铁路室外作业人员多维度安全防护系统研究

丁 一

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

近年来，我国铁路处于快速发展阶段，建设规模达到了历史性的高度[1]，铁路维修维护工作压力也日益增加。然而针对室外维护人员安全保障手段发展却相对滞后，目前的防护工作依然采用双防护员管理模式，室内防护员通过调度系统获知运行中的列车位置，通过对讲机或电话通知室外防护员，室外防护员得知列车的大概位置后，凭借经验判断列车接近的时间，组织现场工作人员收拾工具撤离作业现场。在这种模式下，如果防护员出现了疏忽，或者用于联系的通讯设备出现故障，室外作业人员将失去保护[2]，作业人员可能会无法及时撤离现场，导致伤亡[3]，而这些事故是可以通过使用计算机辅助系统避免的[4]。目前已经有多人进行了相关系统的研究，参考文献[5]设计了一种防护灯墙，通过传感器感知列车，在列车接近时，开启声光报警，对列车进行警示。参考文献[6]设计了一种施工预警系统，通过振动传感器，在列车接近，对室外作业人员进行声光提醒。参考文献[5-6]所述系统均通过防护设备内置的传感器感知列车接近，感知距离较近，仅能进行列车接近预警，功能比较单一；参考文献[7]设计了一种列车接近预警系统，该系统通过GPS 获取室外作业人员位置，通过调度系统获取列车位置，根据现场天气及线路状况，实时计算人、车安全时间，对作业人员进行预警。该系统对于安全时间的计算模型过于繁复，当输入信息出现偏差时，可能会影响预警时间的最终计算结果。参考文献[8]设计了一种铁路施工防护系统，通过防护围桩、防护员终端定位信息的反馈，当判断各方均到达指定工作位置时，发送合规信息，同意进行室外施工。该系统主要监督了作业的合规情况，没有涉及人、车距离的预警，传输通道的保障。鉴于上述情况，本研究进行了一种新型主动预警系统研发，从规范作业流程、保留安全空间及贯彻作业制度三个维度入手，对现场可能出现的安全风险进行监控，对现场作业人员进行全面保护。

1 设计思想及技术实现

对多起事故的调查报告进行分析，导致事故的原因主要有三类[9]：第一类为现场作业人员无视批复的作业时间，在铁路天窗点外违规上道作业；第二类为现场作业人员所在位置超出申请的作业范围，进入了正常运营的股道；第三类为室内、室外防护员疏忽大意，或因设备故障失去联系，或者因人为失误，造成现场人员无法获知列车接近信息，未能及时撤离现场造成的事故。因此，本研究所述系统，针对上述三类事故原因，从源头上进行监测与防护。

该系统由中心服务器、车站站机及手持终端组成。车站站机通过联锁系统接口采集进站列车的位置，通过手持终端采集室外作业人员的位置，通过计算实时比较作业区域、列车、人员的相对位置，进行空间上安全保障。通过车站站机与铁路调度系统接口，获取作业人员人数、作业时间及内容，以此为依据对作业进行记录和卡控；根据预置的规则对防护人员联控行为进行监督，进行制度与时间上的安全保障；通过对通信通道的监督，对系统出现的异常情况进行报警，适时启动后备通信模式，确保安全预警信息顺利传达。

2 硬件结构

2.1 室内设备

系统室内设备主要包含4 个部分，第一部分是服务器系统，包含各类服务器和工作终端，主要实现系统组网及系统应用；第二部分为站场WLAN 控制系统，实现移动终端及视频监控设备的接入鉴权及控制；第三部分为站场广播系统，作为系统全面失效后的应急手段，在车站覆盖范围内播放应急广播；第四部分为定位增强系统，主要用于提高定位系统精度。各部分主要设备见表1。

