鐵路調車作業安全防護技術研究

張小強，趙 周

(1.中國國家鐵路集團有限公司 運輸部，北京 100844；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司 運輸部，甘肅 蘭州 730031)

0 引言

2022年1 月中國國家鐵路集團有限公司發布《“十四五”鐵路網絡安全和信息化規劃》，明確提出推進運輸生產領域信息化建設，提升運輸組織精準化和安全管理精細化水平，提升場站數字化管理與運營水平。

調車工作是鐵路運輸生產過程中的基本環節，是車站工作的主要內容之一。調車工作對及時解體、編組列車，取送旅客列車車底和貨物裝卸作業、檢修作業的車輛，按運輸需要調動機車車輛，完成列車技術檢查、整備作業，保證按運行圖行車、安全正點發車，縮短車輛停留時間、加速車輛周轉，全面提高服務質量，完成鐵路運輸的數量與質量指標任務，都具有十分重要的意義[1]。

同時，鐵路調車工作具有全天候、作業環境復雜、技防手段薄弱、人工作業不可替代等特點，作業風險因素多，易發生“沖、脫、擠”等調車事故和人身傷害事故，一直是車務系統安全工作防范的難點和重點[2]。

因此，研究運用物聯網、大數據分析、北斗定位、人工智能等先進技術，實現調車作業信息化、數字化、智慧化，對提高調車作業安全防護能力，提升運輸組織精準化和安全管理精細化水平，具有非常重要的作用。

1 鐵路調車作業現狀

調車工作始于調車計劃的編制、下達，終于最后一鉤作業確認完成。其中信息的傳遞大多采用傳真、電話、紙質調車作業通知單等方式，不但影響作業效率，也容易出現人為失誤。在作業過程中的各種檢查，基本依靠目測、目檢進行人工判斷，這也意味著調車工作的安全和效率完全受限于個人能力，因此鐵路局集團公司、站段必須要在制定規章、培訓規章、執行規章、監督規章執行等方面投入大量的培訓和監督力量[3]。

目前，各鐵路局集團公司在調車作業安全管控方面進行了探索和嘗試，主要采用無線調車燈顯設備[4]、音視頻監控及作業記錄儀等方法，但仍然沒有擺脫“人控”的框架，同時普遍存在手段薄弱、功能單一、技防效果不明顯的問題，無法對調車作業全過程進行安全防護、監控和分析。

2 限制調車作業技術運用的主要問題

（1）室外作業信息化、數字化程度較低。目前，調車作業人員主要通過紙質調車作業通知單了解作業內容，通過無線調車燈顯設備進行作業指令傳遞和作業聯控，通過目測、目檢完成距離的判斷和進路檢查，完全依靠個人能力來執行調車計劃，存在失誤隱患。

（2）缺乏統一的執行標準和檢查標準。《鐵路調車作業》(TB/T 30002—2020)及《鐵路技術管理規程(普速鐵路部分)》中，明確規定了調車作業全流程作業程序，以及調車工作的基本要求和關鍵事項作業要求。在實際調車工作中，由于站場環境和作業任務的多樣性，以及技術手段的匱乏，調車標準規范只能依靠制度，人為監督落實，導致調車作業雖然有標準框架，但細節上的執行標準和檢查標準比較松散寬泛。

（3）信息共享程度較低。完整的調車作業數據包括正線、站線、段管線、岔線[5]等區域的作業數據，涉及接發車、現車等車列調度數據；信號、機車、調車班組的操控數據；道岔、大門、脫軌器、道口、防撤溜等各種設施的狀態數據。目前，部分數據已經實現了信息化、數字化，或者具備了信息化、數字化的技術路線，但由于缺少統一的共享機制，這些數據沒有得到有效地綜合運用，僅在各自相對獨立的系統內發揮自身作用，沒有形成協同效力，影響了調車工作和運輸生產組織的整體效率。

（4）車列及室外作業人員位置確定難度較大。調車作業安全的核心是調車進路上的行車安全和調車作業過程中的人身安全。因此，提供調車作業安全防護首先要精確掌握車列和人員的位置。在車列位置判斷上，目前主要存在軌道電路和衛星定位2種模式。軌道電路模式位置精度受限于絕緣節鋪設密度，從建設成本考慮，絕緣節一般在作業密集的站場，按股道分段區間鋪設，車列位置誤差不一致，難以實現作業安全距離判斷。同時，在非集中區調車、三壓(壓信號、壓道岔、壓絕緣)調車、分路不良區段等作業環境下，軌道電路模式無法發揮作用[6]。衛星定位模式最大優勢在于不受站場面積、作業位置的影響，而且施工簡單，對調車作業來說是一種接近全天候、全地域的技術。但衛星數據會受到環境的干擾，從而出現偏差，需要通過差分技術或者糾偏算法來進行補充，提高定位精度[7]。調車班組人員位置的判斷，一直是調車作業安全防護技術的薄弱環節。一是缺少與之匹配的人員防護應用；二是人員位置基本需要依托衛星定位實現，既有裝備均不能支持定位精度要求，新增裝備受到體積、重量、運用環境等方面限制，暫時沒有可用的設備能夠同時支持高精度定位和現場應用。

