摘要：为了控制车站内移动因素的有序交互与运行，保障车站调车作业安全，提出建立车站调车作业综合监控系统设计方案，在分析系统总体方案设计的基础上，对车站调车作业综合监控系统的硬件架构和软件架构进行设计，并对系统中作业监控、信息管理、综合图形化显示、数据管理等功能模块进行详细说明。调车作业综合监控系统实现了对站内调车作业移动对象作业过程的整体协调，可为车站调车作业安全管控提供重要的技防支撑，并提供作业过程分析统计平台，提升车站调车作业的安全性和信息化水平。
关键词：调车作业； 安全防护； 预警； 移动； 信息化；
Department of Track, Communication & Signaling and Power Supply, China State Railway Group Co.,Ltd. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited
Abstract:In order to control the orderly interaction and operation of moving factors in the station and ensure the safety of station shunting operation, in this paper, a design scheme of integrated monitoring system for station shunting operation is proposed. Based on analyzing the overall scheme design of the system, the hardware and software architecture of the system are designed, and the function modules of operation monitoring, information management, comprehensive graphical display, data management and so on are described in detail. The shunting operation integrated monitoring system realizes the overall coordination of the operation process of the moving object in the station shunting operation, provides important technical support for the safety control of the station shunting operation, and provides the operation process analysis and statistics platform to elevate the safety and information level of the station shunting operation.
Keyword:Shunting Operation; Safety Protection; Early Warning; Movement; IT Application;
调车作业是铁路运输生产重要的组成部分，其安全管理也是影响铁路运输安全的重要环节。调车作业需要车站室内外跨部门的多工种人员间密切协调配合，具有流程复杂、点多面广、易受天气条件影响等特点[1,2],其主要安全风险来源于人员、机车、车辆等移动因素之间的运行协调不畅。在机车运行控制方面，近年来在全路陆续装备的无线调车机车信号和监控系统（STP）已经实现了防止闯蓝灯、挤道岔、冲撞土挡、越出站界、超速运行等功能[3],在其他方面目前未形成有效的控制措施。为有序控制调车作业中移动因素的交互与运行，形成与指挥环节的高效沟通，通过对STP系统扩充，建立车站调车作业综合监控系统，以实现信息实时共享、运行预警与控制，防止调车安全事故发生。
1 铁路车站调车作业综合监控系统设计
1.1 总体方案设计
铁路车站调车作业综合监控系统对移动因素的有序交互与运行控制，并与指挥环节进行高效沟通。实现这一目标的基本条件是对移动对象的精确定位，并通过高实时性的无线通信网络进行信息交互，通过信息交互计算各移动对象的防护控制模式，将系统中的各对象动态信息在指挥环节进行集中显示。系统总体方案设计主要包括以下4个方面。
（1）移动对象精确定位。站场内的移动对象包括机车、车辆、人员等，从安全防护需求分析，不仅需要精确定位，而且还需要保障定位的实时性。目前符合这一要求且应用较为成熟的是卫星定位技术。其中，北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，在安全、自主、兼容等方面的特点适合应用于铁路。随着北斗卫星导航系统日趋完备，使用北斗卫星导航系统为核心，同时兼容GPS,GLONASS等全球导航卫星系统，并采用RTK载波相位差分技术以实现更高精度定位[4,5].
（2）站内实时无线通信。要达到站场内的人员、设备高效互联的目的，需要建立高带宽、高实时性的无线通信网络，此外，还应考虑网络安全性及网络稳定性的要求。基于以上因素，选用铁路宽带移动通信系统（LTE-R）[6],并预留将来的5G-R接口。依托无线通信网络，实现实时数据通信、语音通信、图像及视频低时延传输等，为数据综合处理及智能分析提供基础保障[7].
