鐵路人身安全防護現狀分析與關鍵對策研究

胡亞峰

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路運輸安全是指在鐵路運輸生產過程中，采取各種有效措施，能將人和物的損失控制在可接受水平的狀態[1]。鐵路運輸安全既受內部因素制約，也受外部環境影響，涉及的保護對象包括旅客、鐵路從業人員、機車車輛、鐵路設備產品、危險貨物、橋梁、隧道和道口等。研究和解決鐵路安全問題需要全路統籌和綜合治理。

施工人員人身安全一直是鐵路運輸安全的焦點之一，既包括工務、電務、供電等路內職工，也包括路外建設維護企業的職工[2]。自從鐵路誕生之日起，人類始終把人身安全作為鐵路發展的重中之重，不斷規范和完善鐵路施工管理制度，并研制了各類防護裝置。然而，當前人身安全事故發生頻次仍然較高，防護形勢非常嚴峻。

結合北京全路通信信號研究設計院集團有限公司在該領域的研究成果，概述國內外鐵路人身安全形勢，分析人工防護管理體系與各類技術防護方法，詳細研究若干關鍵對策。

2 鐵路人身安全形勢概述

20 世紀90 年代以來，基于國內鐵路的實際情況，鐵路部門采取了以下措施來提高人身安全保障水平：一是不斷完善管理措施，制定了一系列的標準和辦法；二是優化施工組織方式，密切各工種間的配合與協調，強化薄弱環節的管控；三是提高人員素質，加強教育管理與考核管理；四是加大科技投入，運用設備保安全。隨著以上措施的實施，鐵路人身安全總體上呈逐步好轉的態勢，全路人身安全重大事故有所減少。

對公開報道的鐵路人身傷亡事故分析，可發現盡管重大事故發生頻次較低，但較大事故和一般事故發生頻次依然較高，且一般集中在工務、電務與供電等部門。如2016 年12 月，鄭州鐵路局管內先后發生兩起鐵路傷亡事故，造成6 名電務人員與2名工務人員死亡，社會影響非常惡劣[3]。當前，國內鐵路人身安全防護還遠未達到有序可控的理想狀態，防護形勢非常嚴峻，給鐵路從業人員帶來了巨大的生命和健康損失。這類事故原因往往歸結于施工人員違章作業、自我防護意識薄弱、現場作業失管失控等因素，但本質是現場人員無法掌握準確的列車接近信息。

在北美及歐洲等軌道交通發達地區，鐵路人身安全防護形勢也同樣嚴峻，鐵路維護工人傷亡事故屢見報端。據美國政府近期公布的統計數據顯示，2013 ～2018 年美國鐵路人身安全事故一直處于增長狀態[4]。究其原因，缺乏系統級的防護裝備、未能建立足夠的施工區域禁行計劃、現場防護員失職或不夠警覺、調度員或司機未能嚴格執行列車限速等都是這類事故頻發的影響因素。

3 人工防護管理體系分析

3.1 人工防護管理體系描述

人工防護管理體系是我國鐵路各級部門經過多年實踐、不斷總結與摸索而來，也是當前鐵路人身安全防護所依賴的主要手段。該管理體系由制度體系、組織體系與現場安全保障體系組成。

制度體系指人身安全防護相關的規章制度，可分為中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”）、路局和站段等3 個層面。在國鐵集團層面，這些規章制度包括《鐵路技術管理規程》[5]、《鐵路營業線施工安全管理辦法》[6]、《鐵路工務安全規則》[7-8]等，是全路施工防護的指導性文件。在路局層面，各業務部門根據本局具體情況對國鐵集團的規章制度細化，突出可操作性和適應性，制定了相應的規章制度，是站段施工防護的指導性文件。在站段層面，各單位對國鐵集團和本路局發布的文件進一步細化，得到適用于本單位的規章制度，是現場施工防護的指導文件。

組織體系指鐵路各級安全監察和監督機構。國鐵集團設置安全監督管理局，路局設置安全監察室，站段設置安全科，車間與班組設置專職安全員，構成了鐵路安全工作的組織體系。

現場安全保障體系指施工專職安全防護員角色定義與防控流程。現場設置專職駐站聯絡員，各作業班組設置一名以上專職現場防護員，明確聯控時機、聯控內容、聯控對象、聯控標準用語及復誦確認的要求。駐站聯絡員、現場防護員與施工負責人實現自控與互控。

3.2 人工防護弊端分析

人工防護管理體系是當前鐵路施工的主要防護手段，具有非常重要的作用。但該體系的根基建立在人工管理之上，存在諸多弊端。

首先，該體系過多依賴于防護人員，安全風險較大。現場防護工作由駐站聯絡員與現場防護員配合完成。防護人員的責任心、工作經驗、個人素質、心理與身體狀態等因素帶來的不確定性嚴重影響防護體系的可靠性。