表1 系统设备类型表

2.2 室外设备

室外部分主要包括设备抱杆、差分定位设备、视频监控设备、WLAN 网络无线AP 及广播等设备。抱杆埋设在车站咽喉区适当位置，用于安装差分定位接收机天线、无线AP 天线、广播扬声器。差分接收机电源模块、无线AP 电源模块、防雷单元等均安装在轨旁箱盒内。专用光纤、供电电缆、广播电缆等均由信号楼敷设至轨旁箱盒。

2.3 组网结构

系统中心总机可设置于电务调度中心或邻近的车站，中心总机与车站站机通过铁路专用数据网或者公网及系统防火墙进行通信[10]。轨旁设备与车站站机通过光纤、电缆、WLAN 无线网络连接。

3 软件模块

本系统软件基于WEB 的B/S 架构，使用了Ext JS 开发应用程序界面[11]。系统的体系结构采用分层结构方式设计和开发，表现层使用MVC 模式设计，中间层使用组件化设计实现模块功能。

3.1 定位监测及预警模块

该模块将现场作业人员、列车、施工区域的定位信息，以可视化的形式[12]，在各级防护终端、移动终端App 上实时显示，位置刷新时间不大于3 秒。各级防护员，应急指挥员，将根据定位信息及系统的各类报警内容，对现场作业人员进行指挥。

3.1.1 人员定位

人员定位功能以车站线路平面图为基础，通过移动终端获取作业人员现场位置及移动轨迹，并回传服务器，将人员位置实时反应在平面图中，定位终端采用RTK 技术，实现分米级定位[13]。车站防护人员根据调度命令确定铁路作业范围，设置防护电子围栏[14]。获得作业授权的维护人员进入电子围栏后，系统将对围栏区域内的作业人员进行防护。当人员离开防护电子围栏保护范围，侵入邻线限界时，系统将在车站站机及移动终端APP 中进行报警。

3.1.2 列车接近预警

列车防护预警模块通过联锁系统接口，获取列车在区间的运行情况[15]，实时计算列车位置与作业防护区域的距离，按照距离远近向各个终端发送预警信息。系统按照“邻站发车”“列车接近车站”“列车进站”设置三个预警等级，分别使用蓝色、黄色及红色背景发出信息，提醒各级防护员。当列车进站后，系统将实时计算人员和列车的位置，当小于安全阈值时推送碰撞预警。列车预警流程如图1 所示。预警通知信息自动发送至相关防护终端，各级防护人员根据预警信息自行安排合理的避让时间。为确保人员及时获知预警信息，当移动终端App接收到预警通知时，将以声音、振动及屏幕闪烁三种方式同时进行提醒，必须通过防护人员手工确认后，方能解除提醒后。当预警信息达到黄色级别后，若驻站联络员与现场防护员联系因故中断或者终端的提示信息超时未处理时，系统将自动启动应急后备模式，开启站场广播系统，触发紧急告警，用广播呼叫方式指挥现场人员终止作业、立即撤离避险。

图1 列车预警处理流程

3.2 作业流程监控模块

作业流程监控模块对室外作业过程的各个环节、对讲机联控通讯指令等作业流程相关信息进行全过程实时监测，监测信息将实时上传至智能监控防护系统平台及相关终端，用于监督作业人员，确保不会违规进行作业；监督和指挥防护员，确保调度命令的正确下达。

对于作业人员，系统对铁路调度系统批复的作业计划进行解析，生成作业步骤及作业计划，当计划作业时间开始后，系统向移动终端推送作业信息[16]，作业人员通过移动终端APP 中作业模块进行登记认证，拍照上传，作为室外作业开始的依据，作业过程中，作业结束后，也需要根据要求，在软件中进行登记。如作业人员在计划时间外进行，系统将进行报警，生成违规记录。现场作业过程，均通过咽喉区布设的视频监控设备进行全程监控及记录，确保现场作业全过程合规进行。

对于防护人员，系统按照铁路作业管理规范的要求，每3～5 分钟自动提醒联络员与现场防护员进行通信[17]，联控对讲信息将通过录音模块记录，确保联控信息按时传达给现场作业人员。当联控信息缺失时，系统能及时进行预警，并自动向联络员与现场防护员发送提醒信息，要求采取相应的应急纠错措施。

