基于北斗的既有線施工作業安全防護系統研究

姜 抒

(中鐵云網信息科技有限公司,北京 100039)

0 引言

建國以來,基礎設施領域經過70余年的快速發展,鐵路行業形成了高速鐵路、普速鐵路相結合的鐵路運輸網,隨著一帶一路的推進,我國雄厚的基建能力也走出國門,在孟加拉、老撾等先后開展了多個重大鐵路新建、改造項目,這些項目實施過程與鐵路既有線產生了不同程度的時空交叉,不規范作業造成的人員安全、列車延誤脫線事故極大地威脅著鐵路行業的健康發展。研發一套依靠設備自動實現列車臨近預警、人員撤離監管、工具遺漏提示的系統可以有效提升鐵路作業人員安全保障水平、列車運行安全水平。避免完全依靠人工進行作業安全防護預警帶來的不確定性,極大改善行業安全現狀。

1 既有線施工安全防護現狀

根據《鐵路工務安全規則》鐵運[2006]177號,中國鐵路總公司《鐵路技術管理規程》等相關規程[1-2],當前防護機制為:在既有線周邊開展施工作業時,由現場防護員在上下行方向前出,具體距離結合線路運行速度和必要的人員撤離時間確定。并在列車運行調度中心設置駐站聯絡員一名,當列車靠近作業區段時,駐站聯絡員向現場防護員發送提醒指令,現場防護員目視確認列車臨近并下發撤離指令,作業人員執行撤離動作,并向現場防護員、駐站聯絡員回報撤離執行完成,列車通過后恢復作業。

當前國內外對于既有線防護的研究,主要集中在人員和車輛定位,涉及的技術手段涵蓋了北斗人員定位終端、列車定位終端及配套軟件平臺。也有從安全防護理論、安全治理及風險評估角度分析防護系統安全性的相關研究[3-13]。但普遍存在以下不足:

1)列車車載定位終端安裝的合規性問題,客貨運列車的實時位置是關系鐵路運輸安全的關鍵信息,也是涉及國家安全的敏感信息,路局對于在通行列車上加裝第三方定位裝置有著嚴格的行政審批管控流程。難以大范圍布設,制約了安全監測系統的適用性。缺乏列車接近數據的安全防護系統對傳統防護作業模式的改進非常有限。

2)對于人員撤離過程中,施工機具是否全部帶出避車區域,尚缺乏經濟可行的快速檢測確認手段。無法保證機具全部撤離。現有研究不能全面解決既有線施工過程的工具遺漏這一主要安全隱患。

2 既有線施工防護存在的主要問題

既有線人員機具保護及聯防聯控系統須解決的主要問題包括:

1)列車臨近時的人員安全。列車臨近時,駐站聯絡員、現場防護員是否能按規定及時發出避車信號,作業人員能否依信號避讓到安全距離以外。

2)列車臨近時的機具遺漏威脅行車安全。列車臨近時,作業人員避車前,是否將全部施工機具按規定撤離,有無遺漏。

3 既有線施工現場人員機具保護及聯防聯控系統

3.1 系統需實現的主要功能

針對上述問題,既有線施工現場人員機具保護及聯防聯控系統應依托智能化終端和高可靠性的信息化系統,在滿足技術先進、經濟合理,具備可擴展性和升級改造能力的前提下,對現存問題采取針對性的應對措施,系統需實現的主要功能包括:

1)列車臨近偵測。在傳統駐站聯絡員—現場防護員—作業負責人協同保護機制下,建立自動化信息化的列車臨近偵測機制,保證列車臨近施工區段和離開施工區段時,聯防聯控系統能及時可靠地獲得相關信號。

2)現場防護人員、作業人員的合規作業偵測。通過人員佩戴的定位及通信設備,實時查看現場防護員、作業人員是否按規定到達預定作業位置,在收到避車信號后是否按規定距離和時段避車。

3)施工機具的無遺漏撤離。收到避車信號后,聯防聯控系統應可以偵測作業人員是否將全部機具、工具撤離作業區域,并將確認信號上報系統。

4)施工專用車輛的定位。聯防聯控系統應可以實時獲取并顯示施工專用車輛的位置,避免違規占線,影響行車安全。

3.2 整體方案設計

針對上述功能點,設計既有線施工現場人員機具保護及聯防聯控系統,系統由4個子系統組成,即列車臨近偵測、作業人員防護、施工機具遺漏偵測、工務專業車輛定位。其中,列車臨近偵測子系統主要依托施工區段上下行方向前出放置的自供電自通信(太陽能供電、2G/4G通信)紅外偵測終端及配套算法實現列車的通過偵測,并將相關信號上報系統;作業人員防護子系統主要依托北斗普通精度(分米級)/高精度(厘米級)人員定位終端及選配的音視頻對講、通信組件實現作業人員位置的實時監測,并實時上報系統;施工機具遺漏偵測通過專有手持式讀卡器,讀取工具箱內每件工具上綁定的無源RFID標簽,以非接觸感知的形式快速識別箱內工具數量及種類,判定人員撤離后是否有施工機具遺漏在限界內,實時發出提示語音并上報系統;工務專用車輛定位子系統是在工務車輛上安裝北斗車載定位終端及供電通信組件,實時上報工務車輛所在里程及車道。系統整體布設方案見圖1。