（5）無線通信能力較弱。由于作業距離長，作業環境復雜，無線通信是解決鐵路運輸生產組織管理必不可少的技術手段，也是解決鐵路運輸生產管理數字化、智能化“最后一公里”問題的必備技術能力。目前，站場調車組織主要通過無線調車燈顯設備進行通信，這種方式的優點是通信延時小、控制簡單、自組網方便，但存在帶寬低、頻段資源受限、易干擾等問題，無法滿足數字化、智能化的數據傳輸需求。此外，當前全路采用的GSM-R網絡技術，傳輸速率低于無線調車燈顯設備，而且大部分鐵路車站GSM-R網絡趨于飽和，難以為調車組織提供無線通信支撐。而公共4G網絡容易受到移動基站覆蓋、峰值網速限制、網絡信息安全等影響，無法推廣使用[8]。

3 解決方案

3.1 建設統一的調車作業全流程管控平臺

建設數字化、智能化的調車作業全流程管控平臺，用技術手段為調車作業提供安全防護，促進調車作業標準規范落實到細處。

3.1.1 檢查項點數字化

鐵路調車工作程序中涉及車輛檢查、線路檢查等大量的作業內容，檢查細致、到位，可以為調車工作乃至鐵路運輸生產提供最基本的安全保護，對于調車作業效率的提升也可以起到事半功倍的作用。

在車輛檢查方面，調車人員需要檢查排風摘管情況、檢查開口位置、連掛狀態、制動狀態等。其中，人力制動機和鐵鞋可以采用北斗定位、物聯網傳感器技術進行狀態判斷和數據采集；而其他檢查內容暫時沒有適合的技術手段直接進行數字化表達，還需要通過人工操作進行信息化處理，如拍照上傳、定位打點等，輔助調車人員開展作業確認和匯報工作。

在線路檢查方面，調車人員需要檢查線路障礙物、防護信號、大門、手扳道岔、線路兩旁及站臺上堆放貨物距離等。這些檢查內容按照《鐵路技術管理規程(普速鐵路部分)》大多具有標準化的規定要求，根據其場景和環境的特點，可以綜合利用北斗定位、物聯網傳感器、雷達、電子圍欄、圖像識別等技術，實現數字化表達，進行智能判斷。

3.1.2 作業項點數字化

調車作業是一項有序的工作，在《鐵路調車作業》標準中規定了鐵路調車作業的基本要求和各類作業的作業程序和技術要求。而作業項點，就是在調車作業過程中，按照標準規范程序進行的作業項目。

目前，我國大多數車站調車作業依然屬于“人控”模式，還有更多需要完善和創新的空間，這就需要開展作業項點的數字化建設。

（1）在鐵路運輸生產過程中，運用智能識別技術，對作業項點聯控用語和作業場景圖像進行智能分析，自動判斷作業規范性，將極大促進作業標準化的建設步伐。在調車工作中，由于調車作業環境復雜多變，作業人員聯控過程中方言多、語速快，存在動作隨意性，需要開展長期的機器學習才有可能達到90%以上的識別率。從成本角度考慮，可以采用先易后難、突破關鍵的辦法，從調車作業標準用語，高站臺領車站位等關鍵安全行為入手開展并使用智能識別技術。

（2）調車工作中，需要目測、目檢的作業內容十分普遍，直接關系到作業安全和作業效率。因此，分析作業內容，挖掘關鍵安全點，綜合利用衛星定位、物聯網傳感器、雷達探測、人工智能等技術進行監測、識別、判斷，實現數字化、智能化的調車作業導航。例如，運用基于位置的鐵路應用服務，在連掛車列、盡頭線調車作業時，對安全距離和速度自動監測判斷[9]，輔助校正目測距離，防止誤報、漏報，防范調車沖突、脫軌事故。

3.1.3 崗位作業信息化

調車作業全流程信息化建設中，在值班員、車站調度員(區長)崗位主要是建立信息共享，高效而便捷地實現任務下達與進度反饋；信號員崗位主要是將調車計劃鉤銷記作業由紙質調車作業通知單鉤劃記錄的模式轉變為電子化、信息化的鉤銷記，提高作業登記的即時性、準確性。