（3）安全预警及防护。对站内调车作业涉及的人员、机车、车辆等移动对象的位置及状态信息进行综合处理，智能识别相机、激光雷达、毫米波雷达的探测数据，计算移动对象之间、移动对象与防护关键点（包括信号机、道岔、尽头线土挡、站界等）之间的相互运动关系，对达到相应条件的移动对象进行预警和防护。
（4）信息综合展示及分析。以图形化的方式将站内人员、机车、车辆等移动对象的位置及状态显示在站场平面图中，结合站内信号设备状态进行一体化展示，调车指挥人员可通过显示界面对站内调车相关要素一目了然，充分发挥数据的生产力，提高调车指挥及作业效率。对调车全程数据进行记录，为分析及改进调车作业管理提供依据。
1.2 硬件架构设计
车站调车作业综合监控系统借鉴STP系统架构并进行了相应扩展，包括地面设备、车载设备、便携设备。地面设备包括地面中心服务器、卫星差分基站、综合展示大屏等；车载设备包括车载主机、组合天线（含卫星定位、无线通信天线）等；便携设备包括手持终端、便携测距设备等。
（1）地面设备。地面中心服务器是系统中执行对站内移动对象实时位置追踪、计算控制指令的核心设备。地面中心服务器与计算机联锁系统接口，获取信号、道岔、轨道电路区段信息，根据移动对象的位置、状态计算其在站场中的调车进路开放信息，通过无线通信网络发送到车载设备；同时，地面中心服务器与车站信息系统接口，接收调车作业计划通知单，发送至机车进行显示和打印。卫星差分基站提供车站内的高精度位置修正服务，通过无线通信网络将差分数据发送到移动端，移动端同时接收卫星数据和差分数据，通过实时解算后，得到高精度的卫星定位坐标。综合展示大屏接收地面中心服务器发送的站场状态、移动对象位置及状态信息等，进行一体化图形显示。
（2）车载设备。车载主机与机车既有的列车运行监控装置（LKJ）连接，获取机车的运行方向、工况等信息，通过无线通信网络发送至地面中心服务器，同时接收地面中心服务器的控制指令，经校核运算后发送至LKJ,进行站场图、机车信号显示及限速控制。车载主机内置了无线通信模块和卫星定位模块，通过组合天线接收卫星定位信息和无线通信信息。
（3）便携设备。手持终端是室外作业人员随身携带的终端，采集卫星定位数据、语音通话数据、图像及视频数据等，通过无线与地面中心服务器进行数据交互。便携测距设备是一个小型的运行环境数据采集器，由调车员将其吸附在推进车列的车辆前端，探测推进前方200 m内的图像、激光雷达、毫米波雷达数据，经识别处理后无线传输至中心服务器。
车站调车作业综合监控系统硬件架构如图1所示。
1.3 软件架构设计
在系统硬件架构搭建的基础上，根据数据流向设计软件架构，管理数据安全传输及转化融合，实现系统功能。车站调车作业综合监控系统软件架构包含数据采集层、数据传输层、逻辑处理层、图形化展示层。
（1）数据采集层。从各终端及外部系统采集数据并转换为规定格式，包括从车站计算机联锁系统采集站场联锁状态数据、从各移动对象采集位置和状态等移动对象数据、从作业人员采集的语音通话和图像视频等人员交互数据、从卫星差分基站采集定位差分数据、从便携测距设备采集的图像和雷达数据等，并将数据进行整理，转换为系统标准格式数据。
（2）数据传输层。对数据进行压缩、加密和优先级排序后，通过无线通信网络传输至下一层。针对不同类型数据采用不同的压缩算法，尤其对动态视频数据采用流媒体压缩技术，可以有效降低系统无线通信网络中的传输任务量。为保障系统通信的安全性，系统通信协议采用序列号、时间戳、超时、源和宿标识符、反馈报文、认证过程、安全编码、加密等措施，符合开放式传输系统中的安全相关通信要求。数据传输层还对各类数据进行传输优先级排序，保障系统中对控制实时性要求较高的数据得到及时传输。
图1 车站调车作业综合监控系统硬件架构
Fig.1 Hardware architecture of integrated monitoring system for shunting operation