其次，該體系通過語音方式報警，信息易失真。防護信息由駐站聯絡員人工分析和生成，再通過對講機以語音方式傳輸。防護信息在生成和傳輸過程中極易發生誤解和失真，存在較大的安全隱患。

再次，該體系適用場景較少。現場班組無法直接掌握列車接近、進路開閉等信息；防護員無法掌握全部施工人員的實時位置，對侵限行為無法給出準確及時的報警提示；管理部門無法對施工違規行為進行監控和報警。

最后，該體系覆蓋距離有限且盲區較多。現場防護基于對講機聯系，而對講機受發射功率的限制，通話范圍有限且存在較多盲區，這對防護的可靠性提出了諸多挑戰。

因此，基于新技術與新裝備，構建穩定高效的現場人身安全防護系統，已成為鐵路各級領導與職工的共識。

4 技術防護方法分析

圍繞鐵路人身安全防護這一主題，國內外相關領域已進行了數十年研究，力求研制一套可靠的列車接近預警裝置，其作用是提前預報列車接近，并發出必要的報警信號，以便作業人員及時撤離線路。按列車接近檢測方式，這些裝置可分為磁電與光電感應、多普勒雷達、車載無線發射臺、信號集中監測、聲識別與視頻識別等5 類。

4.1 磁電與光電感應式

磁電與光電感應式裝置指依靠磁電或光電傳感器來獲取列車接近信號。國內鐵路上先后有LJB[9]、TDZB[10]、JY[11]等型號產品上線應用。LJB 系統用于大型橋隧施工的安全防護，通過電纜將感知的列車接近信號傳輸至遠端橋隧中的控制器，并發出聲光報警信號。TDZB 系統用于道口的安全防護，在警戒距離外安裝磁電傳感器，根據輪軸通過產生的脈沖確定列車到達，再通過電纜進行室內閃光蜂鳴器報警和室外語音通告報警。JY 系統用于車站咽喉區的安全防護，將上、下行咽喉區作為兩個保護區，通過與電氣集中設備連接的光電耦合電路獲取列車到達信息，并通過室外揚聲器播放語音報警信息。

該類裝置原理簡單，但防護距離有限，同時易受各類干擾源的干擾而造成誤報警，可靠性較低。

4.2 多普勒雷達式

多普勒雷達式裝置指依靠多普勒雷達來探測列車接近信息。該系統在防護區段兩端的遠程站各設兩臺多普勒雷達，分別指向列車接近和離開方向。兩臺雷達分開工作，通過雷達回波檢測列車的方位、距離和運行狀態，分別確定列車接近信號與離開信號。遠程站將檢測結果通過電臺傳至主站，作業人員通過便攜式無線裝置接收來自主站和遠程站的報警信息。澳大利亞特克雷斯公司于20 世紀90 年代研制成功該類設備，并在昆士蘭州布里斯班城郊鐵路上應用[12]。

該類裝置造價高，維護工作量較大，易受地形地貌的限制，很難在我國鐵路大規模推廣應用。

4.3 車載無線發射臺式

車載無線發射臺式裝置指在列車上加裝無線發射裝置來預報列車接近信息。在列車啟動后每間隔一段時間，系統通過車載發射臺向沿線發送列車信息。地面人員收到信息，經確認無誤后再向周圍傳播。蘭州局和烏魯木齊局等單位都曾研制過該類系統，后發展歸演為800 MHz 列尾和列車安全預警系統[13]。歐洲、韓國、日本等國家也研制過該類系統，其中歐洲將其與列車自動防護(ATP)技術進行融合[14]，韓國在列車與施工人員間實現雙向無線廣播[15]，日本通過GPS 獲得列車定位信息并通過無線通信廣播。

該類系統需在所有機車上加裝設備，維護工作量大，信息傳輸距離受地形地貌影響較大，留給作業人員的下道準備時間非常有限。

4.4 信號集中監測式

信號集中監測式裝置指從信號集中監測系統獲取閉塞分區占用信息，進而推算列車接近信息。該系統從信號集中監測系統的車站計算機獲取信號設備開關量信息，結合站場關系數據得到列車接近信息，再通過電臺向周邊區域傳播。作業人員通過調頻式手持終端獲取報警信息，并采取避讓措施。石家莊電務段于2001 年研制成功該類設備，并在北京局大規模應用，在特定時期對人身安全起到了切實的防護作用[16]。