相較于上述的室內作業崗位，調車班組信息化程度最低，信息化建設難度最大。目前，調車班組出務攜帶的信息化裝備只有無線調車燈顯設備和工作記錄儀，二者在信息處理、數據交互方面能力受限，不足以支撐調車作業全流程信息化。根據室外作業崗位信息化的要求，調車班組攜帶的設備應具備無線調車燈顯設備(對講、指令)功能、定位功能、工作記錄儀功能、無線數據傳輸功能、APP運算功能，同時在防水、防塵、抗摔、高低溫、電池續航等指標上可以滿足鐵路站線室外作業環境要求。為減輕作業人員裝備負荷，調車人員信息化終端設備需要盡可能實現多功能一體化，這也是鐵路裝備發展的必然趨勢。

3.2 建立統一的數據交換中心

在保證鐵路運輸生產網絡信息安全的前提下，兼顧各業務部門數據信息化需求，打通既有信息系統間的“隔離墻”，是鐵路運輸生產組織信息化、數字化、智能化的必然趨勢。為此，有必要在統一的信息安全管理機制下，在鐵路專網內建設統一的數據交換中心，也就是先行將各系統產生的生產作業數據導入“數據池”，然后分發給其他有共享數據需求的業務系統，這樣既保證了原有系統的運行安全，又可以實現最大化的信息共享，充分發掘各信息系統的數據潛力，促進鐵路運輸生產組織的高效運行。

3.3 開發基于位置(北斗定位技術)的鐵路應用服務

3.3.1 鐵路調車作業定位精度需求

相比磁缸、絕緣節等固定地標感應方式，衛星定位技術是掌握調車作業車列和人員位置的最適用的技術手段。因此，選擇定位精度符合調車工作要求的衛星定位技術是鐵路調車工作數字化建設非常關鍵的環節。

從調車作業安全距離范圍來分析，調車車列作業安全距離測算精度達到亞米級或者米級即可滿足要求，參考相鄰股道道心間距最小距離標準，可以采用圓概率統計方法2.0 m-CEP99作為調車作業車列定位精度的最低標準。

調車作業人員位置的精度要求需要結合鐵路鄰線作業人員安全要求和作業項內容來綜合考量。掌握人員位置的目的首先是確定作業人員是否出現在適合的作業位置，防止作業人員“任性”指揮動車，此時，定位精度可以按2.0 m-CEP95作為標準；其次是對涉及人身安全的位置確定，如與車列的距離，與行車股道的距離等，防范人身傷害事故，此時，定位精度需要達到0.5 m-CEP99才能有效發揮相應的作用。

3.3.2 運用實時陣列校準技術的優勢

衛星定位過程中存在較大的誤差，一般單點定位精度在米級甚至10米級，因此，為達到2.0 m-CEP99以上的車列定位精度標準，需要在地面接收端進行位置校準，通常會采用差分技術來提高定位精度。

差分技術一般是利用2臺接收機(基準站和接收站)同時接收衛星信號，利用誤差的空間相關性進行差分計算，從而消除2臺接收機的公共誤差部分，提高定位精度[10]。除了要建設基準站、移動站以外，隨著基準站與移動站之間距離的增加，定位精度也會下降，從投資成本角度來說，對于大多數車站是不太適用的。

實時陣列校準(RAC)技術有別于傳統的實時動態(RTK)差分技術，通過創新的天線陣列設計方案和軟件算法，不需要建設基準站、移動站，就可以使定位精度達到亞米級/分米級，從而保證機車定位精度和穩定性，也極大降低了高精度定位的建設成本。

3.3.3 股道停留車位置判斷

鐵路調車作業中，摘掛作業是常見的作業項，也是調車事故相對多發的作業項之一。而股道停留車位置的數字化，是智慧調車必須解決的難題。

由于股道停留車的停放位置是不固定的，停留車輛的車型、數量也是不固定的，這就給停留車位置確定帶來諸多難題。

針對這一問題，可以綜合運用機車定位+車輛換長數據測算停留車位置。通過在機車上安裝RAC定位裝置，結合車種換長數據，理論上可以得到該車列所有車輛的實時位置。當調車作業完成后，停留車列兩端車輛的位置就是停留車位置。這種方式成本低，施工量少，是一種極具實用價值的技術路線。

3.3.4 車列相對距離安全性判斷

車列相對距離指的是車列前端與前方目標位置或者關鍵區域位置的距離。目前，調車作業主要還是采用人工目測的方法估算距離，并進行相應的控制。

有了機車位置和數字化站場地理信息，結合車輛換長數據，就可以計算出推進車列與前方進路關鍵區域位置的相對距離，以相對較低的成本實現全站場車列相對距離的數字化。在距離前方目標十、五、三車距離時，可以自動發出距離提示；在限速區段上，可以自動發出速度提示；接入檢查項點監測數據后，可以對前方關鍵區域狀態進行提示；接入信號和分段進路數據以后，還可以對進路開通情況進行提示；接入無線調車燈顯系統后，還可以對緊急高危事件進行應急處置；從而為調車作業提供智能化的安全導航。

