雷太安，張煒明，刁興龍，徐運(yùn)杰，王會龍，張飛，彭晨，樊志輝

（1.山東高速軌道交通集團(tuán)有限公司 益羊鐵路管理處，山東 壽光 262700；2.北京世紀(jì)東方智匯科技股份有限公司，北京 102609）

0 引言

我國貨運(yùn)鐵路在智能化發(fā)展中與互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)、智能控制、自動控制等方面的融合度較低，落后于同行業(yè)高速鐵路、城市軌道交通等運(yùn)輸方式，存在安全隱患多、運(yùn)行成本高、運(yùn)輸效率低、用工數(shù)量多、人工勞動強(qiáng)度大等情況。如何實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析和智能處置判斷，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行預(yù)警系統(tǒng)，對進(jìn)一步確保貨運(yùn)行車安全具有重要意義［1］。

益羊鐵路管理處調(diào)研發(fā)現(xiàn)，線路防護(hù)道口、施工作業(yè)人員、巡道工與機(jī)車之間相互獨(dú)立，且防護(hù)以管理手段為主，無法實(shí)現(xiàn)列車、地面、人員的信息交互和實(shí)時(shí)信息獲取。為解決上述問題，在分析我國鐵路貨運(yùn)規(guī)章制度［2-3］的基礎(chǔ)上，基于5G和北斗定位技術(shù)［4-5］，并結(jié)合大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)，研發(fā)多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)。

1 多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)概述

多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)精確采集機(jī)車、地面作業(yè)人員的動態(tài)位置信息和道口靜態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行全過程監(jiān)控預(yù)警［6］，提供人員、機(jī)車、地面的三方實(shí)時(shí)通信和監(jiān)控，確保機(jī)車平穩(wěn)安全運(yùn)行，全面提升行車安全水平。

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

行車過程中實(shí)時(shí)對區(qū)間施工作業(yè)人員、巡道工、道口、過道行人和機(jī)動車等進(jìn)行機(jī)車接近預(yù)警，同時(shí)當(dāng)施工地點(diǎn)、道口出現(xiàn)障礙發(fā)起報(bào)警時(shí)及時(shí)推送至附近機(jī)車和安全預(yù)警接口平臺，實(shí)現(xiàn)機(jī)車、施工作業(yè)人員、道口、調(diào)度管理之間的多點(diǎn)智聯(lián)［7-8］。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下：

（1）線路“變量”早知道。人機(jī)定位信息全員實(shí)時(shí)共享，線路運(yùn)行中的“變量”及時(shí)共享，路況協(xié)同通知各單位，隱患早發(fā)現(xiàn)、早處理、早預(yù)防。

（2）溝通交流多通道。在既有作業(yè)閉環(huán)過程中，通信鏈路單一，交流方式被動，交流環(huán)境中斷后危險(xiǎn)系數(shù)陡增。系統(tǒng)多通道通信能夠進(jìn)一步保障作業(yè)安全。

（3）作業(yè)人員勤應(yīng)答。通過監(jiān)控車輛與人員的定位，系統(tǒng)實(shí)時(shí)判斷人機(jī)時(shí)空關(guān)系，當(dāng)距離達(dá)到一定閾值時(shí)，發(fā)送提醒信息給現(xiàn)場作業(yè)人員，作業(yè)人員收到提醒后及時(shí)撤離到安全區(qū)域再應(yīng)答，形成安全通路。

（4）一鍵報(bào)警全響應(yīng)。作業(yè)隊(duì)安全防護(hù)員、道口工、巡道工、值班司機(jī)遇到特殊緊急情況時(shí)，可一鍵報(bào)警，將自身安全情況及所處位置風(fēng)險(xiǎn)情況告知系統(tǒng)內(nèi)所有人員；如遇特殊情況，可提醒司機(jī)減速甚至剎車避讓。

1.2 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺、安全預(yù)警分析計(jì)算平臺、安全預(yù)警接口平臺三大平臺及其子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.2.1 終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺

終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口，包含多個(gè)接入服務(wù)單元（或稱為接入子系統(tǒng)）。每個(gè)接入單元由內(nèi)部接口和開放接口2個(gè)部分組成，再由網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的接入。

