货运铁路多点智联运检安全预警系统

雷太安，张炜明，刁兴龙，徐运杰，王会龙，张飞，彭晨，樊志辉

（1.山东高速轨道交通集团有限公司 益羊铁路管理处，山东 寿光 262700；2.北京世纪东方智汇科技股份有限公司，北京 102609）

0 引言

我国货运铁路在智能化发展中与互联网、信息技术、智能控制、自动控制等方面的融合度较低，落后于同行业高速铁路、城市轨道交通等运输方式，存在安全隐患多、运行成本高、运输效率低、用工数量多、人工劳动强度大等情况。如何实现大数据分析和智能处置判断，实现列车运行预警系统，对进一步确保货运行车安全具有重要意义［1］。

益羊铁路管理处调研发现，线路防护道口、施工作业人员、巡道工与机车之间相互独立，且防护以管理手段为主，无法实现列车、地面、人员的信息交互和实时信息获取。为解决上述问题，在分析我国铁路货运规章制度［2-3］的基础上，基于5G和北斗定位技术［4-5］，并结合大数据计算技术，研发多点智联运检安全预警系统。

1 多点智联运检安全预警系统概述

多点智联运检安全预警系统通过实时精确采集机车、地面作业人员的动态位置信息和道口静态数据，实现机车运行全过程监控预警［6］，提供人员、机车、地面的三方实时通信和监控，确保机车平稳安全运行，全面提升行车安全水平。

1.1 系统目标

行车过程中实时对区间施工作业人员、巡道工、道口、过道行人和机动车等进行机车接近预警，同时当施工地点、道口出现障碍发起报警时及时推送至附近机车和安全预警接口平台，实现机车、施工作业人员、道口、调度管理之间的多点智联［7-8］。系统主要实现目标如下：

（1）线路“变量”早知道。人机定位信息全员实时共享，线路运行中的“变量”及时共享，路况协同通知各单位，隐患早发现、早处理、早预防。

（2）沟通交流多通道。在既有作业闭环过程中，通信链路单一，交流方式被动，交流环境中断后危险系数陡增。系统多通道通信能够进一步保障作业安全。

（3）作业人员勤应答。通过监控车辆与人员的定位，系统实时判断人机时空关系，当距离达到一定阈值时，发送提醒信息给现场作业人员，作业人员收到提醒后及时撤离到安全区域再应答，形成安全通路。

（4）一键报警全响应。作业队安全防护员、道口工、巡道工、值班司机遇到特殊紧急情况时，可一键报警，将自身安全情况及所处位置风险情况告知系统内所有人员；如遇特殊情况，可提醒司机减速甚至刹车避让。

1.2 设计方案

系统主要由终端设备及基础服务接入平台、安全预警分析计算平台、安全预警接口平台三大平台及其子系统组成。系统设计方案见图1。

图1 多点智联运检安全预警系统设计方案

1.2.1 终端设备及基础服务接入平台

终端设备及基础服务接入平台作为整个系统的数据入口，包含多个接入服务单元（或称为接入子系统）。每个接入单元由内部接口和开放接口2个部分组成，再由网络层构建数据通信网络，完成基础数据的接入。

针对不同终端设备类型，通过对接入单元进行二次开发，主要是开放接口部分开发，根据具体接入设备或服务的通信协议进行数据接入，然后再将数据转换为内部接口要求的标准数据格式，实现数据的接入和转换，传入上层平台。

为保证系统基础功能正常运转，接入平台预先针对手持终端设备、道口设备、车载设备、铁路道口设备开发了对应的接入单元。硬件设备通过北斗实现定位信息的采集上传，再利用现有5G网络及无线电台通信构建多点智联运检安全预警系统的终端通信网络。

1.2.2 安全预警分析计算平台

安全预警分析计算平台是系统的核心部分，负责数据获取和大数据智能分析。安全预警分析计算平台分为数据接入子系统、安全预警分析计算子系统、数据缓存仓储子系统、查询分析子系统4个部分。

数据接入子系统实现与终端设备及基础服务接入平台的数据对接，获取数据后，首先对数据进行清洗筛选，去除无用、无效数据。处理完毕后将数据流转到安全预警分析计算子系统，然后通过预警算法根据配置的预警条件对线路中行车数据、巡道数据、施工数据等进行分析计算，输出实时预警信息到安全预警接口平台，提供给接入的上层系统使用。在计算过程中的原始数据、关键点数据、计算结果数据，将根据需求通过数据缓存仓储子系统进行缓存和持久化，并保证数据的一致性。查询分析子系统可以提供数据查询分析接口服务。

该平台通过内部4个模块的协作运行，实现行车的精确防护预警，并结合铁路运行多部门综合管理、多方协作的特点，实现数据的互联互通与共享，达到精确、全面、可靠的一体化综合行车安全防护。

1.2.3安全预警接口平台

多点智联运检安全预警系统最终以接口的形式对外提供服务，第三方应用可在此基础上定制化开发客户端，形成1个中心、多个终端的结构，实现系统的中心管理，对行车运行过程进行全局掌控。其中，多个终端指终端设备，终端设备作为基础数据来源的同时，也作为系统下发信息的呈现终端，参与行车中的交互，消费系统中的部分输出数据。

2 系统组成与实现

系统分别给机车、道口、作业班组、巡道人员配置不同的终端，系统组成见图2，包括软件服务平台和各类硬件设备，其中软件服务平台指基础服务接入平台、安全预警分析计算平台、安全预警接口平台。系统利用北斗定位系统对各预警对象的位置进行定位；利用5G网络，在预警对象和地面预警平台间传递位置、身份、速度等信息；结合地理信息系统（GIS）线路数据库进行趋势判断，生成预警信息；利用5G网络发送给每个需要的预警对象，实现预警及报警功能（见图3）。