該類裝置需在每個車站與信號集中監測系統適配接口，建設與維護成本較高，且手持終端獲取的報警信息無針對性且雜音較大，用戶體驗欠佳。

4.5 聲識別與視頻識別式

聲識別式與視頻識別式裝置指從聲信號或視頻信號中分析出列車接近信息。聲識別式裝置在作業現場的鐵軌上設置聲學傳感器，分析車輪和鋼軌間的激勵聲，統計各類列車的聲學特性，構建聲學模型，設計識別算法，再通過高音喇叭播放報警信息[17]。視頻識別式裝置在作業現場的上行方向和下行方向分別設置攝像機，構建視覺模型，設計識別算法，根據視頻流檢測出列車接近信息，再通過高音喇叭播放報警信息。

這兩類裝置近年來剛剛興起，在業內獲得了廣泛關注，但存在一些技術難點，尚無上線應用記錄，如聲識別式裝置易受干擾且較難識別列車運行方向，視頻識別式裝置易受雨、雪、霧、彎道及障礙物等環境影響。

5 關鍵對策研究

傳統的人工防護管理體系存在諸多安全隱患，無法從源頭杜絕安全事故。雖然國內外也有一些防護裝置或系統，但大多由于功能單一、可靠性差、穩定性低而逐漸被鐵路運用部門淘汰。隨著計算技術、傳感技術和通信技術的不斷發展，研制智能化的鐵路人身安全防護系統已具備可行性。分析該系統涉及的相關要素，其研制難點可分為列車定位、作業人員定位、綜合通信和預警模型構建等4 個方面。

5.1 列車定位

準確可靠的列車位置信息是實現人身安全防護的重要基礎。該信息不僅包括列車位置坐標，還應包括列車運行方向、速度與運行計劃。全路網所有列車的實時位置都需被掌握，因此在地面固定位置安裝傳感器的方式已不可取。結合國內鐵路實際狀況，列車定位實現途徑可分為衛星定位+車載無線發送、信號系統接口與調度系統接口3 種方式。

在衛星定位+ 車載無線發送方式中，所有列車都安裝衛星接收器，根據衛星導航電文解算出自身地理坐標和運行速度，再通過3G/4G 網絡發至地面。

在信號系統接口方式中，在每個車站設置接口設備，從信號系統獲取區間占用信息，推算出列車公里標和運行速度。信號系統基于軌道電路或計軸來檢測閉塞分區占用，可靠性較高，定位精度為單個閉塞分區。

在調度系統接口方式中，在調度中心設置接口，從列車調度指揮系統獲取列車位置信息。列車調度指揮系統采集各車站的信號系統數據，分析得到各列車的公里標與運行方向等信息，并通過編制運行計劃來指揮列車的后續運行。

比較3 種列車定位方式的優劣勢，如表1 所示。調度系統接口方式因具備運行計劃，在信息完整性上獨具優勢；其只需在調度中心設置接口，在建設維護成本上也有較大優勢；鐵路閉塞分區長度一般為0.8 ～1.2 km，而施工防護距離一般2 km以上，因此可滿足精度要求。綜上，調度系統接口是較理想的列車定位方式。

表1 列車定位方式比較Tab 1 Train positioning mode comparison

5.2 人員定位

準確可靠的施工人員位置信息也是實現人身安全防護的重要基礎。防護系統由防護中心與防護終端構成，其中防護終端由施工人員隨身攜帶。人員位置需由防護終端傳送至防護中心，以便提供針對性更強的預警服務。人員定位的應用場景可分為區間、車站和隧道等3 類。

對于區間作業，需要防護作業點前方與后方的接近列車，防護距離一般在2 km 以上，人員定位精度只需比2 km 足夠小即可。當前可用的定位技術可分為衛星定位和移動通信網定位兩種。衛星定位精度達10 m，可在大多數區間環境下為用戶提供良好的位置服務。移動通信網定位技術通過測量移動通信信號來估計終端的位置，可實現100 m 的定位精度。分析區間定位需求，定位策略應以衛星定位為主，在衛星信號無法覆蓋區域以移動通信網定位為輔。

對于車站作業，需防護本線及相鄰股道的接近列車。車站線間距最小約為5 m，那么人員定位精度控制在2 m 以內則可確定其作業股道，從而可在無漏報警的前提下盡可能減少誤報警。車站上方常建有頂棚，無法接收衛星信號，同時移動通信網的定位精度也無法滿足車站防護要求。分析紅外線、超聲波、藍牙、RFID、超帶寬、ZigBee、WLAN等室內定位技術，綜合考慮通信能力、與智能手機集成難度、可靠性、建設維護成本等因素，WLAN定位技術具有較大的優勢，定位精度也滿足要求。因此WLAN 定位技術應是車站人員定位的首選技術。對于暫不具備WLAN 定位條件的車站，可人工輸入股道序號來實現輔助定位。

