鐵路施工防護系統中多重冗余預警技術的研究

唐文國

（中國鐵路蘭州局集團有限公司，蘭州 730030）

目前鐵路施工作業過程中，人身安全防護相關的工作角色包括司機乘務員、駐站聯絡員、現場防護員和現場作業員等。當有機車接近時，駐站聯絡員通過對講機和現場防護員進行語音通訊來實現安全防護信息傳遞，對列車定位的手段比較單一，缺少信息的互聯互通多方聯控，對人身安全防護的保障效果較差。為有效遏制機車車輛撞軋事件發生，確保線上施工、運維人員人身安全，鐵路施工防護系統利用公網和二次雷達通信技術，綜合北斗定位等技術，進行一體化的施工流程管理、機車接近預警和人員超范圍施工報警。實現車站、機車和施工現場的信息互聯互通，是司機、駐站聯絡員、現場防護員和現場作業員的協同安全管理模式，全面提升施工區作業人員的安全水平。

對于列車與施工區接近防護，鐵路施工防護系統采用多重冗余預警技術，即基于二次雷達推算預警和基于北斗定位推算預警。多重冗余預警技術可應對橋隧、雨雪等多種地理、氣候環境，可以保證列車接近檢測的可靠性，保障施工區作業人員安全。

1 鐵路施工防護系統

鐵路施工防護系統由列車接近報警子系統(預警子系統)、鐵路施工區子系統（施工區子系統）、施工作業管理子系統（管理子系統）組成，如圖1所示。列車接近報警子系統包括車載設備與地面裝置，該系統通過二次雷達測距技術實現列車接近預警。鐵路施工區子系統包括防護預警終端和作業預警終端。防護預警終端裝備于現場防護員，能夠展示站場圖、施工區位置信息以及施工區相關報警信息，為現場防護員提供安全防護管理功能。作業預警終端裝備于現場施工作業員，向現場施工人員提示報警。施工作業管理子系統實現管轄范圍內的施工作業標準化、智能化卡控，實現對施工區信息初始化、人員上道、人員避車、人員恢復上道作業和結束施工的標準化管理，可對列車位置以及施工區位置進行監控。施工作業管理子系統可分層級部署相應終端，在監控中心操作終端可監督系統管轄范圍內各條線路的施工情況，施工線路監控站操作終端可監督本站管轄范圍內的施工區情況。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

2 列車接近預警方式

對于列車與施工區接近防護，鐵路施工防護系統采用多重冗余預警技術，即基于二次雷達推算預警和基于北斗定位推算預警。

基于二次雷達推算預警：車載裝置實時從ATP獲取車次號、公里標和運行方向信息，將此信息及二次雷達的距離測算信息發送至地面裝置。地面裝置結合自身配置的公里標、防護方向信息，判斷列車與施工區距離，向管理子系統預警。地面裝置將自身公里標、防護方向發送至車載裝置，車載裝置結合自身從ATP 獲取的車次號、公里標和運行方向等信息判斷與施工區距離，向管理子系統發送基于二次雷達測算的預警。

基于北斗定位推算預警：車載裝置實時向管理子系統報告北斗定位信息，地面裝置實時向管理子系統報告北斗定位信息，管理子系統將兩者定位信息轉發至相應施工區防護預警終端。由防護預警終端測算列車位置與施工區距離，向管理子系統發送基于北斗定位測算的預警，管理子系統再將預警信息轉發至車載裝置和地面裝置。

預警機制根據車載裝置和地面裝置之間的距離進行預警的判定。在地面裝置初始化時可設置車載裝置和地面裝置之間的預警距離，同時設置地面裝置在本端或者對端。例如設置一級預警距離為1 500 m，二級預警距離為2 000 m，三級預警距離為3 000 m，地面裝置在本端。車載裝置從本端逐漸接近地面裝置，當車載裝置和地面裝置之間的距離≤3 000 m 且＞2 000 m 時，預警機制可判斷為三級預警；當車載裝置和地面裝置之間的距離≤2 000 m 且＞1 500 m 時，預警機制可判斷為二級預警；當車載裝置和地面裝置之間的距離≤1 500 m 時，預警機制可判斷為一級預警，直至列車通過施工區接近側，預警機制可判斷為無預警。

