北斗差分定位技术在调车安全管理中的应用

杨小勇

(南昌铁路局 运输处， 南昌 330002)

0 引言

铁路是国民经济的重要组成部分，与公路、水运、航空、管道等运输方式构成我国的现代化交通运输网[1]。

铁路调车作业是铁路运输生产的重要组成部分，是确保实现列车编组计划、列车运行图、加速车辆周转、质量良好地完成运输生产任务过程中必不可缺的重要环节，具有全天候、劳动强度大、作业地点涉及面广、作业对象多种多样、作业组织复杂、作业方法灵活多变、影响作业的因素多等特点，为此，调车作业发生事故的概率远远大于其他作业，是铁路运营管理中安全防范，加强管理的重要环节[2]。

1) 南昌铁路局调车工作现状车务系统管辖车站402个，其中有调车作业车站201个，占车站总数的50.0%，日均调车约1.3万钩。其中编组站3个(向塘西、鹰潭、来舟)、区段站19个，设驼峰车站9个(除编组站外，九江西、赣州东、漳平、樟林、铁山洋、武夷山<停用>)；主要调送客车底车站5个(九江、南昌、鹰潭、福州、厦门)，调送货物列车车站196个(含11个客货车均调动的车站)。全局配属调小机车130台，其中调机60台，调度机车70台；现有调车指导48人，调车有关人员约2135人。全局共有专用线、专用铁道397处，其中配有企业自备(租用)机车22台。

调车工作具有参与作业人员多、自动化程度低、全天候、劳动强度大、作业地点涉及面广、作业对象多种多样、作业组织复杂、作业方法灵活多变、影响作业的因素多等特点，这些特点决定了调车作业安全风险控制难度远远大于其它作业。

目前，车务系统调车安全存在以下主要问题[3]：

第一，查处“两违”存在随机性。由于调车作业均在室外，受满场跑动、监控手段缺乏等客观条件制约，对调车作业不能做到全过程监控和跟踪，检查调车作业更多是采取蹲守、随机方式，调车作业人违章违纪被查处存在“撞大运”现象。直接造成部分职工在作业过程中抱有侥幸心理，置规章制度于不顾，盲目图快，凭经验、凭感觉简化作业程序，臆测行车。这也是调车作业违章多、性质严重、事故多发的内在原因。

第二，职场不利环境需职工自主规避。调车作业不分场地、不分昼夜、不分寒暑，调车作业遇到劳保短缺、废旧轨料乱堆乱放、地面不平、建筑物侵限、杂草树木侵限、照明条件不良是常有现象，各种纷繁复杂不利条件需要调车人员自己熟悉，内化于形，一旦调车人员注意不集中极可能发生意外，这也是为什么调车作业发生职工伤亡多，特别是新入职人员伤亡多的内在原因。

第三、调车作业安保及监控手段匮乏。自铁路有调车作业以来，近百年时间内除引入调车无线灯显设备外，绝大多数调车方法、工具、流程长期固化。后期投入使用的STP更多是针对司机作业特点开发的，对调车人员的人身安全防护无任何作用；车务系统缺乏类似作业轨迹实时跟踪设备，已有的录音回放存在滞后性，引发了“假执标、假联控”现象。可以说车务调车安保监控手段匮乏，大部分作业靠“人控”，是调车事故多发的客观原因。

2) 调车管理工作趋势

调车作业总是伴随着机车、车辆的运动，是多工种、多环节的作业过程, 随机性强, 点多面广, 要求机务、运转、货运、装卸等多工种协同，受人—机—环境的影响，稍有不慎就会发生意外，造成人员伤亡、设备损坏，影响正常的运输生产秩序。由此可见，强化调车工作的安全管理对加速机车车辆周转，提高运输效率，降低运输成本，实现铁路的科学发展、和谐发展，甚至为国民经济又好又快发展具有十分重要的意义[4]。

为进一步完善调车作业管理过程，规范调车作业要求，严格作业标准，提升管理效率，采用科技手段，人防与技防相结合，自动规范调车作业过程，减少安全隐患，显得尤其必要。为了全方位的实时掌握调车作业过程的全貌，对于调车作业过程的调车语音、调车信令数据的离线数据分析，和事后分析整改管理，近年来已经得到一定的发展，相对完善。但是对于调车作业管理中，当前还存在如下实际管理问题迫切需要完善：