針對不同終端設(shè)備類型，通過對接入單元進(jìn)行二次開發(fā)，主要是開放接口部分開發(fā)，根據(jù)具體接入設(shè)備或服務(wù)的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部接口要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入和轉(zhuǎn)換，傳入上層平臺。

為保證系統(tǒng)基礎(chǔ)功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，接入平臺預(yù)先針對手持終端設(shè)備、道口設(shè)備、車載設(shè)備、鐵路道口設(shè)備開發(fā)了對應(yīng)的接入單元。硬件設(shè)備通過北斗實(shí)現(xiàn)定位信息的采集上傳，再利用現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)及無線電臺通信構(gòu)建多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)的終端通信網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 安全預(yù)警分析計(jì)算平臺

安全預(yù)警分析計(jì)算平臺是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取和大數(shù)據(jù)智能分析。安全預(yù)警分析計(jì)算平臺分為數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)、安全預(yù)警分析計(jì)算子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)緩存?zhèn)}儲子系統(tǒng)、查詢分析子系統(tǒng)4個(gè)部分。

數(shù)據(jù)接入子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺的數(shù)據(jù)對接，獲取數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗篩選，去除無用、無效數(shù)據(jù)。處理完畢后將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到安全預(yù)警分析計(jì)算子系統(tǒng)，然后通過預(yù)警算法根據(jù)配置的預(yù)警條件對線路中行車數(shù)據(jù)、巡道數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析計(jì)算，輸出實(shí)時(shí)預(yù)警信息到安全預(yù)警接口平臺，提供給接入的上層系統(tǒng)使用。在計(jì)算過程中的原始數(shù)據(jù)、關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，將根據(jù)需求通過數(shù)據(jù)緩存?zhèn)}儲子系統(tǒng)進(jìn)行緩存和持久化，并保證數(shù)據(jù)的一致性。查詢分析子系統(tǒng)可以提供數(shù)據(jù)查詢分析接口服務(wù)。

該平臺通過內(nèi)部4個(gè)模塊的協(xié)作運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)行車的精確防護(hù)預(yù)警，并結(jié)合鐵路運(yùn)行多部門綜合管理、多方協(xié)作的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通與共享，達(dá)到精確、全面、可靠的一體化綜合行車安全防護(hù)。

1.2.3安全預(yù)警接口平臺

多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)最終以接口的形式對外提供服務(wù)，第三方應(yīng)用可在此基礎(chǔ)上定制化開發(fā)客戶端，形成1個(gè)中心、多個(gè)終端的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的中心管理，對行車運(yùn)行過程進(jìn)行全局掌控。其中，多個(gè)終端指終端設(shè)備，終端設(shè)備作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源的同時(shí)，也作為系統(tǒng)下發(fā)信息的呈現(xiàn)終端，參與行車中的交互，消費(fèi)系統(tǒng)中的部分輸出數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)組成與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)分別給機(jī)車、道口、作業(yè)班組、巡道人員配置不同的終端，系統(tǒng)組成見圖2，包括軟件服務(wù)平臺和各類硬件設(shè)備，其中軟件服務(wù)平臺指基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺、安全預(yù)警分析計(jì)算平臺、安全預(yù)警接口平臺。系統(tǒng)利用北斗定位系統(tǒng)對各預(yù)警對象的位置進(jìn)行定位；利用5G網(wǎng)絡(luò)，在預(yù)警對象和地面預(yù)警平臺間傳遞位置、身份、速度等信息；結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）線路數(shù)據(jù)庫進(jìn)行趨勢判斷，生成預(yù)警信息；利用5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給每個(gè)需要的預(yù)警對象，實(shí)現(xiàn)預(yù)警及報(bào)警功能（見圖3）。