2.1 基于二次雷達推算預警

二次雷達技術采用問答形式獲取信息，詢問機發射詢問信號，應答機接收到詢問信號后反饋應答信號，詢問機接收到應答信號后根據發射詢問信號和接收應答信號的時間間隔計算前后間距。二次雷達在軍事、航空航天、交通運輸等領域有著廣泛的應用前景，二次雷達技術具備傳遞信息的功能，可將二次雷達技術用于列車接近預警判定。二次雷達測距由車載裝置和地面裝置完成。車載裝置和地面裝置均包含雷達通信模塊，雷達通信模塊集成在車載裝置中的發射機和地面裝置中的接收機。車載裝置安裝在機車駕駛室，地面裝置分別置于施工防護區兩端，在不依賴任何固定基礎設施的情況下建立列車接近預警屏障。車載裝置與地面裝置通過二次雷達可傳遞公里標等信息，進而對列車接近施工區進行預警。

如圖2 所示，存在兩個施工區，每個施工區存在兩個地面裝置。地面裝置2 本端公里標為K11+700，對端公里標為K11+300，地面裝置3 本端公里標為K12+600，對端公里標為K13+000。車載裝置1 從公里標K12+300 處逐漸接近地面裝置3，逐漸遠離地面裝置2，車載裝置2 從公里標K12+000 處逐漸接近地面裝置2，逐漸遠離地面裝置3。車載裝置1 對于逐漸接近的地面裝置3 進行接近預警判定，對于逐漸遠離的地面裝置2 不進行接近預警判定。地面裝置2 對于逐漸接近的車載裝置2 進行接近預警判定，對于逐漸遠離的車載裝置1 不進行接近預警判定。

圖2 基于公里標-車載裝置接近或遠離地面裝置Fig.2 Onboard equipment approaches or moves away from wayside equipment based on kilometer post

如圖3 所示，車載裝置1 從公里標K10+300處逐漸接近施工區1 和施工區2，車載裝置2 從公里標K14+000 處逐漸接近施工區2，車載裝置通過廣播可與4 個地面裝置通信。車載裝置1 根據各個地面裝置公里標識別出施工區1 距離自身最近的地面裝置1、施工區2 距離自身最近的地面裝置3 進行接近預警判定。地面裝置4 對于從本端接近的車載裝置2 進行接近預警判定。

圖3 基于公里標-車載裝置(地面裝置)識別最近地面裝置(接近側車載裝置)Fig.3 Onboard equipment/wayside equipment identifies the nearest wayside equipment/onboard equipment in approach side based on kilometer post

2.2 基于北斗定位推算預警

北斗差分定位是一種高精度定位技術，通過差分處理可將定位精度提升到亞米級甚至更高。北斗差分定位具有高精度、實時性和可靠性的特點，廣泛應用于航海、航空、地震監測和工程測量等領域。

車載裝置和地面裝置實時向管理子系統報告北斗定位信息。管理子系統將車載裝置的北斗定位信息和地面裝置的北斗定位信息轉發至相應施工區的防護預警終端，由防護預警終端測算列車位置與施工區距離。然后防護預警終端向管理子系統發送基于北斗定位測算的預警信息，管理子系統再將預警信息轉發至車載裝置和地面裝置。數據流轉發如圖4所示。

圖4 基于北斗定位-數據流轉發過程Fig.4 Data flow and transmission process based on Beidou system positioning

如圖5 所示，施工區1 所在的經緯度約為112.34、39.92，施工區2 所在的經緯度約為113.54、38.72，車載裝置1 和車載裝置2 按圖5所示方向前進。防護預警終端1 根據車載裝置和地面裝置的北斗定位信息判斷出車載裝置1 逐漸遠離地面裝置2，車載裝置2 逐漸接近地面裝置2。同理，防護預警終端2 根據車載裝置和地面裝置的北斗定位信息判斷出車載裝置1 逐漸接近地面裝置3，車載裝置2 逐漸遠離地面裝置3。所以，車載裝置1 對于逐漸接近的地面裝置3 進行接近預警判定，對于逐漸遠離的地面裝置2 不進行接近預警判定。地面裝置2 對于逐漸接近的車載裝置2 進行接近預警判定，對于逐漸遠離的車載裝置1 不進行接近預警判定。

圖5 基于北斗定位-車載裝置接近或遠離地面裝置Fig.5 Onboard equipment approaches or moves away from wayside equipment based on Beidou system positioning

如圖6 所示，車載裝置1 和車載裝置2 按如圖方向前進，防護預警終端1 根據車載裝置和地面裝置的北斗定位信息判斷出施工區1 距離車載裝置1最近的地面裝置為地面裝置1，防護預警終端2 根據車載裝置和地面裝置的北斗定位信息判斷出施工區2 距離車載裝置1 最近的地面裝置為地面裝置3以及車載裝置2 從從本端接近地面裝置4。所以，車載裝置1 對于施工區1 距離自身最近的地面裝置1、施工區2 距離自身最近的地面裝置3 進行接近預警判定，地面裝置4 對于從本端接近的車載裝置2 進行接近預警判定。

