基于GIS 的企業專用鐵路生產安全管理系統

吳 峰，許 磊

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司 鐵路運輸公司，克拉瑪依 833699）

如何保障運輸生產安全是企業專用鐵路面臨的一個重要問題。企業專用鐵路現有的安全管理普遍存在體系不健全，措施缺乏執行力，安全檢查工作缺乏持續性和針對性，及缺乏有效技術手段支持等問題[1]。安全管理系統在城軌領域應用較為普遍，如城軌交通施工安全監控管理信息系統和運營隧道監測預警系統等[2-5]，這些系統均采用地理信息系統（GIS，Geographic Information System）技術與工作流（Workflow）技術相結合的方式對異常監測、風險預警、安全評估和安全培訓進行管理，取得了良好的應用效果[6]。此外，在道路交通、礦業冶金、工程建設、石油化工等領域也有相關的安全管理系統，這些系統大多側重于視頻監控和Workflow 構建，不具備動態信息監控和即時管理的能力。

GIS 是以地理坐標為基礎，收集、管理、操作、分析及顯示空間數據的信息系統[7]。本文研發的企業專用鐵路生產安全管理系統以GIS 和Workflow 為基礎，從實際需求出發，以車列高精度定位為技術內核，以移動App 為即時安全管理工具，將生產監控與安全管理深度融合，與聯鎖、無線調車機車信號（STP）、列車運行控制記錄（LKJ）、調度集中（CTC）、機車視頻監控等系統打通接口，實現信息共享，發揮動態監控和即時管理作用。

1 系統架構

1.1 網絡架構

系統網絡依托于4G 移動網絡和系統專用局域網，其網絡拓撲如圖1 所示。

圖1 網絡架構

（1）中心機房子網：設有差分機站接口機、接口服務機、應用服務器、數據庫服務器和Web 服務器。差分接口機用于接收來自實時動態（RTK，Real - Time Kinematic）差分基站的校正數據；接口服務機提供與其他計算機和生產系統的接口服務；應用服務器與Web 服務器分別提供后臺邏輯運算和Web 訪問。

（2）辦公局域網：實時監控終端和設備維護終端通過辦公局域網接入系統，用于監控設備狀態和管理維護數據。應用客戶端用于可視化監控和實現Workflow。

（3）外部網絡：連接外部網絡的設備可通過瀏覽器、移動App 的方式訪問系統。

1.2 技術架構

系統需要實現桌面客戶端、瀏覽器和移動App3種方式的訪問，出于統一性和可維護考慮，系統采用J2EE 平臺的SSM（Spring MVC+Spring+MyBatis）框架進行開發，其技術架構如圖2 所示。

圖2 軟件結構和技術框架

（1）數據管理層：采用SQL Server 數據庫管理軟件。

（2）數據持久層：采用MyBatis 框架，該框架支持定制化SQL、存儲過程及高級映射，可使用簡單的XML 或注解配置SQL 語句，實現程序對象與數據庫的ORM 映射，將系統軟件與數據庫管理軟件解耦，降低軟件的復雜度，提高軟件的可擴展性與可移植性。

（3）業務邏輯層：采用Spring 框架，該框架是一個輕量級控制反轉（IoC）和面向切面（AOP）的容器框架，能夠提供一個統一、高效地構造整個應用的方式。

（4）Web 服務層：采用Spring MVC 框架。該架構是Spring 面向Web 項目開發的延伸產品，具備高可配置性，是典型的MVC 架構解決方案。

（5）表示邏輯層：由于GIS 窗口需要顯示大量動、靜元素，通過網頁訪問較為困難，所以采用符合OGC Web 服務規范的開源軟件GeoServer 加以實現。GeoServer 基于J2EE 開發標準，應用Servlet 和Struts 框架，與Spring 框架兼容性高，同時兼容網絡地圖服務（WMS）和網絡要素服務（WFS）特性，支持廣泛的GIS 數據格式。利用GeoServer 可以方便地發布地圖數據并實現交互，允許用戶對特征數據進行增刪改查操作，還可以迅速在用戶之間共享空間地理信息。

