铁路工程线运输调度管理信息系统设计与应用

杨威 鲍榴 解亚龙 刘红峰 李飞

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路工程铺架施工过程中不仅有铺轨作业车、焊轨作业车、四电工程车等多种机车，还有线下各施工单位上道作业，涉及单位多，行车和施工作业安全等级高。铁路工程线施工组织与行车安全管理是介于工程施工和营业线施工之间一个过渡期间的管理状态，是以铁路站前施工单位为管理主体，以上道作业的各参建单位为管理客体开展的管理活动［1］。

在线路运营阶段，通过应用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，为调度、车站值班员等行车人员提供及时准确的列车定位运行信息，辅助后续运营指挥［2］。传统列车定位技术存在定位精度低和抗干扰能力差的问题［3］，而卫星导航系统基于无线电导航定位和时间传输，能够提供高精度、全天候的位置、速度和时间信息［4］。我国自行研发的北斗卫星导航系统是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第3个成熟的卫星导航系统，在铁路列车行车安全、沿线灾害、基础设施监测、基础设施建设、施工现场人机定位与管理等领域具备应用可行性［5-6］。秦健［7］结合北斗卫星导航系统的优势，提出了施工作业人员和车辆安全预警防护的软硬件系统方案设想。甄德印等［8］研发了防碰撞预警相对位置算法，为施工和运营维护过程中的人机安全提供技术保障。

目前铁路工程管理过程仍处于人防为主、技防为辅的监控防护状态，调度指挥信息化水平参差不齐，缺乏有效的技术手段，长期以来运输生产效率较低且安全风险巨大。因此，有必要深入研究工程线运输调度智控技术及安全装置，研发铁路工程线运输调度管理信息系统，辅助解决行车与施工组织协调难题，减少人车、车车碰撞安全隐患，提升工程线管理单位调度指挥信息化水平。

1 关键技术

1.1 北斗卫星实时定位与防碰撞报警融合技术

根据新建铁路项目施工手册制作虚拟工程线电子地图，通过北斗高精度定位技术（Real⁃Time Kinematic，RTK）和防碰撞报警技术的融合，对机车等自轮运转设备进行定位监测。通过对地理坐标与施工里程转换技术的研究，实现在监控设备和虚拟工程线电子地图上实时显示机车的速度和位置。机车与机车、机车与人产生碰撞趋势时，车载终端和调度中心实时报警提醒，确保行车和人身安全。

1.2 基于运行控制中心模式的电子地图服务

建立协调施工与行车组织管理的运行控制中心（Operating Control Center，OCC）模式，所有上道车辆必须安装定位设备。根据线路设计参数与现场实地考察结果，在新线标准里程未确定、长短链普遍存在的情况下，实现基于铁路虚拟工程线电子地图的行车快速定位监测。进而，结合施工计划自动生成作业安全防护区，并与行车计划作碰撞检测，提升计划审批效率，实现施工与行车组织统一管理。

1.3 隧道内机车相互报警技术

工程车进入隧道后失去与外部通信的能力，行车危险性增大。研发车载终端可提供隧道内机车之间相互报警功能，2台机车进入同一条隧道时，可相互报警并报告各自位置，报警距离在3 km范围内。工程车接近施工防护区域时，系统自动向司机和调度人员发出语音提醒，确保行车和施工作业安全。

2 信息系统架构设计

基于上述关键技术，为实现铁路工程线施工与行车安全统筹管理，研发了一套铁路工程线运输调度管理信息系统（以下简称工程线调度系统）。

2.1 总体架构设计

工程线调度系统总体架构分为5层，见图1。

图1 总体架构

1）感知层。通过北斗卫星导航定位、车载视频、列车速度传感器、RFID定位电子标签、电子安全防护器等多种无线感知设备，获取施工作业、行车计划、人员定位、机车定位、速度监测等动态数据，经网络回传至数据中心服务器进行数据处理和分析。

2）传输层。主要包括互联网、物联网、无线网。负责提供安全高效的传输通道，将采集到的数据信息安全、快速地传输到工程线调度系统，使调度中心与施工现场能够随时获取数据、声音和视频信息。

3）数据层。包括里程标、坡度表、车站表、道岔表等静态数据和机车定位与测速数据、施工计划作业里程范围、安全防护区域、报警距离等动态数据。

4）应用层。主要针对调度中心审批及指挥人员、车站值班员、各施工单位驻站联络员和施工负责人，具备铺轨形象进度、统计分析、施工与行车计划审批、无线调度命令、运行轨迹图、超速与限速报警、语音及视频通信等功能。

5）表现层。可通过局域网、互联网、移动网络访问，支持调度中心指挥大屏、车载计算机、手机、打印机等设备的访问和连接。

2.2 技术架构设计

工程线调度系统由运行监控调度中心（简称客户端）、铁路工程管理平台（简称平台端）、物联网数据采集处理平台（简称物联网平台）3部分组成（图2），通过数据中心服务器对各部分统一集中管理。

