鐵路施工防護系統(tǒng)中多重冗余預(yù)警技術(shù)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(yè)過程中，人身安全防護相關(guān)的工作角色包括司機乘務(wù)員、駐站聯(lián)絡(luò)員、現(xiàn)場防護員和現(xiàn)場作業(yè)員等。當有機車接近時，駐站聯(lián)絡(luò)員通過對講機和現(xiàn)場防護員進行語音通訊來實現(xiàn)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(lián)互通多方聯(lián)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(fā)生，確保線上施工、運維人員人身安全，鐵路施工防護系統(tǒng)利用公網(wǎng)和二次雷達通信技術(shù)，綜合北斗定位等技術(shù)，進行一體化的施工流程管理、機車接近預(yù)警和人員超范圍施工報警。實現(xiàn)車站、機車和施工現(xiàn)場的信息互聯(lián)互通，是司機、駐站聯(lián)絡(luò)員、現(xiàn)場防護員和現(xiàn)場作業(yè)員的協(xié)同安全管理模式，全面提升施工區(qū)作業(yè)人員的安全水平。

對于列車與施工區(qū)接近防護，鐵路施工防護系統(tǒng)采用多重冗余預(yù)警技術(shù)，即基于二次雷達推算預(yù)警和基于北斗定位推算預(yù)警。多重冗余預(yù)警技術(shù)可應(yīng)對橋隧、雨雪等多種地理、氣候環(huán)境，可以保證列車接近檢測的可靠性，保障施工區(qū)作業(yè)人員安全。

1 鐵路施工防護系統(tǒng)

鐵路施工防護系統(tǒng)由列車接近報警子系統(tǒng)(預(yù)警子系統(tǒng))、鐵路施工區(qū)子系統(tǒng)（施工區(qū)子系統(tǒng)）、施工作業(yè)管理子系統(tǒng)（管理子系統(tǒng)）組成，如圖1所示。列車接近報警子系統(tǒng)包括車載設(shè)備與地面裝置，該系統(tǒng)通過二次雷達測距技術(shù)實現(xiàn)列車接近預(yù)警。鐵路施工區(qū)子系統(tǒng)包括防護預(yù)警終端和作業(yè)預(yù)警終端。防護預(yù)警終端裝備于現(xiàn)場防護員，能夠展示站場圖、施工區(qū)位置信息以及施工區(qū)相關(guān)報警信息，為現(xiàn)場防護員提供安全防護管理功能。作業(yè)預(yù)警終端裝備于現(xiàn)場施工作業(yè)員，向現(xiàn)場施工人員提示報警。施工作業(yè)管理子系統(tǒng)實現(xiàn)管轄范圍內(nèi)的施工作業(yè)標準化、智能化卡控，實現(xiàn)對施工區(qū)信息初始化、人員上道、人員避車、人員恢復上道作業(yè)和結(jié)束施工的標準化管理，可對列車位置以及施工區(qū)位置進行監(jiān)控。施工作業(yè)管理子系統(tǒng)可分層級部署相應(yīng)終端，在監(jiān)控中心操作終端可監(jiān)督系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)各條線路的施工情況，施工線路監(jiān)控站操作終端可監(jiān)督本站管轄范圍內(nèi)的施工區(qū)情況。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2 列車接近預(yù)警方式

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

基于二次雷達推算預(yù)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(fā)送至地面裝置。地面裝置結(jié)合自身配置的公里標、防護方向信息，判斷列車與施工區(qū)距離，向管理子系統(tǒng)預(yù)警。地面裝置將自身公里標、防護方向發(fā)送至車載裝置，車載裝置結(jié)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(qū)距離，向管理子系統(tǒng)發(fā)送基于二次雷達測算的預(yù)警。

基于北斗定位推算預(yù)警：車載裝置實時向管理子系統(tǒng)報告北斗定位信息，地面裝置實時向管理子系統(tǒng)報告北斗定位信息，管理子系統(tǒng)將兩者定位信息轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)施工區(qū)防護預(yù)警終端。由防護預(yù)警終端測算列車位置與施工區(qū)距離，向管理子系統(tǒng)發(fā)送基于北斗定位測算的預(yù)警，管理子系統(tǒng)再將預(yù)警信息轉(zhuǎn)發(fā)至車載裝置和地面裝置。

預(yù)警機制根據(jù)車載裝置和地面裝置之間的距離進行預(yù)警的判定。在地面裝置初始化時可設(shè)置車載裝置和地面裝置之間的預(yù)警距離，同時設(shè)置地面裝置在本端或者對端。例如設(shè)置一級預(yù)警距離為1 500 m，二級預(yù)警距離為2 000 m，三級預(yù)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(yù)警機制可判斷為三級預(yù)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(yù)警機制可判斷為二級預(yù)警；當車載裝置和地面裝置之間的距離≤1 500 m 時，預(yù)警機制可判斷為一級預(yù)警，直至列車通過施工區(qū)接近側(cè)，預(yù)警機制可判斷為無預(yù)警。

2.1 基于二次雷達推算預(yù)警

二次雷達技術(shù)采用問答形式獲取信息，詢問機發(fā)射詢問信號，應(yīng)答機接收到詢問信號后反饋應(yīng)答信號，詢問機接收到應(yīng)答信號后根據(jù)發(fā)射詢問信號和接收應(yīng)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?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，二次雷達技術(shù)具備傳遞信息的功能，可將二次雷達技術(shù)用于列車接近預(yù)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(fā)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(qū)兩端，在不依賴任何固定基礎(chǔ)設(shè)施的情況下建立列車接近預(yù)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(qū)進行預(yù)警。