圖6 基于北斗定位-車載裝置(地面裝置)識別最近地面裝置(接近側車載裝置)Fig.6 Onboard equipment/wayside equipment identifies the nearest onboard equipment/onboard equipment in the approach side based on Beidou system positioning

2.3 多重冗余預警融合

對于列車與施工區接近防護，系統采用基于二次雷達和基于北斗定位推算預警的多重冗余計算方案，可靠保證列車接近檢測。系統將基于二次雷達測算的距離和基于北斗定位測算的距離進行比較，選取最小值作為列車距施工區距離。

由于橋隧、雨雪等多種地理、氣候環境，基于二次雷達推算預警機制或者基于北斗定位推算預警機制可能會失效，即只有一種預警機制起作用時，管理子系統中的數據轉發服務可將任一預警機制觸發的預警信息轉發至車載裝置、地面裝置和防護預警終端，車載裝置、地面裝置和防護預警終端均可正常預警。除此之外，在車載裝置逐漸接近地面裝置的過程中，如果基于二次雷達測算的車載裝置和地面裝置之間的距離大于三級預警距離，即無預警信息，而車載裝置和地面裝置接收到管理子系統轉發的基于北斗定位的三級預警信息，則車載裝置和地面裝置顯示三級預警信息。多重冗余預警機制保障了施工區作業人員的安全，保證了系統功能的可靠性。

如圖7 所示，車載裝置1 接近施工區1，施工區1 存在地面裝置1，系統對車載裝置1 和地面裝置1 進行接近預警判定。系統采用多重冗余預警機制時，將基于二次雷達測算的距離和基于北斗定位測算的距離進行比較，選取最小值作為列車距施工區距離。例如在車載裝置逐漸接近地面裝置的過程中，基于二次雷達測算的距離為2 100 m，基于北斗定位測算的距離為1 900 m，則車載裝置和地面裝置之間的距離取二者的最小值，車載裝置和地面裝置之間的距離為1 900 m，預警等級為二級預警。

圖7 基于二次雷達和基于北斗定位測距Fig.7 Distance measurement based on secondary radar positioning and Beidou system positioning

在車載裝置逐漸接近地面裝置的過程中，預警等級只能升級，不能降級，即上一時刻判定出二級預警后，下一時刻不可判定為三級預警，上一時刻判定出一級預警后，下一時刻不可判定為二級預警或三級預警。基于二次雷達測算的距離和基于北斗定位測算的距離可能存在誤差，如圖8 所示，在車載裝置1 逐漸接近地面裝置1 的過程中，t1時刻基于二次雷達測算的距離和基于北斗定位測算的距離最小值為1 900 m，預警等級為二級預警。t2時刻基于二次雷達測算的距離和基于北斗定位測算的距離最小值為2 100 m，此時預警等級不可判定為三級預警，仍維持二級預警。

圖8 基于二次雷達和基于北斗定位測距時序Fig.8 Sequence of distance measurement based on secondary radar positioning and Beidou system positioning

3 試驗與應用

對于列車與施工區接近防護，鐵路施工防護系統采用多重冗余計算方案，即基于二次雷達推算預警和基于北斗定位推算預警，可靠保證列車接近檢測，可應對橋隧、雨雪等多種地理、氣候環境，提高了鐵路施工作業的規范性和信息化程度，保障了施工區作業人員安全。該系統在某鐵路局進行現場試驗，現場試驗包括試驗設備安裝、人工走行施劃電子圍欄、人員越界侵限報警、基于北斗定位的列車接近預警功能及其準確性和基于二次雷達的列車接近預警功能及其準確性等，試驗結果正確且符合預期。系統成功在某鐵路局應用部署，應用情況良好。

由于鐵路施工防護系統采用多重冗余預警機制，該系統可在直線線路、曲線線路和橋隧等地理環境下應用。當列車運行軌跡為直線線路或者曲線線路時，基于二次雷達推算預警機制和基于北斗定位推算預警機制均起作用，系統選取二者最小值作為列車距施工區距離。當列車運行在橋隧時，由于橋隧中北斗定位不準或者失效，系統可采用基于二次雷達的推算預警機制計算列車距施工區距離，保障施工區作業人員安全。

4 總結

本文詳細介紹了基于二次雷達推算預警和基于北斗定位推算預警的多重冗余預警技術。多重冗余預警技術可以有效保證列車接近施工區檢測，及時生成預警信息，從而保證施工區作業人員的安全。

該技術雖然取得了一定成果，但還有一些不足之處：在隧道內無法獲取列車及作業區人員的北斗定位信息，需要依靠既有手段人工防護。除此之外，基于二次雷達測算的距離和基于北斗定位測算的距離存在誤差，需要在以后的研究工作中提高測距精準度。