基于5G通信的调车作业安全防护技术研究

孟甲元

随着国铁集团对无线调车机车信号和监控系统（以下简称“STP”）设备专项整治行动的开展,STP在全路得到了大规模的推广应用。作为重要的调车作业技防设备,STP有效防止了专用调车机调车作业过程中“挤道岔”“冲撞土挡”“脱线”等事故的发生,在保障调车作业安全的同时,有效提高了站场整体作业效率。以2017年全路行车安全一般D类事故统计（共计150件）为例,所发生的调车作业事故（30件）均为本务机车调车或未配备STP的专用调车机调车所导致,未发生配备STP的专用调车机调车作业责任事故。

由车载设备和地面设备组成的STP,车地间通过无线通信方式完成调车机车信号、行车许可、机车工况、命令执行结果、站场显示和调车作业通知单等信息的交互。既有无线通信采用数传电台或GSM-R网络实现,除太原局集团有限公司和上海局集团有限公司部分车站应用的STP采用GSM-R网络进行车地通信外,全路绝大部分车站应用的STP仍基于数传电台（主要采用450 MHz、400 MHz、230 MHz、160 MHz、150 MHz等频段）进行车地无线通信［1］。随着国家对5G建设工作的全面推进,5G-R在铁路上的应用也逐渐开展。作为铁路运输过程的重要组成部分,调车作业的安全直接关系车站整体运输安全,因此研究5G在调车作业安全防护领域的应用显得尤为重要。本文正是基于此目的研究基于5G网络传输技术的调车作业安全防护技术方案。

1 STP通信及调车作业安全防护现状分析

1.1 既有STP通信现状分析

1）STP基于数传电台传输技术进行车地无线通信,具有控制简单、通信延迟小、实时性高、便于自组网等优点。但也存在以下缺点:天线安装施工量较大,且对雷电防护要求较高；传输距离受环境的影响较大,工作频段易受非法信号干扰；半双工通信机制,单一地面设备同时控车数量相对有限。

2）STP基于GSM-R网络传输技术进行车地无线通信,具有可靠性高、安全性好的优点。GSM-R基站的天线较高,其覆盖的范围广,不易受干扰,且有完备的防雷设施［2］。另外GSM-R系统电路交换数据模式采用点对点的全双工通信,STP的车地间通信不需要采用效率较低的轮询方式。但与数传电台相比,GSM-R传输速率偏低,且目前普速车站GSM-R承载业务趋于饱和,没有额外的通信资源用于STP,甚至部分车站没有GSM-R网络覆盖。此外,自2025年起,G网设备供应商将停止对GSM-R设备的升级和技术支持［3］。因此,STP基于GSM-R网络数据传输技术尚难以在全路推广应用。

3）2017年,中国铁路总公司发布《铁路站场宽带无线接入系统总体技术要求（暂行）》（铁总运〔2017〕48号）［4］后,郑州局郑州北站、南宁局南宁南站、哈尔滨局哈尔滨南站等陆续进行了基于1 800 MHz频段LTE宽带集群的宽带无线接入系统的试点应用,主要用于车务应急指挥、货检、语音通话等业务,未见STP或其他调车作业技防设备接入相应LTE网络运行的报道,且宽带无线接入系统建设需综合考虑投资、运营、管理、维护等多方面因素,尚未在全路推广建设,STP基于LTE网络传输技术也尚未得到广泛应用。

此外,除了基于数传电台、GSM-R网络、LTE网络完成调车技防设备车地通信外,部分调车作业技防设备采取其他无线通信技术完成车地通信,如自建WiFi,相对来说站场需要布置较多无线接入点,建设成本和维护成本均较高；采用公网4G,受到移动基站覆盖、峰值网速受限、网络信息安全等限制,均未在全路大范围推广应用。

1.2 既有调车作业安全防护现状分析

1）基于STP的调车作业防护现状。STP控制范围为车站平面调车作业的集中联锁控制区,适用于进行平面调车作业的机车。在正常调车监控条件下,按照《列车运行监控装置（LKJ）控制模式设定规范》设定的条件实现监控功能［5−6］。STP有效保证了站场集中区内进行平面调车作业的机车调车作业安全,但仍存在如下问题［7］:初次进入存车线,无法对存车线内存留车进行防护；单一地面控制区域内同时作业机车较多时,控车效率会下降。

2）其他调车作业安全防护现状。在全路8 000多个车站中,仍有超过一半的中间站、专用线、段管线等存在大量无信号联锁的非集中区。非集中区往往具有线路多、环境复杂、调动车型复杂、进路准备繁琐、尽头式推进调车等特点,调车机车在该区域内的调车作业完全依靠人控,缺乏有效的技术、设备保障安全。调车作业过程中挤道岔、冲撞土挡、撞坏大门等事故时有发生,严重时直接威胁作业人员生命安全［8−9］。此外,全路20 000多台本务机车和10 000多台自轮运转特种设备（轨道车）在站场内进行调车作业时,也缺乏行之有效的调车作业防护设备,也是导致本务机和轨道车调车作业冒进信号、越出站界、冲撞土挡等事故频发的原因［10］。