（3）逻辑处理层。综合处理分析各类数据，追踪站场中所有移动对象的位置和运动状态，判断可能发生的安全隐患并发出相应控制指令，并进行调车作业通知单、施工限制措施等信息处理。逻辑处理层预先导入铁路地理信息和站场信号平面图间已建立映射机制的综合站场图，将各移动对象的卫星定位坐标经卡尔曼滤波处理后，在综合站场图中进行轨迹匹配，将匹配结果与机车速度传感器采集的机车相对位移数据、站场进路与轨道电路状态数据进行多重校核，实现移动对象追踪。对处于车列运行前端的便携式测距设备采集的图像、雷达数据进行点云融合处理，通过基于深度学习的卷积神经网络识别出前方运行轨道上的人员或车辆目标，将目标在激光雷达和毫米波雷达的三维点云数据上匹配，计算其准确距离。根据站场内移动对象的位置和运动状态，计算防护模式，对移动对象发出相应控制指令。同时，逻辑处理层也对人员交互信息进行点对点、群组等信息流管理。
（4）图形化展示层。在指挥中心大屏上进行站场显示，并动态更新从计算机联锁系统采集的站场联锁状态数据，在相应位置显示机车、车列、作业人员等移动对象图标，并将这些移动对象图标以不同颜色、形状、动画的方式进行区分，实现位置、状态、相对关系的直观表达[8].对调车全程重要数据进行保存，对具备相应权限的操作人员提供图形回放、数据查询、统计分析等工具。
车站调车作业综合监控系统软件架构如图2所示。
2 铁路车站调车作业综合监控系统功能模块分析
车站调车作业综合监控系统通过追踪监控、信息共享、一体化展示和分析优化实现对站内调车作业移动对象作业过程的整体协调，有序控制移动对象的交互与运行。车站调车作业综合监控系统主要功能包括作业监控、信息管理、综合图形化显示、数据管理等4个模块。作业监控模块负责追踪和监控站内移动对象的室外作业；信息管理模块负责管理作业人员之间的语音通话、图像及视频、调车作业单等信息共享；综合图形化显示模块负责站场状态、移动对象位置及状态等综合信息一体化展示；数据管理模块负责存储调车作业全程信息和系统状态信息，并可进行图形回放、数据查询及统计分析。车站调车作业综合监控系统功能结构如图3所示。
图2 车站调车作业综合监控系统软件架构
Fig.2 Software architecture of integrated monitoring system for shunting operation
2.1 作业监控模块
作业监控模块通过从计算机联锁系统获取信号、道岔、轨道电路区段信息，持续追踪移动对象在站场内的位置和移动状态，计算移动对象之间及机车车列对需要防护的信号机、道岔、尽头线土挡、站界等固定目标的距离关系，并发出相应控制指令，指挥机车以安全的速度行车，或通知作业人员及时避让正在接近的机车车列。在机车作业监控子模块中不仅具备STP监控功能，还能够在机车连挂作业中自动执行连挂限速防护。调车员将便携测距设备吸附在推进车列前端的车辆上，便携测距设备通过图像、激光雷达、毫米波雷达等探测数据识别运行线路上的停留车辆，计算出距离，经无线通信网络发送至车载主机执行连挂限速防护。人员作业监控子模块中，当作业人员处于机车车列的移动径路上时，系统自动计算作业人员与机车车列的距离及接近趋势，及时通过手持终端向作业人员发出声光避让预警，提示作业人员下线；也可设置电子围栏，即通过地面指挥人员在站场内设定一个允许作业区域，当作业人员超出区域边界时，手持终端自动发出声光报警。车列定位监控子模块中，列检、货检人员的手持终端具备车列定位功能，在股道内车列的首末端通过手持终端各进行一次定位操作，系统自动计算并存储车列位置。作业监控模块实现站内移动对象作业的信息综合处理和监控，可彻底改变原有各作业单元件间的信息孤岛效应，改变依靠人工观察和防护的作业方式，有效提高现场调车作业安全性。
图3 车站调车作业综合监控系统功能结构
Fig.3 Functional structure of integrated monitoring system for shunting operation
2.2 信息管理模块