圖2 多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)組成

圖3 多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示意圖

2.1 軟件服務(wù)平臺

安全預(yù)警分析計(jì)算平臺是軟件服務(wù)平臺的重要組成部分，是多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)的大腦與核心。終端設(shè)備及基礎(chǔ)服務(wù)接入平臺將所有機(jī)車及接入平臺設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（機(jī)車屬性信息、設(shè)備位置信息、報(bào)警狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)），通過5G網(wǎng)絡(luò)匯聚到安全預(yù)警分析計(jì)算平臺，利用機(jī)車、人員、地點(diǎn)的位置、屬性信息等，對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法研究，并對車、人、地點(diǎn)周邊接近的機(jī)車進(jìn)行智能篩查，篩選出接近機(jī)車，最后向人員、地點(diǎn)推送接近預(yù)警信息，對接近機(jī)車推送二次防護(hù)報(bào)警信息，并接收線上作業(yè)人員的預(yù)警確認(rèn)信息，當(dāng)識別出在預(yù)警范圍內(nèi)作業(yè)人員未做預(yù)警確認(rèn)，則向車載預(yù)警設(shè)備推送預(yù)警提示。

2.2 預(yù)警終端

當(dāng)作業(yè)人員及道口附近有機(jī)車接近時(shí)，預(yù)警設(shè)備獲取到機(jī)車接近信息，進(jìn)行語音提示，提醒作業(yè)人員、道口值守人員、過道行人和機(jī)動車機(jī)車已接近，并要求現(xiàn)場作業(yè)人員對預(yù)警消息進(jìn)行預(yù)警確認(rèn)。

施工作業(yè)人員或巡道工攜帶預(yù)警終端在區(qū)間線路作業(yè)時(shí)，預(yù)警終端通過5G公網(wǎng)接收接近預(yù)警信息，顯示接近機(jī)車的車次、速度、公里標(biāo)以及到達(dá)施工地點(diǎn)的距離與歷時(shí)，并根據(jù)列車上下行的不同，發(fā)出不同的語音提示區(qū)間線路作業(yè)人員下道避讓，并要求現(xiàn)場作業(yè)人員對預(yù)警消息進(jìn)行預(yù)警確認(rèn)。

道口作業(yè)人員攜帶預(yù)警終端在道口進(jìn)行作業(yè)，預(yù)警終端通過5G公網(wǎng)接收接近預(yù)警信息，顯示接近機(jī)車的車次、速度、公里標(biāo)以及到達(dá)道口的距離與歷時(shí)，并根據(jù)列車上下行的不同，發(fā)出不同的語音提示，道口工進(jìn)行道口防護(hù)及關(guān)閉欄木，并要求現(xiàn)場道口作業(yè)人員對預(yù)警消息進(jìn)行預(yù)警確認(rèn)。

當(dāng)出現(xiàn)危及行車安全的情況時(shí)，道口值守人員或線上作業(yè)人員可一鍵報(bào)警，報(bào)警消息將第一時(shí)間傳遞給附近運(yùn)行機(jī)車，在車載設(shè)備人機(jī)交互界面上將會顯示報(bào)警線路的名稱、公里標(biāo)，并進(jìn)行語音提示，道口報(bào)警語音提示為“注意！××××線××××.××公里道口報(bào)警，請注意運(yùn)行”。線上作業(yè)人員報(bào)警語音提示為“注意！××××線××××.××公里施工報(bào)警，注意運(yùn)行”［9］。

2.3 車載預(yù)警設(shè)備

車載預(yù)警設(shè)備安裝在機(jī)車上，通過5G網(wǎng)絡(luò)接收地面預(yù)警平臺推送的施工防護(hù)報(bào)警信息、道口障礙報(bào)警信息，并發(fā)送包含機(jī)車位置、速度的接近預(yù)警信息。車載預(yù)警設(shè)備作為無線列調(diào)電臺的升級產(chǎn)品，是保障行車安全的必配設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)車地?cái)?shù)據(jù)、語音傳輸?shù)木C合平臺。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙向預(yù)警確認(rèn)

從機(jī)車距離線上作業(yè)人員5 km處開始，每接近1 km就自動通過預(yù)警終端向作業(yè)人員發(fā)出語音報(bào)警，提醒避讓軌道車，確保人身安全。當(dāng)現(xiàn)場作業(yè)人員未進(jìn)行預(yù)警確認(rèn)時(shí)，系統(tǒng)通過車載預(yù)警設(shè)備提醒司機(jī)，播報(bào)“注意！前方現(xiàn)場作業(yè)人員未預(yù)警確認(rèn)，注意運(yùn)行”［9］。通過車對地、地對車的雙向預(yù)警，實(shí)現(xiàn)機(jī)車接近預(yù)警信息的人車交互、雙向預(yù)警防護(hù)。

