铁路调车作业安全防护技术研究

张小强，赵 周

(1.中国国家铁路集团有限公司 运输部，北京 100844；2.中国铁路兰州局集团有限公司 运输部，甘肃 兰州 730031)

0 引言

2022年1 月中国国家铁路集团有限公司发布《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》，明确提出推进运输生产领域信息化建设，提升运输组织精准化和安全管理精细化水平，提升场站数字化管理与运营水平。

调车工作是铁路运输生产过程中的基本环节，是车站工作的主要内容之一。调车工作对及时解体、编组列车，取送旅客列车车底和货物装卸作业、检修作业的车辆，按运输需要调动机车车辆，完成列车技术检查、整备作业，保证按运行图行车、安全正点发车，缩短车辆停留时间、加速车辆周转，全面提高服务质量，完成铁路运输的数量与质量指标任务，都具有十分重要的意义[1]。

同时，铁路调车工作具有全天候、作业环境复杂、技防手段薄弱、人工作业不可替代等特点，作业风险因素多，易发生“冲、脱、挤”等调车事故和人身伤害事故，一直是车务系统安全工作防范的难点和重点[2]。

因此，研究运用物联网、大数据分析、北斗定位、人工智能等先进技术，实现调车作业信息化、数字化、智慧化，对提高调车作业安全防护能力，提升运输组织精准化和安全管理精细化水平，具有非常重要的作用。

1 铁路调车作业现状

调车工作始于调车计划的编制、下达，终于最后一钩作业确认完成。其中信息的传递大多采用传真、电话、纸质调车作业通知单等方式，不但影响作业效率，也容易出现人为失误。在作业过程中的各种检查，基本依靠目测、目检进行人工判断，这也意味着调车工作的安全和效率完全受限于个人能力，因此铁路局集团公司、站段必须要在制定规章、培训规章、执行规章、监督规章执行等方面投入大量的培训和监督力量[3]。

目前，各铁路局集团公司在调车作业安全管控方面进行了探索和尝试，主要采用无线调车灯显设备[4]、音视频监控及作业记录仪等方法，但仍然没有摆脱“人控”的框架，同时普遍存在手段薄弱、功能单一、技防效果不明显的问题，无法对调车作业全过程进行安全防护、监控和分析。

2 限制调车作业技术运用的主要问题

（1）室外作业信息化、数字化程度较低。目前，调车作业人员主要通过纸质调车作业通知单了解作业内容，通过无线调车灯显设备进行作业指令传递和作业联控，通过目测、目检完成距离的判断和进路检查，完全依靠个人能力来执行调车计划，存在失误隐患。

（2）缺乏统一的执行标准和检查标准。《铁路调车作业》(TB/T 30002—2020)及《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》中，明确规定了调车作业全流程作业程序，以及调车工作的基本要求和关键事项作业要求。在实际调车工作中，由于站场环境和作业任务的多样性，以及技术手段的匮乏，调车标准规范只能依靠制度，人为监督落实，导致调车作业虽然有标准框架，但细节上的执行标准和检查标准比较松散宽泛。

（3）信息共享程度较低。完整的调车作业数据包括正线、站线、段管线、岔线[5]等区域的作业数据，涉及接发车、现车等车列调度数据；信号、机车、调车班组的操控数据；道岔、大门、脱轨器、道口、防撤溜等各种设施的状态数据。目前，部分数据已经实现了信息化、数字化，或者具备了信息化、数字化的技术路线，但由于缺少统一的共享机制，这些数据没有得到有效地综合运用，仅在各自相对独立的系统内发挥自身作用，没有形成协同效力，影响了调车工作和运输生产组织的整体效率。

（4）车列及室外作业人员位置确定难度较大。调车作业安全的核心是调车进路上的行车安全和调车作业过程中的人身安全。因此，提供调车作业安全防护首先要精确掌握车列和人员的位置。在车列位置判断上，目前主要存在轨道电路和卫星定位2种模式。轨道电路模式位置精度受限于绝缘节铺设密度，从建设成本考虑，绝缘节一般在作业密集的站场，按股道分段区间铺设，车列位置误差不一致，难以实现作业安全距离判断。同时，在非集中区调车、三压(压信号、压道岔、压绝缘)调车、分路不良区段等作业环境下，轨道电路模式无法发挥作用[6]。卫星定位模式最大优势在于不受站场面积、作业位置的影响，而且施工简单，对调车作业来说是一种接近全天候、全地域的技术。但卫星数据会受到环境的干扰，从而出现偏差，需要通过差分技术或者纠偏算法来进行补充，提高定位精度[7]。调车班组人员位置的判断，一直是调车作业安全防护技术的薄弱环节。一是缺少与之匹配的人员防护应用；二是人员位置基本需要依托卫星定位实现，既有装备均不能支持定位精度要求，新增装备受到体积、重量、运用环境等方面限制，暂时没有可用的设备能够同时支持高精度定位和现场应用。