信息管理模块统一管理调车作业进程信息及作业人员间的交互信息。作业进程管理子模块从车站信息系统接收调车作业通知单信息，并将其发送至车载设备及调车人员手持终端上，在进行显示的同时，还通过调车员手持终端的操作收集作业钩完成确认信息，更新作业进程，实时在指挥中心和调车组内部共享，使各方的信息掌握保持同步。此外，还将调车作业通知单的内容与实际作业过程进行核对，不一致时进行报警，防止错办进路。交互信息管理子模块提供多媒体信息交互平台，调车作业人员可以通过手持终端进行点对点、分组语音通话，如可为每个调车组和对应司机建立一个群组，在组内可以进行实时通话，这些通话也可以在指挥中心的终端上进行实时监听和存储，方便进行调车管理。对于列检和货检等作业人员，可通过手持终端拍摄图片或视频，在作业小组内实时共享，以多方确认车辆状态和货物状态是否需要进行处理。这些信息共享功能有效提高了调车作业各要素间的沟通时效，保障作业过程顺利无误，从而提高调车作业效率。
2.3 综合图形化显示模块
综合图形化显示模块在车站指挥中心大屏上显示站场图、移动对象、作业状态等。站场图显示子模块绘制站场信号平面图实现站内信号、道岔、轨道电路等设备的实时状态显示。移动对象显示子模块根据移动对象的定位数据，在站场平面图相应位置显示其动态图标，这样可以使调度人员实时掌握站内机车、人员、车辆的动态位置分布情况。作业状态显示子模块根据移动对象的状态对其动态图标进行实时更新，以图形化的方式展示移动对象的作业状态。其中，机车动态图标以数字表示调机编号，以圆形图案表示调机位置，以动画箭头指示机车运动方向，动画箭头的变化速率表示机车的运动速度。当操作人员想进一步了解机车相关信息时可点击机车图标，在弹出的浮动窗口中将显示机车的前方距离、限速、作业钩序号等详细信息。作业人员的动态图标以圆形图案表示人员位置，不同的调车组显示为不同颜色，同时以数字表示其所属调车组别，字母表示其角色，三角箭头表示其运动方向。车列图标以长条形显示在车列的相应停车位置，并以数字表示车列所属的车次号。通过对站内信号、进路、移动对象位置及状态的一体化显示，可实现车站指挥人员对调车动态实况一目了然，根据实际作业情况编制和调整调车作业计划，减少人工通话联系的任务量，有效提高调车作业的管理效率。
2.4 数据管理模块
数据管理模块存储调车作业全程信息和系统状态信息，为不同的操作人员分配相应操作权限，并可进行图形回放、数据查询及统计分析等。其中，图形回放子模块可再现综合显示屏的历史显示内容，以图形方式回放站场状态变化、机车作业进程、人员移动轨迹等，有利于管理人员更直观的追溯宏观或局部作业过程。数据查询子模块可查询特定时段内重要调车作业数据的具体变化情况，包括作业节点的执行时机、机车走行距离、人员操作数据、车辆停留位置等，有利于管理人员精准掌握数据，对作业过程进行量化评价。统计分析子模块统计设定时间内的作业量、调车机车的作业时长、作业人员的作业强度等，可根据统计数据对比分析不同班组的作业效率、作业人员的操作习惯等，及时发现问题并改进管理措施，实现节约调车作业成本，提高调车作业效率[9].数据管理模块提供了车站调车作业安全管理、流程管理、绩效管理的信息化分析平台，对于提高车站调车作业自动化、信息化水平具有重要意义。
3 结束语
随着铁路事业的不断进步与快速发展，铁路运营安全技术也在不断提高，调车作业作为铁路运输中重要组成部分，其作业安全直接关系到企业的运营安全，特别是近年来，铁路事故中由于调车安全问题导致的事故占较大的比例，使得升级调车作业安全监控技术装备成为车站的紧迫需求。调车作业综合监控系统在增强STP机车作业监控功能的基础上，补齐了对站内作业人员的车列接近预警、停留车辆位置监控、连挂作业防护、作业要素一体化管理等功能，可为车站调车作业安全管控提供重要的技防支撑，并提供作业过程分析统计平台，提升车站调车作业的安全性和信息化水平。
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