如圖2 所示，存在兩個施工區(qū)，每個施工區(qū)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(yù)警判定，對于逐漸遠離的地面裝置2 不進行接近預(yù)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(yù)警判定，對于逐漸遠離的車載裝置1 不進行接近預(yù)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(qū)1 和施工區(qū)2，車載裝置2 從公里標K14+000 處逐漸接近施工區(qū)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(jù)各個地面裝置公里標識別出施工區(qū)1 距離自身最近的地面裝置1、施工區(qū)2 距離自身最近的地面裝置3 進行接近預(yù)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(yù)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(cè)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(yù)警

北斗差分定位是一種高精度定位技術(shù)，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(yīng)用于航海、航空、地震監(jiān)測和工程測量等領(lǐng)域。

車載裝置和地面裝置實時向管理子系統(tǒng)報告北斗定位信息。管理子系統(tǒng)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(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)施工區(qū)的防護預(yù)警終端，由防護預(yù)警終端測算列車位置與施工區(qū)距離。然后防護預(yù)警終端向管理子系統(tǒng)發(fā)送基于北斗定位測算的預(yù)警信息，管理子系統(tǒng)再將預(yù)警信息轉(zhuǎn)發(fā)至車載裝置和地面裝置。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)如圖4所示。

圖4 基于北斗定位-數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)過程Fig.4 Data flow and transmission process based on Beidou system positioning

如圖5 所示，施工區(qū)1 所在的經(jīng)緯度約為112.34、39.92，施工區(qū)2 所在的經(jīng)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(yù)警終端1 根據(jù)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(yù)警終端2 根據(jù)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(yù)警判定，對于逐漸遠離的地面裝置2 不進行接近預(yù)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(yù)警判定，對于逐漸遠離的車載裝置1 不進行接近預(yù)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(yù)警終端1 根據(jù)車載裝置和地面裝置的北斗定位信息判斷出施工區(qū)1 距離車載裝置1最近的地面裝置為地面裝置1，防護預(yù)警終端2 根據(jù)車載裝置和地面裝置的北斗定位信息判斷出施工區(qū)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(qū)1 距離自身最近的地面裝置1、施工區(qū)2 距離自身最近的地面裝置3 進行接近預(yù)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(yù)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(cè)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(yù)警融合

對于列車與施工區(qū)接近防護，系統(tǒng)采用基于二次雷達和基于北斗定位推算預(yù)警的多重冗余計算方案，可靠保證列車接近檢測。系統(tǒng)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(qū)距離。

由于橋隧、雨雪等多種地理、氣候環(huán)境，基于二次雷達推算預(yù)警機制或者基于北斗定位推算預(yù)警機制可能會失效，即只有一種預(yù)警機制起作用時，管理子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)可將任一預(yù)警機制觸發(fā)的預(yù)警信息轉(zhuǎn)發(fā)至車載裝置、地面裝置和防護預(yù)警終端，車載裝置、地面裝置和防護預(yù)警終端均可正常預(yù)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(yù)警距離，即無預(yù)警信息，而車載裝置和地面裝置接收到管理子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的基于北斗定位的三級預(yù)警信息，則車載裝置和地面裝置顯示三級預(yù)警信息。多重冗余預(yù)警機制保障了施工區(qū)作業(yè)人員的安全，保證了系統(tǒng)功能的可靠性。

如圖7 所示，車載裝置1 接近施工區(qū)1，施工區(qū)1 存在地面裝置1，系統(tǒng)對車載裝置1 和地面裝置1 進行接近預(yù)警判定。系統(tǒng)采用多重冗余預(yù)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(qū)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(yù)警等級為二級預(yù)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(yù)警等級只能升級，不能降級，即上一時刻判定出二級預(yù)警后，下一時刻不可判定為三級預(yù)警，上一時刻判定出一級預(yù)警后，下一時刻不可判定為二級預(yù)警或三級預(yù)警?；诙卫走_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(yù)警等級為二級預(yù)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(yù)警等級不可判定為三級預(yù)警，仍維持二級預(yù)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(yīng)用

對于列車與施工區(qū)接近防護，鐵路施工防護系統(tǒng)采用多重冗余計算方案，即基于二次雷達推算預(yù)警和基于北斗定位推算預(yù)警，可靠保證列車接近檢測，可應(yīng)對橋隧、雨雪等多種地理、氣候環(huán)境，提高了鐵路施工作業(yè)的規(guī)范性和信息化程度，保障了施工區(qū)作業(yè)人員安全。該系統(tǒng)在某鐵路局進行現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場試驗包括試驗設(shè)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(yù)警功能及其準確性和基于二次雷達的列車接近預(yù)警功能及其準確性等，試驗結(jié)果正確且符合預(yù)期。系統(tǒng)成功在某鐵路局應(yīng)用部署，應(yīng)用情況良好。

由于鐵路施工防護系統(tǒng)采用多重冗余預(yù)警機制，該系統(tǒng)可在直線線路、曲線線路和橋隧等地理環(huán)境下應(yīng)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(yù)警機制和基于北斗定位推算預(yù)警機制均起作用，系統(tǒng)選取二者最小值作為列車距施工區(qū)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(tǒng)可采用基于二次雷達的推算預(yù)警機制計算列車距施工區(qū)距離，保障施工區(qū)作業(yè)人員安全。

4 總結(jié)

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

該技術(shù)雖然取得了一定成果，但還有一些不足之處：在隧道內(nèi)無法獲取列車及作業(yè)區(qū)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。