（5）无线通信能力较弱。由于作业距离长，作业环境复杂，无线通信是解决铁路运输生产组织管理必不可少的技术手段，也是解决铁路运输生产管理数字化、智能化“最后一公里”问题的必备技术能力。目前，站场调车组织主要通过无线调车灯显设备进行通信，这种方式的优点是通信延时小、控制简单、自组网方便，但存在带宽低、频段资源受限、易干扰等问题，无法满足数字化、智能化的数据传输需求。此外，当前全路采用的GSM-R网络技术，传输速率低于无线调车灯显设备，而且大部分铁路车站GSM-R网络趋于饱和，难以为调车组织提供无线通信支撑。而公共4G网络容易受到移动基站覆盖、峰值网速限制、网络信息安全等影响，无法推广使用[8]。

3 解决方案

3.1 建设统一的调车作业全流程管控平台

建设数字化、智能化的调车作业全流程管控平台，用技术手段为调车作业提供安全防护，促进调车作业标准规范落实到细处。

3.1.1 检查项点数字化

铁路调车工作程序中涉及车辆检查、线路检查等大量的作业内容，检查细致、到位，可以为调车工作乃至铁路运输生产提供最基本的安全保护，对于调车作业效率的提升也可以起到事半功倍的作用。

在车辆检查方面，调车人员需要检查排风摘管情况、检查开口位置、连挂状态、制动状态等。其中，人力制动机和铁鞋可以采用北斗定位、物联网传感器技术进行状态判断和数据采集；而其他检查内容暂时没有适合的技术手段直接进行数字化表达，还需要通过人工操作进行信息化处理，如拍照上传、定位打点等，辅助调车人员开展作业确认和汇报工作。

在线路检查方面，调车人员需要检查线路障碍物、防护信号、大门、手扳道岔、线路两旁及站台上堆放货物距离等。这些检查内容按照《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》大多具有标准化的规定要求，根据其场景和环境的特点，可以综合利用北斗定位、物联网传感器、雷达、电子围栏、图像识别等技术，实现数字化表达，进行智能判断。

3.1.2 作业项点数字化

调车作业是一项有序的工作，在《铁路调车作业》标准中规定了铁路调车作业的基本要求和各类作业的作业程序和技术要求。而作业项点，就是在调车作业过程中，按照标准规范程序进行的作业项目。

目前，我国大多数车站调车作业依然属于“人控”模式，还有更多需要完善和创新的空间，这就需要开展作业项点的数字化建设。

（1）在铁路运输生产过程中，运用智能识别技术，对作业项点联控用语和作业场景图像进行智能分析，自动判断作业规范性，将极大促进作业标准化的建设步伐。在调车工作中，由于调车作业环境复杂多变，作业人员联控过程中方言多、语速快，存在动作随意性，需要开展长期的机器学习才有可能达到90%以上的识别率。从成本角度考虑，可以采用先易后难、突破关键的办法，从调车作业标准用语，高站台领车站位等关键安全行为入手开展并使用智能识别技术。

（2）调车工作中，需要目测、目检的作业内容十分普遍，直接关系到作业安全和作业效率。因此，分析作业内容，挖掘关键安全点，综合利用卫星定位、物联网传感器、雷达探测、人工智能等技术进行监测、识别、判断，实现数字化、智能化的调车作业导航。例如，运用基于位置的铁路应用服务，在连挂车列、尽头线调车作业时，对安全距离和速度自动监测判断[9]，辅助校正目测距离，防止误报、漏报，防范调车冲突、脱轨事故。

3.1.3 岗位作业信息化

调车作业全流程信息化建设中，在值班员、车站调度员(区长)岗位主要是建立信息共享，高效而便捷地实现任务下达与进度反馈；信号员岗位主要是将调车计划钩销记作业由纸质调车作业通知单钩划记录的模式转变为电子化、信息化的钩销记，提高作业登记的即时性、准确性。