现有的管控技术手段，虽然可以通过记录仪事后下载调车通话数据和调车信令数据，暂时无法获取调车机车和调车作业组的准确位置信息，即使辅助增加传统的GPS定位追踪技术，也达不到实际的作业精度要求。同时调车作业过程进行离线事后分析，只能应付事后事故分析和证据保存的需要，无法做到实时管控和调车轨迹的精确追踪。

为此，在鹰潭南站试点，采用北斗差分定位技术，结合现场的调车作业管理的具体实践，设计一套基于北斗差分定位技术的调车安全管理系统，该系统能够实时监控调车班组作业人员和调车机车的精确轨迹、同时也能通过网络远程实时获取调车通话数据和调车信令数据，系统设计了调车钩计划接入接口，可以自动产生钩分数据，可以根据调车轨迹或者调车钩计划全方位的展示调车组的作业过程；除了远程实时掌握现场调车作业过程，及时控制作业安全风险以外，也为调车作业过程和规范的总结分析、安全防范提供了更加全面的数据分析和管理手段。

1 北斗差分定位技术介绍

近年，随着我国北斗卫星导航系统的不断发展，卫星覆盖范围和定位精度都得到了巨大的提高，北斗定位技术的不断应用到国民经济发展的各个行业。

北斗差分技术的原理：北斗差分系统包括一个或多个安装在已知精确位置点上的北斗接收机作为基准站接收机，通过基准站接收机对北斗卫星信号的测量而计算出差分校正量，然后将差分校正量转发给位于差分服务范围内的用户接收机，以提高用户接收机的定位精度。

1. 差分北斗根据服务的地理方位分为局域，区域和广域三大类，拥有不同长度的基线距离。

差分系统目的主要在于消除卫星时钟，卫星星历，电离层延时和对流层延时误差,如果这些误差量经差分校正后的残余要小于多路径和接收机噪声，那么这些误差成分在用户与基准站处的空间相关性较高，此时的基线称为短基线，否则称为长基线。

2. 差分北斗根据差分校正的目标参量分为位置差分，伪距差分，载波相位平滑后的伪距差分以及载波相位差分。

(1) 位置差分：

位置差分系统认为基准站接收机的定位误差与用户接收机的定位误差相关，于是它将基准站接收机的定位值与经精密测绘得到的真实值之差作为差分校正量并将之转发出去，用以对用户接收机进行直接校正。

(2) 其他差分

与差分校正量在定位领域内位置差分不同，其他三种差分量则均在测距领域内。由于载波相位测量值的精度比伪距测量值的精度高出几个数量级，因而基于载波相位的差分系统通常具有更高的定位精度，可以用来实现精密定位，基于伪距的差分系统可以获得分米级的定位精度，而基于载波相位的差分系统的定位精度能达到毫米。

3. 差分北斗定位根据定位的结果可以分为绝对定位和相对定位两种。

在绝对定位中，基准站接收天线的位置坐标需要被实现精确地确定，而利用差分服务的用户接收机可以求解出天线位置在同一坐标系统中的定位值。

相反，相对定位系统可以不需要知道基准站接收天线的精确位置坐标，用户也并不关注他的绝对位置坐标，而用户接收机所解得的定位结果是相对于基准站位置的位移向量。

2 北斗差分定位应用系统在调车安全管理中的实践要求

北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，也是我国最关键的国家基础设施之一。

针对调车安全管理的具体情况，对平面调车和驼峰调车作业中的不安全因素进行分析，找出影响调车作业安全的因素，理论联系实际，兼顾监督管理和安全防护，兼顾事后查处和事前预防，提高调车作业和调车管理水平。

在总体设计中，系统实现调车作业无线通话数据、调车作业信令数据的实时采集、实时解码、实时监听、远程回放，进一步综合利用差分北斗定位技术，设计调车业务支撑系统平台，实现调车作业语音、调车作业信令、调车作业高精度轨迹的远程实时监控、远程回放，通过全方位、多维度的调车业务数据的智能分析，自动筛选出“违规”作业、自动提示安全预警，在提供系统监控、违规分析的同时，为调车作业人员、管理人员提供技术支援和业务支撑。