3.4 無線通信解決方案

在無線通信技術的選擇上，一方面需要考慮傳輸速率、通信延遲、傳輸距離、并發量、通信安全等技術性能問題，另一方面還要考慮投資、建設、運營、管理、維護等要素。

從長遠來看，中國鐵路5G專網建設和信息化應用是必然發展方向，調車作業數字化、智慧化建設應以5G無線網絡為基礎進行相應的技術研究和技術儲備。

自2017年原中國鐵路總公司發布《鐵路站場寬帶無線接入系統總體技術要求(暫行)》(鐵總運[2017]48號)[11]以來，LTE(長期演進)寬帶無線接入系統在鄭州、南寧、哈爾濱、北京等部分鐵路局集團公司進行了試點建設和應用[12]，但多用于貨檢系統的無線通信覆蓋，而且由于建設、運用、管理、維護等多重因素，LTE模式未得到廣泛的推廣應用。

因此，從加快開展調車作業數字化、智慧化探索研究的角度出發，可以選擇自組網方便，建設成本低、維護成本低的低功耗廣域網(LPWAN)無線通信技術。雖然物聯網無線通信技術數據傳輸能力較弱，只適合坐標、信號、指令、小文本等窄帶數據傳輸，但從鐵路運輸生產作業流程信息化角度來看，足以滿足大多數作業信息的無線傳輸要求，可以作為鐵路站場無線網絡技術的有益補充，從而快速解決調車作業全流程信息化問題。

3.5 作業全流程監控分析服務

3.5.1 站場監控攝像頭自動跟隨技術

為了掌握現場情況，監督現場作業，保障作業安全，各站場安裝了大量的監控攝像頭。這也帶來了一個新的問題，為了更好地監控現場，就必須設置專人專崗進行盯控，而一旦離開人控，攝像頭就會返回默認設置狀態進行拍攝，也就是所謂的閑置空拍。為此，監控攝像頭自動跟隨拍攝的需求應運而生。自動跟隨拍攝的優勢在于不需要人控，攝像頭按照既定規則自動跟隨目標的移動調整角度、焦距、放大倍率，自動拍攝存儲作業場景。一方面可以減輕盯控管理人員手動操控云臺的工作量，另一方面在沒有盯控管理人員參與時，也可以自動拍攝作業場景，從而達到全天候、全流程的作業監控，極大提高站場監控攝像頭的利用率。

采用定位跟隨視頻技術，可以根據目標位置調動周邊攝像頭按最優規則進行跟隨拍攝，只要定位信號不中斷，即便被車輛遮擋，跟隨拍攝也不會中斷。由于只有指定的作業人員佩戴定位設備，人員身份綁定，跟隨目標指向性明確，不會出現無差別跟隨的問題。同時，身份、位置綁定后，調車班組作業位置在地圖和視頻中均可以直觀展示出來，可以有效防止作業人員不在規定作業位置指揮調動車輛的情況。

3.5.2 基于位置和作業流程數字化開展調車作業導航服務

鐵路調車工作是有計劃的作業組織行為，這也意味著調車作業本質上是有序的生產活動。因此，根據調車計劃、現車和進路安排，就可以通過基于位置的鐵路應用服務以及檢查項點的狀態監測結果和作業過程標準化行為分析，對調車作業過程中的每一個關鍵狀態和關鍵行為進行提醒防護，對下一鉤作業進行重點安全提示，對作業進度進行判斷和展示。例如，鐵路調車列車摘掛作業，車列啟動前，通過信息化移動終端設備向調車班組自動提示下一鉤作業內容、注意事項，提示進路前方手扳道岔、大門、防護信號等檢查項點狀態監測結果。車列啟動后，根據車列相對距離的計算結果，提前向調車班組通報前方進路上關鍵區域(如道口、高站臺等)的距離和監測狀態，在限速區段通報速度提示，接近停留車位置時自動通報十、五、三車距離。當出現緊急情況時，自動發出停車指令，起到風險防范的作用。

4 結束語

調車工作是鐵路運輸生產的重要組成部分，是鐵路運輸效率增長的重要影響因素。同時，調車工作也是鐵路交通安全事故防范的重點。長期以來，車務系統一直致力于調車作業安全與效率的均衡發展。從調車作業全流程管控的角度，分析調車作業安全防護技術發展的瓶頸因素，綜合研究利用各種技術、方法，提出可以有效提高調車作業安全防護和監控能力的技術解決方案，以期在保障調車作業安全的基礎上提升調車作業效率。