相较于上述的室内作业岗位，调车班组信息化程度最低，信息化建设难度最大。目前，调车班组出务携带的信息化装备只有无线调车灯显设备和工作记录仪，二者在信息处理、数据交互方面能力受限，不足以支撑调车作业全流程信息化。根据室外作业岗位信息化的要求，调车班组携带的设备应具备无线调车灯显设备(对讲、指令)功能、定位功能、工作记录仪功能、无线数据传输功能、APP运算功能，同时在防水、防尘、抗摔、高低温、电池续航等指标上可以满足铁路站线室外作业环境要求。为减轻作业人员装备负荷，调车人员信息化终端设备需要尽可能实现多功能一体化，这也是铁路装备发展的必然趋势。

3.2 建立统一的数据交换中心

在保证铁路运输生产网络信息安全的前提下，兼顾各业务部门数据信息化需求，打通既有信息系统间的“隔离墙”，是铁路运输生产组织信息化、数字化、智能化的必然趋势。为此，有必要在统一的信息安全管理机制下，在铁路专网内建设统一的数据交换中心，也就是先行将各系统产生的生产作业数据导入“数据池”，然后分发给其他有共享数据需求的业务系统，这样既保证了原有系统的运行安全，又可以实现最大化的信息共享，充分发掘各信息系统的数据潜力，促进铁路运输生产组织的高效运行。

3.3 开发基于位置(北斗定位技术)的铁路应用服务

3.3.1 铁路调车作业定位精度需求

相比磁缸、绝缘节等固定地标感应方式，卫星定位技术是掌握调车作业车列和人员位置的最适用的技术手段。因此，选择定位精度符合调车工作要求的卫星定位技术是铁路调车工作数字化建设非常关键的环节。

从调车作业安全距离范围来分析，调车车列作业安全距离测算精度达到亚米级或者米级即可满足要求，参考相邻股道道心间距最小距离标准，可以采用圆概率统计方法2.0 m-CEP99作为调车作业车列定位精度的最低标准。

调车作业人员位置的精度要求需要结合铁路邻线作业人员安全要求和作业项内容来综合考量。掌握人员位置的目的首先是确定作业人员是否出现在适合的作业位置，防止作业人员“任性”指挥动车，此时，定位精度可以按2.0 m-CEP95作为标准；其次是对涉及人身安全的位置确定，如与车列的距离，与行车股道的距离等，防范人身伤害事故，此时，定位精度需要达到0.5 m-CEP99才能有效发挥相应的作用。

3.3.2 运用实时阵列校准技术的优势

卫星定位过程中存在较大的误差，一般单点定位精度在米级甚至10米级，因此，为达到2.0 m-CEP99以上的车列定位精度标准，需要在地面接收端进行位置校准，通常会采用差分技术来提高定位精度。

差分技术一般是利用2台接收机(基准站和接收站)同时接收卫星信号，利用误差的空间相关性进行差分计算，从而消除2台接收机的公共误差部分，提高定位精度[10]。除了要建设基准站、移动站以外，随着基准站与移动站之间距离的增加，定位精度也会下降，从投资成本角度来说，对于大多数车站是不太适用的。

实时阵列校准(RAC)技术有别于传统的实时动态(RTK)差分技术，通过创新的天线阵列设计方案和软件算法，不需要建设基准站、移动站，就可以使定位精度达到亚米级/分米级，从而保证机车定位精度和稳定性，也极大降低了高精度定位的建设成本。

3.3.3 股道停留车位置判断

铁路调车作业中，摘挂作业是常见的作业项，也是调车事故相对多发的作业项之一。而股道停留车位置的数字化，是智慧调车必须解决的难题。

由于股道停留车的停放位置是不固定的，停留车辆的车型、数量也是不固定的，这就给停留车位置确定带来诸多难题。

针对这一问题，可以综合运用机车定位+车辆换长数据测算停留车位置。通过在机车上安装RAC定位装置，结合车种换长数据，理论上可以得到该车列所有车辆的实时位置。当调车作业完成后，停留车列两端车辆的位置就是停留车位置。这种方式成本低，施工量少，是一种极具实用价值的技术路线。

3.3.4 车列相对距离安全性判断

车列相对距离指的是车列前端与前方目标位置或者关键区域位置的距离。目前，调车作业主要还是采用人工目测的方法估算距离，并进行相应的控制。

有了机车位置和数字化站场地理信息，结合车辆换长数据，就可以计算出推进车列与前方进路关键区域位置的相对距离，以相对较低的成本实现全站场车列相对距离的数字化。在距离前方目标十、五、三车距离时，可以自动发出距离提示；在限速区段上，可以自动发出速度提示；接入检查项点监测数据后，可以对前方关键区域状态进行提示；接入信号和分段进路数据以后，还可以对进路开通情况进行提示；接入无线调车灯显系统后，还可以对紧急高危事件进行应急处置；从而为调车作业提供智能化的安全导航。