2.1 调车作业安全检查部分要点举例：

未结合实际绘制上道(上线)作业固定线路走行示意图或不按规定行走固定走行线路。发生上述情况时，极易引发劳动人身安全事故，通过定位追踪，可以实时报警，也可以留存分析。

调车作业在路肩窄、路基高的线路上和高站台上作业时未停车上、下车。定位技术可以识别不按《站细》规定停车上下，从而达到警示作业人员，防患于未然。

调车作业未按规定执行一度停车或未按规定进行制动机通风试验；接近车档不一度停车可以报警。

调车作业人员遥控指挥，未确认调车信号，盲目指挥机车动车。识别调车人员不在规定作业范围指挥。

越出站界调车、跟踪出站调车。定位识别越出站界或跟踪出站调车，提示相关作业事项。

推进作业时，作业人员站立在不能随时使用简易紧急制动阀的位置。

调车作业计划布置后，调车作业人员未及时出场作业。定位识别是否全员出动，有无进行入线检查，是否假防溜。

机车车辆通过减速顶时超过规定速度。经过减速顶线路时，是否符合《站细》规定速度，采取相应处置。

2.2 调车安全管理中，集成北斗差分定位的调车业务支撑系统功能设计要求：

调车推进作业过程中实时监控车列移动的精确位置，平台远程实时追踪回放调车作业人员和机车的移动轨迹；

调车推进作业过程中通过北斗精确定位实现特定位置安全提醒，尽头线精确定位安全防护，与平调设备互联互通，安全联锁控车。

与调车作业轨迹同步，远程实时监听调车作业通话语音，也支持调车轨迹追踪和调车通话录音的同步回放。

与调车作业轨迹同步，远程实时监控和解码调车信令过程，也支持调车轨迹追踪和调车信令的同步回放。

设计调车作业计划通知单接入接口，支持调单计划的接入功能，支持调单计划执行过程的实时监控和轨迹追踪，也支持调单计划和调车轨迹的同步回放。

支持调单计划支持过程的实时确认功能，自动获取调车计划执行数据，输出调车钩计划钩分系统。

可选支持雷达测距功能，自动语音播报存车位置距离，减轻作业人员劳动强度。

3 调车安全管理中的北斗差分定位应用系统设计

设计一款具备北斗差分定位功能的智能调车终端，调车作业人员采用背夹的方式，携带调车终端。内置北斗差分定位模块，定位精度达到厘米级，携带定位终端，系统通过北斗差分系统的高精度功能，能够自动识别：

调车人员走行路线定位，辨识调车作业人员沿股道的行走路线和绕过车列尾部折返路线，自动识别作业人员侵限、不按固定线路行走、需要行走的路程不完整、穿越线路动作、探身进入线路作业等情况。

通过系统的北斗差分高精度定位功能，能够自动识别离开股道尽头线土档的精确距离，与现有平调设备互通联锁，能够自动完成多股道尽头线土档的智能防护功能。

通过系统的北斗差分高精度定位功能，能够自动识别调车作业人员接近高站台、路肩窄、路基高、高柱信号机，调车人员遥控指挥、调车完毕不复检以及车列一度停车、接近站界、调车作业人员不全员出场作业等自动提醒，自动预警功能。

通过系统的北斗差分高精度定位功能，能够精确测试车列移动速度，可以准确的辨识差速调车、超速上下车、超速连挂、调车作业超速等违规调车作业。

差分北斗定位终端预留了调车计划单接口，可以显示调车作业通知单。

通过系统平台侧的WEB网页可以回放调车作业人员的高精度移动轨迹，既可以实时监控，也可以历史回放作业过程。

3.1 系统实现原理框图：如图1所示。

差分定位信息系统设计有两条传输通道，一条为铁路专网的传输通道，用于实时传输北斗差分基站的校正偏移量，另外一条备用数据传输通道选用4G移动互联网络。

系统设备介绍：

1) 差分北斗定位数据采集终端：用于实时采集差分定位数据，同时预留调车钩计划传输显示扩展接口，如图2所示。

2) 车站设备：实时采集调车作业通话、调车信令数据，具备调车业务策略分析功能，如图3所示。

图3 车站设备

3) 应用控制器设备：完成调车作业录音数据、信令数据、高精度轨迹数据的收集、存储、处理；完成调车作业违规策略的分析；提供实时监听、实时追踪业务数据流的调度；调车业务支撑系统的业务呈现等，如图4所示。