3.2 位置糾偏及線路識別

機(jī)車運(yùn)行中存在通信盲區(qū)、衛(wèi)星定位失效或地形復(fù)雜區(qū)域產(chǎn)生多路徑效應(yīng)等問題，各終端設(shè)備上傳的位置信息可能發(fā)生漏報(bào)或漂移，導(dǎo)致上報(bào)的位置信息并非真實(shí)的實(shí)時(shí)位置，預(yù)警平臺結(jié)合各終端設(shè)備上一次上報(bào)的位置信息和速度信息，通過位置糾偏算法［10］，還原機(jī)車、人員的實(shí)際位置，保證安全防護(hù)信息的準(zhǔn)確下發(fā)。

機(jī)車運(yùn)行在樞紐區(qū)，存在多條并行鐵路而無法確定機(jī)車具體行駛線路的情況，車載預(yù)警終端根據(jù)相關(guān)算法智能判斷出多條運(yùn)行線路，并在顯示終端上彈出線路選擇框，由司機(jī)確定運(yùn)行線路。

3.3 預(yù)警算法

接近預(yù)警核心算法以空間索引算法GeoHash［11］為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，在墨卡托坐標(biāo)系下，對地理坐標(biāo)進(jìn)行編碼，把二維的空間經(jīng)緯度數(shù)據(jù)編碼成1個(gè)字符串，每個(gè)字符串代表地圖中某個(gè)特定區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)所有地理坐標(biāo)都使用該字符串進(jìn)行表示。字符串越長則定位精度越高，對應(yīng)的地理區(qū)域范圍越小。

對1個(gè)地理坐標(biāo)編碼時(shí)，按照初始區(qū)間范圍緯度［-90°，90°］和經(jīng)度［-180°，180°］，計(jì)算目標(biāo)經(jīng)度和緯度分別落在左區(qū)間還是右區(qū)間。落在左區(qū)間則取0，右區(qū)間則取1。然后，對上一步得到的區(qū)間繼續(xù)按照該方法對半查找，得到下一位二進(jìn)制編碼。當(dāng)編碼長度達(dá)到業(yè)務(wù)的進(jìn)度需求后，根據(jù)“偶數(shù)位放經(jīng)度，奇數(shù)位放緯度”的規(guī)則，將得到的二進(jìn)制編碼穿插組合，得到1個(gè)新的二進(jìn)制串。最后，根據(jù)Base32的對照表，將二進(jìn)制串翻譯成字符串，即得到地理坐標(biāo)對應(yīng)的目標(biāo)GeoHash字符串。

在鐵路運(yùn)輸行車過程中，通過將機(jī)車位置信息編碼，并根據(jù)指定的檢索半徑對檢索范圍內(nèi)的終端設(shè)備獲取檢索結(jié)果，由于GeoHash劃分的區(qū)域?yàn)榫匦螀^(qū)域，因此需要分別計(jì)算檢索結(jié)果集合中的位置點(diǎn)與機(jī)車位置的距離，進(jìn)行二次范圍判斷，以提高計(jì)算的精確度。最后，平臺會根據(jù)不同的預(yù)警距離，將不同級別的預(yù)警信息分發(fā)至相關(guān)設(shè)備進(jìn)行預(yù)警提示。

4 運(yùn)用效果

多點(diǎn)智聯(lián)運(yùn)檢安全預(yù)警系統(tǒng)于2022年2月在益羊鐵路試用，至今運(yùn)行平穩(wěn)可靠。試用結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取機(jī)車、人員、道口的在線狀態(tài)，完成機(jī)車、人員及道口的信息互通，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車、施工作業(yè)人員、道口、調(diào)度管理之間的安全預(yù)警信息多點(diǎn)互聯(lián)功能，有效降低了線上作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)、提高了防護(hù)工作效率。該系統(tǒng)達(dá)成了貨運(yùn)鐵路“監(jiān)測監(jiān)控智能分析”的愿景，整體提升了山東高速軌道交通集團(tuán)有限公司貨運(yùn)鐵路信息化管理水平，為營業(yè)線施工安全提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保障。