對于隧道作業，其精度要求與區間類似。隧道內無法接收衛星信號，大部分隧道內也無通信基站，因此無法直接應用區間定位技術。由于隧道環境的復雜性，防護系統除需掌握人員位置外，還需語音或視頻通信，因此人員定位功能應與通信功能合并考慮。對于長度1 km 以下的短隧道，只需獲取人員進出隧道的時間點，則可將整條隧道作為定位結果。對于GSM-R 全覆蓋的長大隧道，可應用移動通信網實現人員定位。對于尚未建設GSM-R 的長大隧道，則可應用WLAN 定位技術，即隧道中每隔一定距離布置永久或臨時的WLAN 基站。

5.3 綜合通信

防護中心與施工人員之間可靠的雙向通信是防護系統發揮效用的可靠保障。分析國內無線通信發展現狀，可用的通信技術包括GSM-R、公網3G/4G 和北斗短報文等3 種。此外，為實現防護終端的功能整合，小區域范圍內的數字對講技術也需一并考慮。

GSM-R 技術源于GSM 技術，增加了集群通信與鐵路特有調度業務功能。當前，國內高速、城際鐵路和部分普速鐵路已采用GSM-R 系統，覆蓋線路里程2 萬多km。GSM-R 是施工防護的首選通信技術，施工人員隨身攜帶的防護終端需支持GSM-R通信制式。

在GSM-R 尚未覆蓋的區域，公網運營商的3G/4G 網絡是首選通信手段。需綜合考慮覆蓋范圍、傳輸速度、資費水平、技術穩定性和終端芯片成本等多方因素，選擇運營商，并在防護終端中支持相應的通信制式。

在邊遠地區的鐵路沿線，存在大量既無GSM-R基站也無公網基站的區域；此外，在遇到地震、臺風等自然災害或突發事件時，通信基站有可能被毀。這些情況下，基于基站的通信技術已不可取，而基于衛星的通信技術成為首選。北斗衛星具備獨有的短報文通信功能，可在特殊環境下發揮巨大的通信信道優勢。基于北斗衛星，可突破傳統的“基站—終端”通信模式，建立高效可靠的“衛星—終端”通信模式。

對講機是當前人身防護和施工管理的主要通信工具，具有組網靈活、響應快速、投入成本低等優勢。為精簡施工人員的隨身設備，有必要將數字對講功能也整合進防護終端。

上述4 種通信技術各有適用場合，缺一不可，如表2 所示。實現這樣的綜合通信功能，需要防護中心和防護終端提供制式支持，中心需與GSM-R、公網3G/4G 及北斗衛星導航系統建立數據接口，防護終端需根據應用場景支持多模通信制式。

表2 綜合通信可用技術比較Tab 2 Integrated communication available technologies comparison

5.4 預警模型構建

鐵路人身安全防護的核心目標是將列車接近信息提前發送給施工人員，既要確保施工人員有足夠的時間進行防護，又要盡可能減少過早報警和誤報警，降低對正常施工作業的影響。這需定量評估各要素對防護效果的影響，并以此構建預警模型。

該模型涉及的要素除列車位置和人員位置外，還包括作業屬性、列車速度、列車運行計劃、列車定位誤差、人員定位誤差、上下行通道延時等。作業屬性指施工人員的工作內容，包括日常巡檢、小型施工、大型施工等，所需的防護準備時間各不相同。列車速度和運行計劃是模型的重要組成要素，速度越高，則防護距離越遠；按運行計劃無須避讓，則可不發送報警信息。列車定位誤差主要來源于公里標與地理坐標的轉換。人員定位誤差與所選擇的定位技術直接相關。上下行通道延時指防護終端與防護中心之間的雙向數據傳輸時差；對于北斗短報文信道，還應考慮相鄰報文至少間隔60 s 的約束。

對于智能化的鐵路人身安全防護系統，需全面分析工務、電務、供電等工種的作業安全防護要素，定量評估各要素對防護效果的影響，統籌研究人、車、路的空間關聯與時間關聯關系，構建面向全路網的安全防護預警模型。

6 結束語

概述國內外鐵路人身安全形勢，分析人工防護管理體系與既有各類技術防護方法的弊端，從列車定位、人員定位、綜合通信與預警模型構建等4 個方面詳細研究了關鍵對策。隨著本課題的深入研究和后續產品的順利實施，有望從根源上解決鐵路施工中的人身安全防護難題。