基于北斗的既有线施工作业安全防护系统研究

姜 抒

(中铁云网信息科技有限公司,北京 100039)

0 引言

建国以来,基础设施领域经过70余年的快速发展,铁路行业形成了高速铁路、普速铁路相结合的铁路运输网,随着一带一路的推进,我国雄厚的基建能力也走出国门,在孟加拉、老挝等先后开展了多个重大铁路新建、改造项目,这些项目实施过程与铁路既有线产生了不同程度的时空交叉,不规范作业造成的人员安全、列车延误脱线事故极大地威胁着铁路行业的健康发展。研发一套依靠设备自动实现列车临近预警、人员撤离监管、工具遗漏提示的系统可以有效提升铁路作业人员安全保障水平、列车运行安全水平。避免完全依靠人工进行作业安全防护预警带来的不确定性,极大改善行业安全现状。

1 既有线施工安全防护现状

根据《铁路工务安全规则》铁运[2006]177号,中国铁路总公司《铁路技术管理规程》等相关规程[1-2],当前防护机制为:在既有线周边开展施工作业时,由现场防护员在上下行方向前出,具体距离结合线路运行速度和必要的人员撤离时间确定。并在列车运行调度中心设置驻站联络员一名,当列车靠近作业区段时,驻站联络员向现场防护员发送提醒指令,现场防护员目视确认列车临近并下发撤离指令,作业人员执行撤离动作,并向现场防护员、驻站联络员回报撤离执行完成,列车通过后恢复作业。

当前国内外对于既有线防护的研究,主要集中在人员和车辆定位,涉及的技术手段涵盖了北斗人员定位终端、列车定位终端及配套软件平台。也有从安全防护理论、安全治理及风险评估角度分析防护系统安全性的相关研究[3-13]。但普遍存在以下不足:

1)列车车载定位终端安装的合规性问题,客货运列车的实时位置是关系铁路运输安全的关键信息,也是涉及国家安全的敏感信息,路局对于在通行列车上加装第三方定位装置有着严格的行政审批管控流程。难以大范围布设,制约了安全监测系统的适用性。缺乏列车接近数据的安全防护系统对传统防护作业模式的改进非常有限。

2)对于人员撤离过程中,施工机具是否全部带出避车区域,尚缺乏经济可行的快速检测确认手段。无法保证机具全部撤离。现有研究不能全面解决既有线施工过程的工具遗漏这一主要安全隐患。

2 既有线施工防护存在的主要问题

既有线人员机具保护及联防联控系统须解决的主要问题包括:

1)列车临近时的人员安全。列车临近时,驻站联络员、现场防护员是否能按规定及时发出避车信号,作业人员能否依信号避让到安全距离以外。

2)列车临近时的机具遗漏威胁行车安全。列车临近时,作业人员避车前,是否将全部施工机具按规定撤离,有无遗漏。

3 既有线施工现场人员机具保护及联防联控系统

3.1 系统需实现的主要功能

针对上述问题,既有线施工现场人员机具保护及联防联控系统应依托智能化终端和高可靠性的信息化系统,在满足技术先进、经济合理,具备可扩展性和升级改造能力的前提下,对现存问题采取针对性的应对措施,系统需实现的主要功能包括:

1)列车临近侦测。在传统驻站联络员—现场防护员—作业负责人协同保护机制下,建立自动化信息化的列车临近侦测机制,保证列车临近施工区段和离开施工区段时,联防联控系统能及时可靠地获得相关信号。

2)现场防护人员、作业人员的合规作业侦测。通过人员佩戴的定位及通信设备,实时查看现场防护员、作业人员是否按规定到达预定作业位置,在收到避车信号后是否按规定距离和时段避车。

3)施工机具的无遗漏撤离。收到避车信号后,联防联控系统应可以侦测作业人员是否将全部机具、工具撤离作业区域,并将确认信号上报系统。

4)施工专用车辆的定位。联防联控系统应可以实时获取并显示施工专用车辆的位置,避免违规占线,影响行车安全。

3.2 整体方案设计

针对上述功能点,设计既有线施工现场人员机具保护及联防联控系统,系统由4个子系统组成,即列车临近侦测、作业人员防护、施工机具遗漏侦测、工务专业车辆定位。其中,列车临近侦测子系统主要依托施工区段上下行方向前出放置的自供电自通信(太阳能供电、2G/4G通信)红外侦测终端及配套算法实现列车的通过侦测,并将相关信号上报系统;作业人员防护子系统主要依托北斗普通精度(分米级)/高精度(厘米级)人员定位终端及选配的音视频对讲、通信组件实现作业人员位置的实时监测,并实时上报系统;施工机具遗漏侦测通过专有手持式读卡器,读取工具箱内每件工具上绑定的无源RFID标签,以非接触感知的形式快速识别箱内工具数量及种类,判定人员撤离后是否有施工机具遗漏在限界内,实时发出提示语音并上报系统;工务专用车辆定位子系统是在工务车辆上安装北斗车载定位终端及供电通信组件,实时上报工务车辆所在里程及车道。系统整体布设方案见图1。