（6）用戶層：分為桌面客戶端、瀏覽器和Andriod 移動App3 種訪問方式，分別采用WinForm、JSP 和Android Studio 技術進行開發，3 種方式使用同一數據服務，但有不同的布局和權限，其中，基于WinForm 的桌面客戶端具備完整的顯示和操作功能。

2 功能介紹

系統分為動態監控、設備安全管理、安全事件管理、人員管理、安全教育、權限管理6 個基本功能模塊，如圖3 所示。動態監控模塊是系統的核心。

圖3 系統功能架構

2.1 動態監控

（1）GIS 動態監控：顯示企業專用鐵路全線平面圖。其中，靜態元素包括：鐵軌、供電設施、信號設備、土擋、盡頭線、標志性建筑等；動態元素包括：機車、車輛，及調車計劃、施工活動、裝卸作業、巡道活動等事務信息和預警信息。

（2）實時車站聯鎖：展示機車運行軌跡、現車分布、調車計劃、貨物裝卸信息，功能界面如圖4 所示。

圖4 實時車站聯鎖界面

（3）設備生產安全提示：展示機車、車輛、道口、道岔、信號機、軌道區段、車號識別等設備的工作狀態和檢修信息；展示道口報警、線路天窗、機車超速、冒進、線路施工、用戶發現并上傳的安全事件文本描述或圖片。

（4）安全活動監控：用于實時監控巡道、巡檢人員的活動軌跡。

2.2 設備安全管理

（1）設備分布圖：包括電務圖、施工圖、線路圖、隱蔽設施分布圖、設備圖、綜合圖等。其中信號機、道岔實物在GIS 地圖中具備真實坐標。

（2）維護檢修資料：錄入日常檢查檢修工作記錄，通過工作日志自動生成周、月匯總，形成單項設備檢修歷史記錄。

（3）檢修期管理：按照檢修記錄及已錄入的檢修周期，形成檢修周期管理，系統自動提示和記錄。

（4）設備信息維護：可以對設備基礎信息進行修改。

2.3 安全事件管理

該模塊用于處置安全事件。用戶在移動App 上用文字描述、位置定位和拍照的方式發起安全事件并上傳至服務器。

安全管理員接收移動App 上報的安全事件，按工作流程進行跟蹤和處理，處理過程包括風險識別、整改和復查3 個主要環節，具體流程如圖5 所示。

圖5 安全事件處理流程

流程中，整改計劃的內容包括整改人、復查人以及整改期限，對逾期未完成的要說明原因。流程結束后，系統將對事件發起人進行安全積分結算，作為激勵制度的依據。

2.4 人員管理

該模塊依托于手機、平板、手環等智能移動終端，包含巡檢任務上報、安全事件上報和安全積分體系3 個功能模塊。

（1）巡檢任務上報：巡檢是專用鐵路安全工作的一項重要內容，包括工務巡道、車務危化品巡檢和電務檢查。巡檢工作執行不到位可能造成安全隱患。系統通過手機App 定位巡檢人員的行動軌跡、巡檢節點掃碼等技術措施，確保巡檢工作切實落地。

（2）安全事件上報：工作人員在任一時間、地點發現安全隱患均可形成安全事件，上報系統。

（3）安全積分體系：安全積分是員工對企業安全產生貢獻的量化指標，基于安全事件上報的情況，根據發起安全事件的價值和相關規則確定分值。

2.5 安全教育

安全教育功能包括安全資料庫、安全培訓、安全考試3 個功能模塊。

（1）安全資料庫：數據來源主要包括法律法規、企業規章、設備操作規程、事故案例、培訓資料等。

（2）安全培訓：從資料庫中選擇培訓內容供培訓對象學習。

（3）安全考試：錄入安全考試題目，考察培訓對象學習的成果。在實際應用中，用于承包商、外雇員工的安全專題培訓和考核。

2.6 權限管理

該模塊用于系統用戶的身份驗證，可進行崗位權限設置、用戶管理和單位管理，并具備指紋識別功能。

3 關鍵技術

3.1 GIS 與聯鎖映射

（1）繪制GIS 地圖。利用定位儀對地形進行測繪，得到鐵路沿線的經緯點集合，再參考公開的衛星圖片描繪站場主要的建筑和地理特征。具體方法為：建立RTK 基站，使用手持或車載定位儀沿每條鐵軌的中線運動，收集RTK 定位數據，導入Map-GIS、MapInfo 等地圖工具中進行連線、繪圖、標注，如圖6 所示。