3.3 远程广播指挥

广播指挥是系统的后备安全手段[18]，当所有通信中断而无法联系时，系统将自动开启广播，向作业范围广播应急信息，要求所有作业人员进行避险。系统采用HTML5 Web Audio API 和WebRTC实现音频的采集和传输[19]，能够适应不断变化的网络环境。室外采用定向扬声器，可以确保车站作业范围均能听见清晰的指令。

4 系统测试

系统研发完成后进行了模拟测试，根据现场可能出现的问题，模拟了三个场景，分别为人员违规、列车接近、设备故障。

4.1 人员违规场景模拟

该测试模拟三类人员违规场景:

（1）人员违规上道作业。测试维护人员在作业计划以外时间，私自上道作业的情况。测试时，室内防护员终端软件处于待机状态，关闭移动终端定位功能，利用模拟GPS 软件，向App 提供持续的模拟定位信息，模拟作业人员的走行轨迹。当模拟的定位信号进入车站股道范围内时，值班员终端及移动终端均进行报警。

（2）人员离开电子围栏。测试正常作业过程中，维护人员无意中离开作业范围进入危险区的情况。测试时，室内防护员终端软件处于防护状态，此时关闭移动终端定位功能，利用GPS 模拟软件，向App提供持续的模拟定位信息，模拟作业人员进入工作电子围栏区域后进行施工的过程，然后模拟人员离开围栏边界，进入相邻线路。当模拟的定位信号离开电子围栏保护范围时，防护员终端及移动终端均进行报警。

（3）防护员超过3 分钟未进行联控通话。模拟室内外值班人员未执行规定，在3 分钟的周期内没有进行沟通的情况。测试时，室内防护员终端软件处于防护状态，使用对讲机进行通话，进行两次正常通信后，停止通信。在第二次通信后3 分钟左右的时间，系统进行了联控信息缺失报警。

4.2 列车接近场景

该测试模拟列车接近场景，用于测试联锁接口信息的获取状况。测试时，按照列车从临站开出驶入本站的过程，编制了模拟测试序列。再将序列按照接口规范翻译成二进制代码，并使用模拟程序，通过485 接口将信号按规定的周期，输入本系统。当模拟列车从临站开出，系统进行了蓝色预警；模拟列车进入本站接近区段，系统进行了黄色预警；模拟列车进入进站信号机时，系统进行了红色预警。

4.3 设备故障场景

此项测试分为如下内容：

（1）移动终端故障；（2）移动终端网络中断<3 分钟；（3）室内主机故障；（4）室内主机网络中断<3 分钟。

测试时，用移除设备电源的方式模拟设备故障，关闭网络功能、移除网线的方式模拟网络故障。当网络中断时，室内防护员终端及室外移动终端均能及时进行报警,在网络恢复后能及时更新信息继续工作；当室内主机故障时，室外移动终端将进行报警，如果在3 分钟后未恢复通信，移动终端App 将通知室外防护员，进行人员的强制撤离。当室外终端故障时，室内终端将进行报警，在3 分钟后如果未恢复通信，则在提示室内值班员的同时，开启站场应急广播。

5 结论

本系统采用了多个维度的防护功能，在出现人为失误、作业人员处于危险区域、设备故障等一系列意外因素的情况下，均能对室外作业人员进行安全防护。系统通过对联控指令、作业过程等信息的全面记录，反推强化作业人员对规范的执行力。系统的可追溯性，明确了责任的划分，出现事故后，能及时进行回溯，查找问题的根源。经过模拟实验，系统可以在常见场景中消除人为因素导致的安全隐患，提高现场作业人员的作业安全系数，降低人身伤亡事件发生概率。下一步将进行现场试验，在不同的温湿度下，进一步测试强电磁干扰环境下的稳定性，系统功能有待在使用中继续完善与升级。