铁路列车运行预报系统应用研究

魏奇奇

（国能新朔铁路有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

1 引言

列车运行预报系统主要解决营业线轨行区域进场施工与设备维护的人身安全和财产安全问题，我国目前的列车运行预报系统解决方案技术手段不一，由于技术缺陷造成列车冲入施工现场，出现人员伤亡甚至列车损坏的案例时有发生，反映出目前的列车运行预报系统存在盲点，因此需要一套完整的技术手段解决此类问题。国内列车运行预报系统主要采用磁电与光电感应式、多普勒雷达式、声识别式、视频识别式、车载无线台发射式等技术，磁电与光电感应式，多普勒雷达式、声识别式、视频识别式方案依靠在铁路轨旁安装感应识别装置确定列车具体运行位置，再将列车运行位置发送至施工及维护作业人员，但由于感应识别方式本身可靠性不高及设备安装成本较高等原因造成具体实施较为困难。车载无线电台发射式装置需要在每台运行的机车上固定安装位置发送信号，安装成本较高，局外临时入路列车难以实现，一旦某列未安装该设备或者发送设备损坏，该列车将成为隐患车，在作业人员未知的情况下接近，安全风险极大。文章基于此设计研究列车运行预报系统，实现各专业作业人员从上道、收听确认、避车、下道整套流程的集中监护，构建现场作业人员自防自控、现场防护员主防主控、驻站防护员集中防控、管理人员整体监控的闭环联控机制，同时通过视听结合方式提高现场防护员及作业人员对列车运行信息的预知性，可有效降低防护员劳动强度，提升整体安全管控水平，防护效果及安全系数提高。

2 列车运行预报系统功能要求

列车运行预报系统从运输管理层面出发，叠加先进的无线通信定位技术、传感技术、深度视频识别技术等全新技术，解决列车接近预报警问题。列车运行预报系统主要依靠铁路运输调度指挥系统中的区段占用（或空闲、锁闭）、信号机开放（或关闭）、道岔定位（或反位）等信息，计算车辆位置及进路信息，结合通过无线通信高精度定位技术、视频识别技术、列车运行传感技术等确定的现场作业人员位置精确信息，动态计算防护区域，过滤无关信息，使各专业作业人员在工作中受到保护，提升安全管控水平，列车运行预报系统功能图如图 1 所示，具体功能要求如下。

图1 列车运行预报系统功能图

（1）列车接近预警及动态防护。当列车通过区间信号机、接近或离去区段、进站接车或通过进路排列、进站、发车进路排列、出站时，根据人员定位对进入防护范围的列车进行列车位置及距离播报。

（2）调车作业动态防护。在调车作业进路排列、调车通过第一道岔、到达股道或进路末端区段时，对进入防护范围的调车进行信息播报。

（3）人员高精度定位及避车距离校核报警。运用北斗+全球定位系统（GPS）高精度差分定位技术，对上线作业人员的位置进行精确定位，区分股道及岔区，可对避车距离进行自动校核，对不符合安全距离的进行报警。

（4）多专业集中监护。车站运转室设置集中监护终端，供各专业驻站防护人员对上线作业人员进行集中监护。列车运行预报系统以示意站场及地理信息系统（GIS）站场方式，实时显示轨道区段、道岔及信号机状态、进路及列车位置，并以不同颜色显示各专业作业人员位置，显示并播报现场防护员预警终端状态，以便驻站防护员实时掌握列车位置、人员位置，监督并提醒作业人员适时避车。

（5）管理监控。管理人员通过便携式管理监控终端示意站场及GIS 站场，实时查看上下道情况、列车位置、作业人员位置、避车状态，进行轨迹查询及历史画面回放，实现对管内作业人员的整体监控。

（6）四级闭环联控。列车运行预报系统采用作业人员自防自控、现场防护人员主防主控、驻站防护员集中防控、管理人员整体监控的四级联防联控机制，对上线作业人员人身安全进行闭环联控，闭环联控机制示意图如图2 所示。

图2 闭环联控机制示意图

（7）事后回放追溯。列车运行预报系统自动记录作业全过程的站场状态、列车位置、每台高精度定位预警终端的位置及轨迹、预警信息播报内容及时间、现场防护人员执行的上下道/预警确认/避车等操作、对讲录音等，事后可进行查询、回放、追溯，以便进行安全分析。

（8）全线自动漫游。列车运行预报系统以三站两区间为基本方式对列车接近信息进行预警，多方向车站可实现多站多区间的信息播报。当作业人员进行跨站区作业时，手持终端根据作业人员定位，自动进行主站切换，并以新的主站和左右邻站形成的三站两区间为基准，进行预警信息播报，从而实现全线无缝切换和动态漫游。