2 基于5G通信的调车作业安全防护技术

2020年03月24日,工业和信息化部发布《关于推动5G加快发展的通知》（工信部通信〔2020〕49号）,全力推进5G网络建设、应用推广、技术发展和安全保障,充分发挥5G新型基础设施的规模效应和带动作用,支撑经济高质量发展,将进一步推动5G实现建设好、应用好、发展好的良好生态。十四五期间,中国铁路通信发展有3个重要方向:一是以5G技术为引领,全面推进铁路通信技术换代升级；二是聚焦关键业务和应用,深化铁路5G专网组网技术研究；三是统筹5G专网建设和信息化应用。

2.1 安全防护技术分析

作为当前世界最先进的网络通信技术之一,相比较4G通信技术而言,5G通信具有大带宽、高速率、大容量、低时延等优点。基于5G的车地通信不仅只是通信速率、通信带宽的提升,更多的关注点应落脚于对既有调车防护技术控制架构的优化,以及对既有车地通信技术不足的弥补,而不是简单将车地通信技术升级为5G通信技术而已。针对5G通信技术特点,基于5G通信技术的调车作业安全防护技术的提升主要在如下几个方面［11］。

2.1.1 大带宽、高速率

理论上讲,5G网络传输速率是4G网络传输速率的近百倍,传输速率的提升将大大缩短数据传输过程所需的时间,而传输稳定性的提高将使设备对工作环境的复杂场景适应性明显加强。基于5G网络传输技术对既有调车作业安全防护技术提升体现在以下方面。

1）优化并提升系统控车逻辑。受限于数传电台的半双工机制,为保证对控制范围内的多台调车机的同时控制和车地信号应变时间符合要求,既有STP采取周期性轮询机制,由地面控制设备控制轮询周期,具体轮询过程见图1。一般情况下,单一地面控制中心同时控制的入网机车数目不超过5台,如果出现多台本务机车和轨道车在该区域同时作业时,系统控制效率将明显下降。基于5G网络通信后,STP整体控车逻辑将由半双工轮询机制升级为实时全双工机制,控车逻辑的改变将使控车效率得到明显提升,同一控制区域同时受控的作业机车数量将完全满足站场内调车作业防护需求。

图1 基于数传电台通信时的STP轮询发送过程

2）优化并提升系统安全逻辑。受限于数传电台传输速率和通信延迟,在确保安全的前提下,为保证车地通信的实时性,既有STP将车地通信数据尽可能压缩处理以减少通信数据量。基于5G网络通信后,STP通信数据码距可明显加长,车地通信数据抗干扰能力加强,数据安全性更有保障。以信号机为例,加长码距后的信号机状态定义,可以用4个甚至更长字节表示单一信号机不同状态信息,与既有STP相比,码距提高十倍甚至更高,显著提高传输错误时的检错概率。

此外,既有车地通信显示数据和控制数据传输时间缩短后,系统可以增加车地通信信息,并将每个控制周期剩余时间更多用于主备系运行比较、系内逻辑检查、双系信息交互和整体状态监测等安全相关内容；且可以缩短既有通信周期时间设置,加快车地数据交互频率,明显提高系统控车精度和动作响应时间。

2.1.2 大容量、低时延

1）填补物联网设备采集状态接入STP联控的空白。基于5G网络通信后,站场大规模的物联网采集设备（智能铁鞋、脱轨器、非集中区道岔状态、机务段股道自动化设备状态、轨旁设备状态、存车线存留车检查、作业人员人身定位等）接入调车作业安全防护系统成为可能,通过丰富STP控制信息来源,提高STP在调车作业全过程中的控制效率。

2）填补车载和轨旁智能感知设备信息采集和传输的空白。基于5G网络通信后,可通过图像识别、雷达点云数据等智能感知技术,探测车列前方的车辆、人员、脱轨器等障碍物；通过机器视觉、激光雷达等,智能感知线路实时情况,实时探测存车位置,精确测量对位距离,实现对存车线内存留车作业的防护；通过运行进路上视频监控图像的实时传输,实现司乘人员的超视距瞭望和调度指挥人员的实时作业监控,为调车机车远程遥控驾驶和自动驾驶奠定技术基础。