图2 多点智联运检安全预警系统组成

图3 多点智联运检安全预警系统实现示意图

2.1 软件服务平台

安全预警分析计算平台是软件服务平台的重要组成部分，是多点智联运检安全预警系统的大脑与核心。终端设备及基础服务接入平台将所有机车及接入平台设备的实时数据（机车属性信息、设备位置信息、报警状态信息等数据），通过5G网络汇聚到安全预警分析计算平台，利用机车、人员、地点的位置、属性信息等，对获取到的数据进行算法研究，并对车、人、地点周边接近的机车进行智能筛查，筛选出接近机车，最后向人员、地点推送接近预警信息，对接近机车推送二次防护报警信息，并接收线上作业人员的预警确认信息，当识别出在预警范围内作业人员未做预警确认，则向车载预警设备推送预警提示。

2.2 预警终端

当作业人员及道口附近有机车接近时，预警设备获取到机车接近信息，进行语音提示，提醒作业人员、道口值守人员、过道行人和机动车机车已接近，并要求现场作业人员对预警消息进行预警确认。

施工作业人员或巡道工携带预警终端在区间线路作业时，预警终端通过5G公网接收接近预警信息，显示接近机车的车次、速度、公里标以及到达施工地点的距离与历时，并根据列车上下行的不同，发出不同的语音提示区间线路作业人员下道避让，并要求现场作业人员对预警消息进行预警确认。

道口作业人员携带预警终端在道口进行作业，预警终端通过5G公网接收接近预警信息，显示接近机车的车次、速度、公里标以及到达道口的距离与历时，并根据列车上下行的不同，发出不同的语音提示，道口工进行道口防护及关闭栏木，并要求现场道口作业人员对预警消息进行预警确认。

当出现危及行车安全的情况时，道口值守人员或线上作业人员可一键报警，报警消息将第一时间传递给附近运行机车，在车载设备人机交互界面上将会显示报警线路的名称、公里标，并进行语音提示，道口报警语音提示为“注意！××××线××××.××公里道口报警，请注意运行”。线上作业人员报警语音提示为“注意！××××线××××.××公里施工报警，注意运行”［9］。

2.3 车载预警设备

车载预警设备安装在机车上，通过5G网络接收地面预警平台推送的施工防护报警信息、道口障碍报警信息，并发送包含机车位置、速度的接近预警信息。车载预警设备作为无线列调电台的升级产品，是保障行车安全的必配设备，是实现车地数据、语音传输的综合平台。

3 关键技术

3.1 双向预警确认

从机车距离线上作业人员5 km处开始，每接近1 km就自动通过预警终端向作业人员发出语音报警，提醒避让轨道车，确保人身安全。当现场作业人员未进行预警确认时，系统通过车载预警设备提醒司机，播报“注意！前方现场作业人员未预警确认，注意运行”［9］。通过车对地、地对车的双向预警，实现机车接近预警信息的人车交互、双向预警防护。

3.2 位置纠偏及线路识别

机车运行中存在通信盲区、卫星定位失效或地形复杂区域产生多路径效应等问题，各终端设备上传的位置信息可能发生漏报或漂移，导致上报的位置信息并非真实的实时位置，预警平台结合各终端设备上一次上报的位置信息和速度信息，通过位置纠偏算法［10］，还原机车、人员的实际位置，保证安全防护信息的准确下发。

机车运行在枢纽区，存在多条并行铁路而无法确定机车具体行驶线路的情况，车载预警终端根据相关算法智能判断出多条运行线路，并在显示终端上弹出线路选择框，由司机确定运行线路。

3.3 预警算法

接近预警核心算法以空间索引算法GeoHash［11］为实现基础，在墨卡托坐标系下，对地理坐标进行编码，把二维的空间经纬度数据编码成1个字符串，每个字符串代表地图中某个特定区域，在该区域内所有地理坐标都使用该字符串进行表示。字符串越长则定位精度越高，对应的地理区域范围越小。

对1个地理坐标编码时，按照初始区间范围纬度［-90°，90°］和经度［-180°，180°］，计算目标经度和纬度分别落在左区间还是右区间。落在左区间则取0，右区间则取1。然后，对上一步得到的区间继续按照该方法对半查找，得到下一位二进制编码。当编码长度达到业务的进度需求后，根据“偶数位放经度，奇数位放纬度”的规则，将得到的二进制编码穿插组合，得到1个新的二进制串。最后，根据Base32的对照表，将二进制串翻译成字符串，即得到地理坐标对应的目标GeoHash字符串。

在铁路运输行车过程中，通过将机车位置信息编码，并根据指定的检索半径对检索范围内的终端设备获取检索结果，由于GeoHash划分的区域为矩形区域，因此需要分别计算检索结果集合中的位置点与机车位置的距离，进行二次范围判断，以提高计算的精确度。最后，平台会根据不同的预警距离，将不同级别的预警信息分发至相关设备进行预警提示。

4 运用效果

多点智联运检安全预警系统于2022年2月在益羊铁路试用，至今运行平稳可靠。试用结果表明，系统能够实时获取机车、人员、道口的在线状态，完成机车、人员及道口的信息互通，实现了机车、施工作业人员、道口、调度管理之间的安全预警信息多点互联功能，有效降低了线上作业安全风险、提高了防护工作效率。该系统达成了货运铁路“监测监控智能分析”的愿景，整体提升了山东高速轨道交通集团有限公司货运铁路信息化管理水平，为营业线施工安全提供了坚强的技术保障。