图4 应用控制设备

3.2 鹰潭南站站场系统平台地图测绘和制作

鹰潭南站站场定位地图数据的实地测绘效果，如图5所示。

图5 鹰潭南站实地测绘图

鹰潭站高精度定位轨迹追踪应用系统WEB登录界面显示效果，如图6所示。

(a) 界面显示效果

(b) 网页登陆显示界面

3.3 系统功能界面展示效果图：

调车高精度定位轨迹追踪系统部分界面操作示意图，如图7所示。

4 总结

通过高精度RTK北斗差分技术在调车管理中的应用，基本已经到达调车管理和安全防护的高精度、调车作业轨迹追踪的功能。后续还会持续在终端体积的工艺小型化、调车管理和防护策略的丰富方面持续优化以及对定位设备如条件成熟接入视频摄像设备等方面持续改进。

后续可以引入语音识别技术，可根据调车录音、信令、轨迹自动生成钩计划分析表，预判存在的问题，提高管理人员分析效率和分析质量，减轻管理人员劳动强度。还需引入大数据分析，可以智能识别调车人员作业习惯，有针对性采取管理手段控制安全风险；可以统计各类调车作业指标，有针对性地改进工作方式，提高作业效率；实现全局数据联网后，可以准确掌握全局各站、各段、个人调车作业情况。

图7 界面操作示意图

该技术如能实现与STP系统、信号监测系统、视频监控系统接口，不仅可以实现更精确的定位，还可以实现三维立体监控，届时调车作业将全方面、立体受控，调车安全系数将极大提高，调车作业效率也将进一步提高，车务系统安全管理压力将会得到极大缓解，在车务系统安全管理甚至是铁路安全管理中的具有里程碑意义。

该技术成熟后，可先在调车作业繁忙的中间站推广，再在编组站、技术站推广，最后在一般中间站推广，计划3-5年时间内可实施完毕。在实施过程中，首先要考虑顶层设计调车智能分析系统，分路局、站段、中间站三级权限，预留相应接口，便于管理和进一步功能拓展，更于大数据分析。

当然，在推广使用该技术时，始终在突出“人防”核心，针对《铁路技术管理规程》《行车组织规则》《车站行车工作细则》不够详细的地方，在实践中加以补充和细化，强化规章管理制度的刚性约束，以进一步统一操作流程。加强了对人的不安全因素有效控制，以岗位作业自控、班组内部互控、班组间联控为核心，“两纪一化”受控、设备质量受控、人员素质受控为目标，使各人员间的配合达到统一和整体化，减少操作不统一带来的安全隐患。按照“数字车务”“智慧车务”目标，持续推进科技手段在运输安全生产中的融合和应用，解决生产条件变化后现实安全控制的难题，提升了车站调车设备的现代化程度，进一步降低了职工的劳动强度。

再好的设备也需要人来管理，针对调车作业特点，各级管理人员还是要补全安全风险管理监督制机的薄弱环节，按照覆盖面和量化要求，均衡制定月度检查计划，并保证双休日、节假日现场监督检查力量，要做到明查与暗访相结合、定期与随机相结合、白天与夜间相结合、重点与一般相结合、专项检查与日常检查相结合，强化关键时间、关键作业、关键地段的检查力度。特别是要善于利用STP、微机监测等系统回放分析，提高检查的针对性和准确性。

[1] 《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》[M].北京：中国铁道出版社，2014.

[2] 《铁路平面数字无线调车设备技术条件》[M].北京：中国铁道科学研究院,2016.

[3] 《南昌铁路局普速铁路行车组织规则》[M].北京：中国铁道出版社,2016.

[4] 《调车作业安全知识手册》[M].北京：中国铁道出版社,2010.