2.2 安全防护技术架构

基于5G通信的调车作业安全防护技术采用分层分布式架构,整体技术架构分为通信控制层、命令执行层、状态感知层、决策控制层、综合监控层。整体技术架构见图2。

图2 整体技术架构

其中,通信控制层控制系统内各子系统之间的通信,移动设备之间采用5G通信；固定设备间施工难度较大的,也以5G通信为主,施工难度较小的,以光纤通信为主。命令执行层除实现既有STP监控功能外,还包括车列前方超视距瞭望显示、控车模式曲线动态运算、远程驾驶和自动驾驶执行结果实时反馈等。状态感知层包括机车两端和作业车列前端的视频图像和雷达点云数据的融合计算、站场内物联网设备状态采集、轨旁感知设备探测数据处理、关键目标和障碍智能识别等。决策控制层包括计算机联锁信息、股道自动化信息、非集中区信息采集、车列位置实时追踪、行车许可自动运算、站场感知信息融合处理、作业人员自动定位等。综合监控层实现对站场内作业机车、作业人员、物联网采集设备实时位置、运行轨迹和工作状态的全程监控和显示,以及对相关监控和显示数据的存储和查询。

2.3 安全防护关键技术

1）环境感知:基于图像及雷达点云数据融合运算的行车障碍物识别及测距技术。车载环境感知和轨旁环境感知的结构如图3所示,通过在机车两端、运行车列前端和站场轨旁,加装视频采集设备、激光雷达、毫米波雷达等感知设备,将视频图像数据和雷达点云数据经过预处理、配准和融合后,利用深度学习算法自动识别作业车列前方的铁路轨道、机车车辆、作业人员、铁鞋、动物及其它较大障碍物,并探测车列前端距各障碍物的距离,将识别结果传给地面控制设备和车载控制设备［12］。环境感知与障碍物测距见图4。

图3 环境感知结构示意图

图4 车列前方环境感知与障碍物测距示意图

2）精准定位:存车线内停留车辆位置定位和站场内调车作业人员定位技术。通过在作业车列前端加装便携测距装置,实现对车列前方视频采集、距离探测等。便携测距装置利用北斗差分定位、惯性传感器结合车载里程计实现精准定位,利用激光雷达实现对存车线内停留车辆的距离探测。通过加装便携测距装置,调车作业人员只需在地面跟车前行,无需攀爬车列随车走行,既降低了调车人员的劳动强度,也避免了作业过程中人员跌落、摔伤等事故发生。作业人员手持终端实时将差分后的北斗导航数据通过5G回传给地面控制中心,并根据地面控制中心的相应指令提示作业人员。地面控制中心根据作业计划结合高精度地图,完成作业人员作业电子围栏规划和作业人员实时轨迹追踪和越界提示。停留车辆定位示意图见图5。

图5 存车线停留车辆定位示意图

3）决策规划:调车作业行车许可自动计算技术。地面控制设备通过站场轨道电路、车载北斗差分定位、惯性传感器和车载里程计,并结合进路开放条件,实现对作业车列和作业机车的精准定位,作业全程的车列完整性检查和车列、机车位置追踪,自动根据车列前方调车信号开放状态、关键作业点（一度停车点、限速道岔、限速区段、站界、尽头线等）允许通过或接近信息、感知系统反馈的车列前方车辆及人员等障碍物信息,实现调车行车许可融合计算,计算结果通过5G上传到车载控制设备。

4）控制执行:综合了调车车列及线路参数计算的机车控制技术和运行曲线计算技术。车载控制设备根据地面控制设备计算的行车许可,并结合行车障碍物识别、车列长度、接风管数量、调车作业通知单中的空/重车、车辆类型等信息,综合计算机车运行曲线,控制机车牵引电路或制动机进行加速、减速、制动、换向、鸣笛等,以规划模式到达调车作业目的地。具体功能包括:根据前方防护点类型进行速度曲线计算,基于PID机器改进算法进行机车速度控制、单机连挂速度控制、存车线存留车对标停车控制等。

3 结束语

基于5G通信的调车作业安全防护技术可充分发挥5G技术优点,优化既有STP车地通信逻辑,弥补既有数传电台半双工通信缺点,填补调车作业相关设备采集状态和智能感知信息与STP联控的空白,实现了对STP控制技术的整体升级和STP控车效率的明显提升。系统通过对站场内铁鞋、脱轨器等设备状态、车载和轨旁智能感知设备感知信息、车列运行前方视频图像和激光雷达点云数据融合等信息的引入,促进了铁路站场集中区、非集中区和机务段内进行调车作业的专用调车机、本务机和轨道车技防手段升级,为站内作业机车远程驾驶和自动驾驶奠定了技术基础,明显降低了司乘人员、调车人员和指挥人员的劳动强度,也降低了作业过程发生人身伤亡事故的可能性,具有很高的经济效益和社会效益。