圖6 經測繪和標注后站場主要建筑和地理特征示意

（2）建立測繪線路與聯鎖區段的映射關系。將GIS 線條按軌道區段（以絕緣節為界）劃分成GIS 線段，再用軟件拆分成間隔1 m 的標準經緯點集合，其數據結構示例如表1 所示。

表1 GIS 線段與聯鎖區段映射

表1 示例為一段名為GS1 的GIS 線段及其對應的聯鎖區段1DG。線段的實際長度為56 m，被拆分成56 個點，點與點之間相隔1 m。表中記錄了每個點與線段起點、終點的距離，以便判斷該點在區段中所處位置和比例。

（3）映射關系建立后，將車載定位單元上傳的定位點與GS1 標準點集進行比對，選取相距最近的標準點作為實際定位點的替代值，轉換為屏幕坐標，填充機車圖標形成動態運動顯示。

3.2 車列定位及校正

衛星定位受到環境、天氣和地形條件影響，不可避免會存在定位漂移的問題，即使是高精度RTK定位在信號遮擋區或線路密集區也容產生較大誤差。機車定位的準確度關系到行車安全，需采取多種定位手段對衛星定位進行校正。可用方案有聯鎖進路信息校正和地面信標校正。本系統采用在聯鎖覆蓋區域運用進路信息校正技術，在非聯鎖區域的重要地點（道岔、盡頭線、停車點等）加設地面信標的方式實現定位校正。

僅對機車頭進行定位并不能滿足安全管理需要，對車尾和車列所在位置的推算也十分重要，通常情況下，使用沒有嚴格寫實的調車計劃獲取車輛換長數據進行計算有可能產生較大誤差。本文采用從調車計劃獲取車輛換長數據計算車長[8]，結合速度積分車長算法驗證的方案。具體實現過程為：（1）從鐵路運輸管理信息系統（TMIS）的調車計劃中獲取計劃車數及各車輛的換長數據，計算出計劃車長；（2）根據速度積分算法得出驗算車長，將兩者進行比對，若相差不超過3 m，則可判定車長數據正確。

速度積分計算如圖7 所示，其原理為：記錄車列進入和出清某一聯鎖軌道區段的時間t0和t1，同時，采集進入和出清的瞬時速度v0和v1。期間車載終端不斷從車載LKJ 或GYK 系統采集機車當前速度，用速度對時間的積分算出總距離，加上車軸到車箱前端的距離，減去軌道區段A 的長度，即可得出驗算車長。

4 應用情況

企業專用鐵路生產安全管理系統自2019年4月在獨山子石化公司上線以來，已經采集各類安全事件378 次，有效安全事件86 件，其中，設備設施安全隱患34 件，人員不安全行為41 件，其他事件11 件。有效安全事件全部整改到位，并對發起人進行了相應的激勵。另外，系統對站場線路、道岔、信號設備、機車等要素均已做到精確定位和展示，發揮了對運輸生產的監督、監控作用。

5 結束語

本文結合安全管理理論和企業專用鐵路實際需求，設計了適用于企業專用鐵路的生產安全管理系統，闡述了系統的網絡架構、技術架構、系統功能和關鍵技術，增強了對企業專用鐵路生產安全的管控。目前，除發揮生產監控和安全管理作用外，系統的GIS 信息和車列定位數據等信息資源僅用于展示和監控，利用不夠充分，下一步將利用此類信息資源，以高可靠性車列定位和無線通信網絡為基礎，向安全控制領域拓展延伸，開發行車速度、距離防護、上道作業防護等行車安全控制功能。

圖7 聯鎖速度積分算法