計(jì)劃，輔以計(jì)劃自動(dòng)碰撞檢測(cè)技術(shù)，合理分配作業(yè)時(shí)間和區(qū)間，實(shí)現(xiàn)作業(yè)計(jì)劃集中審批，及時(shí)上傳下達(dá)。每份審批通過(guò)的作業(yè)計(jì)劃都有唯一的二維碼身份標(biāo)識(shí)（圖3），經(jīng)車(chē)站值班員掃碼核實(shí)信息后方可上道作業(yè)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行銷(xiāo)點(diǎn)申請(qǐng)，由車(chē)站值班員復(fù)核后銷(xiāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“在線(xiàn)申請(qǐng)—審批下發(fā)—上道復(fù)核—下道銷(xiāo)點(diǎn)”的全過(guò)程寫(xiě)實(shí)追溯。

圖3 施工計(jì)劃審批表

3.2 無(wú)線(xiàn)調(diào)度命令

調(diào)度中心行車(chē)調(diào)度員根據(jù)行車(chē)計(jì)劃，通過(guò)工程線(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)準(zhǔn)確下發(fā)調(diào)度命令（圖4），各施工單位負(fù)責(zé)人、車(chē)站值班員、司機(jī)、車(chē)長(zhǎng)接收并確認(rèn)，確保調(diào)度命令及時(shí)可靠傳達(dá)。

圖4 調(diào)度命令

3.3 運(yùn)行軌跡圖

機(jī)車(chē)運(yùn)行軌跡圖是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的十分格列車(chē)運(yùn)行圖設(shè)計(jì)的。調(diào)度中心調(diào)度員可根據(jù)工程車(chē)實(shí)際發(fā)車(chē)時(shí)間與到達(dá)時(shí)間自動(dòng)繪制工程車(chē)實(shí)際運(yùn)行圖，還可自動(dòng)繪制工程車(chē)運(yùn)行軌跡，如圖5所示。運(yùn)行軌跡圖能夠直觀(guān)展示行車(chē)與施工計(jì)劃的沖突碰撞和交叉作業(yè)情況，為后續(xù)優(yōu)化排班作業(yè)提供參考依據(jù)。

圖5 工程車(chē)運(yùn)行軌跡

3.4 視頻監(jiān)控

在車(chē)站、軌排存放處、群吊、制梁場(chǎng)、鋼筋加工棚、硫磺庫(kù)等重點(diǎn)監(jiān)控部位安裝無(wú)線(xiàn)固定視頻監(jiān)控設(shè)備，同時(shí)還可以在龍門(mén)吊、提梁機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備上安裝移動(dòng)視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)施工區(qū)域視頻全覆蓋?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控如圖6所示。

圖6 視頻監(jiān)控

3.5 站存車(chē)管理

記錄平板車(chē)、老K車(chē)、四電車(chē)等車(chē)輛的入場(chǎng)時(shí)間、維修記錄、下次維修時(shí)間、存放位置等信息，對(duì)即將到達(dá)維修時(shí)間的車(chē)輛進(jìn)行提醒，快速進(jìn)行車(chē)輛編組與解體，便于工程線(xiàn)機(jī)車(chē)管理工作。虛擬電子圖站存車(chē)輛停放信息如圖7所示。

圖7 虛擬電子圖站存車(chē)輛停放信息

3.6 防護(hù)區(qū)與臨近報(bào)警

2列或多列車(chē)在同一線(xiàn)路行駛且距離小于安全距離時(shí)，會(huì)進(jìn)行不同距離、不同顏色等級(jí)報(bào)警提示。根據(jù)施工計(jì)劃，在虛擬工程線(xiàn)電子地圖上自動(dòng)生成作業(yè)區(qū)域并設(shè)置虛擬防護(hù)區(qū)，當(dāng)列車(chē)行駛臨近虛擬防護(hù)區(qū)時(shí)提前語(yǔ)音提示司機(jī)及時(shí)減速或停車(chē)（圖8）。若車(chē)輛駛?cè)敕雷o(hù)區(qū)則會(huì)向司機(jī)和調(diào)度中心發(fā)出違規(guī)報(bào)警，并記錄違規(guī)車(chē)輛信息。

圖8 施工作業(yè)防護(hù)區(qū)臨近報(bào)警

3.7 列車(chē)限速及超速報(bào)警

調(diào)度員通過(guò)調(diào)度中心大屏能夠全面掌握管段內(nèi)所有列車(chē)位置及運(yùn)行狀態(tài)信息。司機(jī)通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)上的虛擬工程電子地圖掌握本列車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，并結(jié)合坡度和限速信息及時(shí)調(diào)整機(jī)車(chē)運(yùn)行速度。對(duì)限速區(qū)超速工程車(chē)實(shí)時(shí)報(bào)警記錄，提高行車(chē)安全性。列車(chē)超速報(bào)警如圖9所示。

圖9 列車(chē)超速報(bào)警

3.8 統(tǒng)計(jì)分析

智能統(tǒng)計(jì)分析工程進(jìn)度，施工與行車(chē)計(jì)劃兌現(xiàn)率，調(diào)度命令執(zhí)行情況，工程車(chē)超速、限速及臨近報(bào)警等情況，記錄電子防護(hù)牌報(bào)警信息，如圖10所示。

圖10 施工計(jì)劃與調(diào)度命令執(zhí)行情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位與防碰撞報(bào)警技術(shù)融合應(yīng)用的研究，提出基于運(yùn)行控制中心模式的電子地圖服務(wù)模式，突破隧道內(nèi)機(jī)車(chē)相互報(bào)警關(guān)鍵技術(shù)，首次研發(fā)了鐵路工程線(xiàn)運(yùn)輸調(diào)度管理信息系統(tǒng)，建立了一套工程線(xiàn)使用和管理的信息化體系，將工程線(xiàn)區(qū)域內(nèi)各種施工與行車(chē)組織納入系統(tǒng)管理，統(tǒng)籌兼顧施工與行車(chē)計(jì)劃，集中調(diào)度指揮，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車(chē)運(yùn)行狀況。

該系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)包括：

1）融合應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位與防碰撞報(bào)警技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)位置、時(shí)速，結(jié)合電子防護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)與施工作業(yè)臨近報(bào)警安全防護(hù)；工程車(chē)超速時(shí)，車(chē)載終端及調(diào)度中心實(shí)時(shí)報(bào)警提醒；2臺(tái)機(jī)車(chē)進(jìn)入同一條隧道內(nèi)時(shí)，機(jī)車(chē)可相互報(bào)警并報(bào)告各自位置，全面提升安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力。

2）統(tǒng)一施工、行車(chē)計(jì)劃和調(diào)度命令數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，革新了傳統(tǒng)工程線(xiàn)計(jì)劃管理模式，將線(xiàn)下審批轉(zhuǎn)為線(xiàn)上信息化管理，極大節(jié)約了時(shí)間和交通成本。

3）根據(jù)施工計(jì)劃自動(dòng)生成施工作業(yè)安全防護(hù)區(qū)，并與行車(chē)計(jì)劃進(jìn)行碰撞檢測(cè)，輔助以圖形化方式編排和調(diào)整施工與行車(chē)計(jì)劃，統(tǒng)一下發(fā)施工與調(diào)度命令。

該系統(tǒng)在京張高速鐵路—崇禮鐵路項(xiàng)目中成功應(yīng)用，保障了施工與行車(chē)組織安全有序，提高了運(yùn)輸生產(chǎn)效率，提升了調(diào)度指揮信息化水平。