3.4 无线通信解决方案

在无线通信技术的选择上，一方面需要考虑传输速率、通信延迟、传输距离、并发量、通信安全等技术性能问题，另一方面还要考虑投资、建设、运营、管理、维护等要素。

从长远来看，中国铁路5G专网建设和信息化应用是必然发展方向，调车作业数字化、智慧化建设应以5G无线网络为基础进行相应的技术研究和技术储备。

自2017年原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)[11]以来，LTE(长期演进)宽带无线接入系统在郑州、南宁、哈尔滨、北京等部分铁路局集团公司进行了试点建设和应用[12]，但多用于货检系统的无线通信覆盖，而且由于建设、运用、管理、维护等多重因素，LTE模式未得到广泛的推广应用。

因此，从加快开展调车作业数字化、智慧化探索研究的角度出发，可以选择自组网方便，建设成本低、维护成本低的低功耗广域网(LPWAN)无线通信技术。虽然物联网无线通信技术数据传输能力较弱，只适合坐标、信号、指令、小文本等窄带数据传输，但从铁路运输生产作业流程信息化角度来看，足以满足大多数作业信息的无线传输要求，可以作为铁路站场无线网络技术的有益补充，从而快速解决调车作业全流程信息化问题。

3.5 作业全流程监控分析服务

3.5.1 站场监控摄像头自动跟随技术

为了掌握现场情况，监督现场作业，保障作业安全，各站场安装了大量的监控摄像头。这也带来了一个新的问题，为了更好地监控现场，就必须设置专人专岗进行盯控，而一旦离开人控，摄像头就会返回默认设置状态进行拍摄，也就是所谓的闲置空拍。为此，监控摄像头自动跟随拍摄的需求应运而生。自动跟随拍摄的优势在于不需要人控，摄像头按照既定规则自动跟随目标的移动调整角度、焦距、放大倍率，自动拍摄存储作业场景。一方面可以减轻盯控管理人员手动操控云台的工作量，另一方面在没有盯控管理人员参与时，也可以自动拍摄作业场景，从而达到全天候、全流程的作业监控，极大提高站场监控摄像头的利用率。

采用定位跟随视频技术，可以根据目标位置调动周边摄像头按最优规则进行跟随拍摄，只要定位信号不中断，即便被车辆遮挡，跟随拍摄也不会中断。由于只有指定的作业人员佩戴定位设备，人员身份绑定，跟随目标指向性明确，不会出现无差别跟随的问题。同时，身份、位置绑定后，调车班组作业位置在地图和视频中均可以直观展示出来，可以有效防止作业人员不在规定作业位置指挥调动车辆的情况。

3.5.2 基于位置和作业流程数字化开展调车作业导航服务

铁路调车工作是有计划的作业组织行为，这也意味着调车作业本质上是有序的生产活动。因此，根据调车计划、现车和进路安排，就可以通过基于位置的铁路应用服务以及检查项点的状态监测结果和作业过程标准化行为分析，对调车作业过程中的每一个关键状态和关键行为进行提醒防护，对下一钩作业进行重点安全提示，对作业进度进行判断和展示。例如，铁路调车列车摘挂作业，车列启动前，通过信息化移动终端设备向调车班组自动提示下一钩作业内容、注意事项，提示进路前方手扳道岔、大门、防护信号等检查项点状态监测结果。车列启动后，根据车列相对距离的计算结果，提前向调车班组通报前方进路上关键区域(如道口、高站台等)的距离和监测状态，在限速区段通报速度提示，接近停留车位置时自动通报十、五、三车距离。当出现紧急情况时，自动发出停车指令，起到风险防范的作用。

4 结束语

调车工作是铁路运输生产的重要组成部分，是铁路运输效率增长的重要影响因素。同时，调车工作也是铁路交通安全事故防范的重点。长期以来，车务系统一直致力于调车作业安全与效率的均衡发展。从调车作业全流程管控的角度，分析调车作业安全防护技术发展的瓶颈因素，综合研究利用各种技术、方法，提出可以有效提高调车作业安全防护和监控能力的技术解决方案，以期在保障调车作业安全的基础上提升调车作业效率。