（9）语音对讲录音。所有手持终端（智能预警终端、对讲预警终端、管理监控终端）均具备语音对讲功能，后台自动录音。

（10）预警信息现场扩音。手持终端具备音频接口，可在大型施工作业现场放置便携式扩音设备，进行作业区域列车接近预警信息的高音广播，进一步提升预警提示效果和作业安全系数。

（11）列车运行预报系统自检报警。系统应具备状态自检功能，对数据中断、通信中断、手持终端定位失效等故障及异常状态进行自检，并在手持终端和集中监护终端同时进行报警，以便提醒现场人员注意瞭望，或停止作业并立即下道，从而达到故障导向安全的目的。其中终端定位失效时，由于无法计算防护范围，终端进行三站两区间全部列车运行信息的播报，以免漏报。

3 列车运行预报系统设计和原理

3.1 方案设计

结合国内现有技防方案，确定列车运行预报系统整体架构、设备组成及分布、数据采集方案、数据传输方案、列车定位方案、人员定位方案（含隧道内）、预警分析方案、预警信息播报内容/时机/方式、动态防护方案、确认反馈方案、隧道盲区网络覆盖方案，完成列车运行预报系统安全机制及自检报警机制的设计，整体架构示意图如图3所示。而列车运行预防系统关键技术难点在于对运输调度指挥系统数据的统计、分析、准确计算，通过技术手段对现场作业人员作业范围、运动轨迹等精确捕捉并实时与系统交互，以及特殊地段如隧道、山区等地通信传输和定位技术难题的解决方案等。基于以上因素开展关键点设计，具体关键点如下。

图3 列车运行预报系统架构示意图

（1）列车接近预警模型。保证列车接近预警分析准确率达到100%，列车运行预报系统从多个方面保证列车分析准确性：①基础数据校核及清洗，从最底层保证参与运算的站场逻辑关系准确无误；②站场开关量数据核验，从信号集中监测接收到站场开关量数据后，对数据有效性进行核验；③列车进路追踪，通过对列车完整进路追踪保证列车接近分析准确性；④故障导向安全机制，超时未收到监测数据时，会提示信息中断，告知用户系统存在问题，需加强瞭望或从其他渠道获取列车接近信息，达到故障导向安全原则。

（2）GIS 站场跨平台展现。列车运行预报系统在实现GIS 站场功能时，主要功能使用脚本语言（Js）完成，如GIS 地图展示，站场设备（含桥梁、隧道）在GIS 地图中的绘制、人员位置展示、人员轨迹展示等。在操作系统Windows 平台中，通过运行程序QWebEngineView实现GIS 站场显示，并通过运行程序QWebChannel实现程序设计语言（C++）与Js 之间的数据交互，完成实时站场显示，人员位置、桥梁、隧道、轨迹等展示。在操作系统Android 平台，通过谷歌浏览器内核（WebView）实现GIS 站场显示，并通过Js 接口实现数据传输，完成相关功能。相关功能已完成模拟测试，达到预期效果。

（3）隧道内无线网（WIFI）覆盖。列车运行预报系统示范站清水河县站管内有清水河隧道（上行、下行）、石壁桥隧道（上行、下行），石壁桥隧道无弯道且有通信运营商网络信号，无需再进行网络覆盖；清水河隧道处于有弯道，且内部无运营商网络信号，需进行网络覆盖。隧道覆盖施工难点主要为：①施工时间只能为天窗点，且施工工期较长；②光纤及电源在隧道内部如何架设与固定；③电源从何处获取，且上下行之间电源埋设（跨越线路）。

（4）隧道内WIFI 定位。隧道完成网络覆盖后，可实现隧道内部对讲通话、列车接近预警接收及播报、人员定位等功能。人员定位思路为采集隧道内部各位置的WIFI 信息，进行数据校核后录入指纹库，当终端进入隧道后，通过WIFI 信息与指纹库进行比较，计算出人员位置。WIFI 人员定位准确性受以下因素影响：①设备安装为线状分布的影响；②隧道为洞，侧壁及洞顶为混凝土结构，对WIFI 反射、散射影响；③不同类型终端、不同终端的固件对WIFI 定位影响。

（5）动态防护实现。终端现场使用时，根据自身定位信息，结合列车预警信息进路，判断人、车、站场逻辑关系，动态进行提示及报警，减少无关信息对现场人员干扰：①站场设备定位信息均由高精度定位设备采集，同时开通“千寻知寸-FindCM”服务，使定位精度可达厘米级；②站场轨道采集线状定位数据，保证弯道数据准确性；③道岔区段分多部分进行采集；④动态防护相关设置根据终端类型有所调整；⑤列车进路包含邻站进路信息。