3.3 列车临近侦测子系统

施工区间多为一股道或二股道,线路相对单一,故只做二维存在性监测,列车临近侦测设备为红外侦测终端,由现场防护人员在每次施工作业开始前,将红外侦测终端(含红外传感器组、北斗定位单元、控制单元、通信单元、供电单元及户外型一体化外壳)前出布设于施工区段两侧并预留必要的安全距离。可实时上报红外侦测传感器布设点的经纬度,并通过该红外侦测终端判定列车通过情况。红外侦测终端为专门研发的定制化产品,具备较好的户外工作能力(防护等级IP65),兼具轻量化、便携性以及安装的牢固性,通过工具式便携底座固定于限界外。

具体实现中,可结合线路情况采用一种或多种侦测手段相结合的方式,以保证系统的必要安全储备,严防漏报,详见图2。

3.4 作业人员防护子系统

作业人员防护主要通过便携式北斗人员防护终端实现,该终端基于我国自研的北斗定位系统,普通精度型号支持实时分米级定位、高精度型号支持实时厘米级定位(见图3),彻底解决了现有人员定位产品在既有线防护中存在的定位精度不足、撤离告警误报率高等问题。作业人员防护子系统配备有移动端和网页端,支持人员与设备的绑定/解绑,以及所有作业人员实时位置的汇总查看。

作业人员防护设备可根据业务需要选配双向音视频对讲和群组通信功能,实现避车告警通知信号、人员撤离回馈信号的同步传递和闭环管理。并依托定位功能,附带实现作业人员和班组的工单派发及外业自动考勤打卡,实到人员数量查看和身份认证等功能。

3.5 施工机具遗漏侦测子系统

施工机具防护侦测中,由于机具数量较多且尺寸较小,不便于固定小型定位设备,故采用无源RFID标签配合手持读写器实现施工机具的遗漏监测。在每个工具、机具牢固粘贴/抱箍固定无源RFID标签,并在施工班组出发前通过手持读写器扫码,登记当日该班组全部领用工具。作业人员在现场收到避车信号并撤出时,通过手持读写器快速扫描工具箱,核查撤出工具与领用工具是否一致,发现存在遗漏的,可通过手持读写器进行范围搜索(感知距离0 m～25 m),侦测到遗漏工具后蜂鸣提示,详见图4。

3.6 工务专业车辆定位子系统

工务专业车载定位端即机车车载北斗定位终端,主要安装于工务专用车辆上,内接车辆供电系统或自备供电单元(太阳能或蓄电池),定位精度不大于3 m,可实时上报工务专用车辆经纬度坐标。

3.7 系统工作原理及业务流程

既有线施工现场人员机具保护及联防联控系统,采用B/S架构,服务器部署于公有云(可根据客户需要进行私有化部署),支持多用户多角色权限管理,可通过统一授权的用户名密码,在PC端或移动端依身份查看下辖所有分公司、路局工务段、班组的人员、机具、工务专业车辆位置及数量,查看驻站联络员、现场防护员、作业负责人及相关配套设备的列车侦测告警、人员撤离回馈的响应和闭环执行情况。具体业务流程为:当红外侦测终端侦测到物体通过信号时,将传感器组的侦测信号及时间数据上报系统,系统根据预设的侦测判定算法,判定为列车通过或异物侵限,当判定为异物侵限时,通知驻站联络员确认无列车通过,系统留存该事件。当判定为列车通过时,系统发出告警信号,通知人员定位终端执行避车动作,并根据预设电子围栏和作业人员实时位置,判断人员是否撤离到危险区域电子围栏以外,如撤离不完全,电话通知施工负责人;如撤离完全,任务结束。人员完全撤离到危险区域电子围栏以外时,通过RFID智能标签读写器检查工具遗漏情况,读取的设备标签与预留信息一致时,判定为无工具遗漏;不一致时,通过RFID智能标签读写器在作业现场进行范围搜寻。联防联控系统业务流程图见图5。

4 结论

铁路既有线施工安全,是跨线新建工程和既有线运营维护工程的主要风险源,如何基于现有工务管理制度,尽量避免人工作业潜在的不规范隐患是当前行业亟需解决的关键问题。研究基于先进的列车侦测、人员精准定位、工具遗漏检测物联网设备和专有算法,实现列车通过自动告警、人员撤离自动确认、工具遗漏智能检测,并基于专有算法实现了误报警判别,有效保障了“零漏报、低误报”的系统高可靠性。为既有线施工现场人员机具保护提供了可靠帮助。