3.3 列車臨近偵測子系統

施工區間多為一股道或二股道,線路相對單一,故只做二維存在性監測,列車臨近偵測設備為紅外偵測終端,由現場防護人員在每次施工作業開始前,將紅外偵測終端(含紅外傳感器組、北斗定位單元、控制單元、通信單元、供電單元及戶外型一體化外殼)前出布設于施工區段兩側并預留必要的安全距離。可實時上報紅外偵測傳感器布設點的經緯度,并通過該紅外偵測終端判定列車通過情況。紅外偵測終端為專門研發的定制化產品,具備較好的戶外工作能力(防護等級IP65),兼具輕量化、便攜性以及安裝的牢固性,通過工具式便攜底座固定于限界外。

具體實現中,可結合線路情況采用一種或多種偵測手段相結合的方式,以保證系統的必要安全儲備,嚴防漏報,詳見圖2。

3.4 作業人員防護子系統

作業人員防護主要通過便攜式北斗人員防護終端實現,該終端基于我國自研的北斗定位系統,普通精度型號支持實時分米級定位、高精度型號支持實時厘米級定位(見圖3),徹底解決了現有人員定位產品在既有線防護中存在的定位精度不足、撤離告警誤報率高等問題。作業人員防護子系統配備有移動端和網頁端,支持人員與設備的綁定/解綁,以及所有作業人員實時位置的匯總查看。

作業人員防護設備可根據業務需要選配雙向音視頻對講和群組通信功能,實現避車告警通知信號、人員撤離回饋信號的同步傳遞和閉環管理。并依托定位功能,附帶實現作業人員和班組的工單派發及外業自動考勤打卡,實到人員數量查看和身份認證等功能。

3.5 施工機具遺漏偵測子系統

施工機具防護偵測中,由于機具數量較多且尺寸較小,不便于固定小型定位設備,故采用無源RFID標簽配合手持讀寫器實現施工機具的遺漏監測。在每個工具、機具牢固粘貼/抱箍固定無源RFID標簽,并在施工班組出發前通過手持讀寫器掃碼,登記當日該班組全部領用工具。作業人員在現場收到避車信號并撤出時,通過手持讀寫器快速掃描工具箱,核查撤出工具與領用工具是否一致,發現存在遺漏的,可通過手持讀寫器進行范圍搜索(感知距離0 m～25 m),偵測到遺漏工具后蜂鳴提示,詳見圖4。

3.6 工務專業車輛定位子系統

工務專業車載定位端即機車車載北斗定位終端,主要安裝于工務專用車輛上,內接車輛供電系統或自備供電單元(太陽能或蓄電池),定位精度不大于3 m,可實時上報工務專用車輛經緯度坐標。

3.7 系統工作原理及業務流程

既有線施工現場人員機具保護及聯防聯控系統,采用B/S架構,服務器部署于公有云(可根據客戶需要進行私有化部署),支持多用戶多角色權限管理,可通過統一授權的用戶名密碼,在PC端或移動端依身份查看下轄所有分公司、路局工務段、班組的人員、機具、工務專業車輛位置及數量,查看駐站聯絡員、現場防護員、作業負責人及相關配套設備的列車偵測告警、人員撤離回饋的響應和閉環執行情況。具體業務流程為:當紅外偵測終端偵測到物體通過信號時,將傳感器組的偵測信號及時間數據上報系統,系統根據預設的偵測判定算法,判定為列車通過或異物侵限,當判定為異物侵限時,通知駐站聯絡員確認無列車通過,系統留存該事件。當判定為列車通過時,系統發出告警信號,通知人員定位終端執行避車動作,并根據預設電子圍欄和作業人員實時位置,判斷人員是否撤離到危險區域電子圍欄以外,如撤離不完全,電話通知施工負責人;如撤離完全,任務結束。人員完全撤離到危險區域電子圍欄以外時,通過RFID智能標簽讀寫器檢查工具遺漏情況,讀取的設備標簽與預留信息一致時,判定為無工具遺漏;不一致時,通過RFID智能標簽讀寫器在作業現場進行范圍搜尋。聯防聯控系統業務流程圖見圖5。

4 結論

鐵路既有線施工安全,是跨線新建工程和既有線運營維護工程的主要風險源,如何基于現有工務管理制度,盡量避免人工作業潛在的不規范隱患是當前行業亟需解決的關鍵問題。研究基于先進的列車偵測、人員精準定位、工具遺漏檢測物聯網設備和專有算法,實現列車通過自動告警、人員撤離自動確認、工具遺漏智能檢測,并基于專有算法實現了誤報警判別,有效保障了“零漏報、低誤報”的系統高可靠性。為既有線施工現場人員機具保護提供了可靠幫助。