3.2 工作原理

列车运行预报系统利用防护人员的手持终端收集现场实时定位数据，同时与信号集中监测终端进行实时通信，进行数据清洗加工给出列车运行预警信息。列车运行预报系统绘制站场平面图数据，在施工过程中，车站值班员根据站场平面图规划出施工范围，施工人员携带手持终端，若出现列车接近手持终端自动报警，现场有施工人员擅自超范围施工，视频动态采集系统结合站场平面图规划区域实时联动逻辑运算并给出报警信息，提示防护员立刻禁止该行为，列车运行预报系统原理示意图如图4 所示，列车运行预报系统设计过程中对各子系统实时进行数据存储，从而加强施工队伍以及检修队伍的管控。

图4 列车运行预报系统原理示意图

4 列车运行预报系统应用

4.1 列车运行预报系统组成

列车运行预报系统由集中防控中心、站区系统、无线通信系统、电源系统、现场防控视频系统、特殊地段定位系统、列车运行终端组成。集中防控中心是其指挥中心，收集站区预报系统、现场防控视频系统、列车运行终端系统数据，进行数据整合、运算，最终得出准确的预告防护信息，提前预警保证了运营线施工和检修人员的生命和财产安全。

（1）集中防控中心功能。主要包括数据建模、计算、整理、转发模块、信息管理模块。数据转发模块实现站机与手持终端之间的数据交互。信息管理模块实现线别、车站、组织架构、手持终端等管理。

（2）站区系统主要功能。与调度监控系统（TDCS）进行数据接口、列车预警分析、示意站场、GIS 站场、数据查询、轨迹查询、历史回放等。

（3）列车运行终端主要功能。终端根据精度划分为高定位智能终端、对讲终端、管理监控终端3 种。高精度定位智能终端具备实时站场平面显示、预警文字显示及播报、人员位置显示、高精度定位（厘米级）、动态防护、确认反馈、作业对讲等功能，使用对象为现场防护员。对讲终端具备预警文字显示及播报、人员定位、动态防护、作业对讲等功能，使用对象为现场作业人员。管理监控终端具备示意站场显示、GIS 站场显示、人员位置显示、预警信息显示及播报、手持终端实时状态显示、手持终端上下道查询、手持终端轨迹查询、站场回放等功能，使用对象为车间、电务段管理人员。

（4）通信系统主要功能。主要采用沿线无线覆盖通信系统，独立频段，覆盖区域全面，主干网络采用冗余环网传输，保证数据流通实施有效。

（5）现场防控视频系统主要功能。安装于施工现场四周，要求全范围无死角监控作业现场，数据传输至调度防控终端，通过GIS 站场进行防控区域布控，一旦出现人员穿出防控区域，系统自动报警并推送至各级防控人员。

（6）特殊地段通信无线系统及定位系统。主要使用无线路由器和无线访问接入点（AP）进行网络覆盖，根据实际情况进行测算补强。

4.2 试验验证及完成情况

以老牛湾-清水河县-二道河三站两区间的线路、隧道、桥梁等区域为例，进行列车运行预报系统验证，验证情况如下：列车运行预报系统安装实验后，经检测各项功能达到设计标准。微机监测数据源在稳定可靠的前提下，列车接近分析准确率100%。站场实时显示，语音播报清晰、准确。对讲通话无距离限制，通信信号存在即可通话。常规条件下，通信链路传输延时小于2 s。使用高精度定位智能终端在室外空旷、无遮挡地带，加载千寻差分数据后，定位精度达厘米级。列车运行预报系统站机能够保障148 h 不间断运行。自检功能完备，在数据中断、网络中断、系统故障时提醒用户，满足故障导向安全原则。电磁兼容符合相关标准的要求，设备工作噪音不大于75 dB。系统环境适应性良好，且经过现场实际测试。示范区间内无通讯盲点，同时示范区间内智能终端能实时接收到列车预警信息及反馈。

5 结语

列车运行预报系统以清水河县站为示范站进行实施和试验。设备试运行后，实现了清水河县站管内（站内、咽喉、区间、邻站交界）全站列车接近预警接收及播报、对讲通话、人员定位等功能。在实际运用过程中，列车预警信息准确无误，定位状态正常情况下动态防护准确无误，预警提示高效（警示音、振动、语音播报、文字），确认反馈简单直接，室内集中监护终端人员图标显示位置精准，人员状态清晰明了，对讲通话清晰流畅。列车运行预报系统应用后经济效益明显提升，减少人身伤害事故，降低事故性安全支出，同时社会效益显著增强，降低劳动强度，提升防护效果。