图2 技术架构

客户端主要通过施工计划与调度命令的接收确认、上道施工作业登记与销记、行车监控与报警提醒等功能，确保对施工与行车计划进行实时监控管理。平台端主要负责项目人员组织机构、线路参数等信息初始化，施工计划与行车调度的申请、审核、下发，铺架进度形象化与统计分析。物联网平台通过北斗、广域网，实现机车定位、列车速度监测和电子防护报警等数据集中处理，并将实时数据传递至数据中心服务器。

2.3 功能架构设计

工程线调度系统主要功能包括计划管理、无线调度命令、运行轨迹图、视频监控、站存车管理、防护区与临近报警、列车限速及超速报警、统计分析等。

3 工程线调度系统应用实践

京张高速铁路东起北京北站，西至张家口南站，正线全长174 km，在下花园北站接轨全长53 km的崇礼铁路，向北至太子城奥运村。京张高速铁路—崇礼铁路作为2022年北京冬奥会重要交通配套基础设施，共设11座车站，在河北省怀来县设立现场铺轨调度指挥中心，负责集中调度指挥。通过工程线调度系统建设与应用，线上审批通过施工计划8 000余条，下发无线调度命令2000余条。将车载视频实时监控与防碰撞预警提醒相结合，保证了现场施工作业与行车组织安全。

3.1 计划管理

调度中心根据各施工单位上报的施工请点计划和次日行车计划，辅以计划自动碰撞检测技术，合理分配作业时间和区间，实现作业计划集中审批，及时上传下达。每份审批通过的作业计划都有唯一的二维码身份标识（图3），经车站值班员扫码核实信息后方可上道作业，并在规定时间内进行销点申请，由车站值班员复核后销点，实现“在线申请—审批下发—上道复核—下道销点”的全过程写实追溯。

图3 施工计划审批表

3.2 无线调度命令

调度中心行车调度员根据行车计划，通过工程线调度系统准确下发调度命令（图4），各施工单位负责人、车站值班员、司机、车长接收并确认，确保调度命令及时可靠传达。

图4 调度命令

3.3 运行轨迹图

机车运行轨迹图是参照国际标准的十分格列车运行图设计的。调度中心调度员可根据工程车实际发车时间与到达时间自动绘制工程车实际运行图，还可自动绘制工程车运行轨迹，如图5所示。运行轨迹图能够直观展示行车与施工计划的冲突碰撞和交叉作业情况，为后续优化排班作业提供参考依据。

图5 工程车运行轨迹

3.4 视频监控

在车站、轨排存放处、群吊、制梁场、钢筋加工棚、硫磺库等重点监控部位安装无线固定视频监控设备，同时还可以在龙门吊、提梁机等大型机械设备上安装移动视频监控设备，实现重点施工区域视频全覆盖。现场实时视频监控如图6所示。

图6 视频监控

3.5 站存车管理

记录平板车、老K车、四电车等车辆的入场时间、维修记录、下次维修时间、存放位置等信息，对即将到达维修时间的车辆进行提醒，快速进行车辆编组与解体，便于工程线机车管理工作。虚拟电子图站存车辆停放信息如图7所示。

图7 虚拟电子图站存车辆停放信息

3.6 防护区与临近报警

2列或多列车在同一线路行驶且距离小于安全距离时，会进行不同距离、不同颜色等级报警提示。根据施工计划，在虚拟工程线电子地图上自动生成作业区域并设置虚拟防护区，当列车行驶临近虚拟防护区时提前语音提示司机及时减速或停车（图8）。若车辆驶入防护区则会向司机和调度中心发出违规报警，并记录违规车辆信息。

图8 施工作业防护区临近报警

3.7 列车限速及超速报警

调度员通过调度中心大屏能够全面掌握管段内所有列车位置及运行状态信息。司机通过车载计算机上的虚拟工程电子地图掌握本列车实时运行状况，并结合坡度和限速信息及时调整机车运行速度。对限速区超速工程车实时报警记录，提高行车安全性。列车超速报警如图9所示。

图9 列车超速报警

3.8 统计分析

智能统计分析工程进度，施工与行车计划兑现率，调度命令执行情况，工程车超速、限速及临近报警等情况，记录电子防护牌报警信息，如图10所示。

图10 施工计划与调度命令执行情况统计

4 结语

本文通过对北斗卫星实时定位与防碰撞报警技术融合应用的研究，提出基于运行控制中心模式的电子地图服务模式，突破隧道内机车相互报警关键技术，首次研发了铁路工程线运输调度管理信息系统，建立了一套工程线使用和管理的信息化体系，将工程线区域内各种施工与行车组织纳入系统管理，统筹兼顾施工与行车计划，集中调度指挥，实时监控机车运行状况。

该系统创新点包括：

1）融合应用北斗卫星定位与防碰撞报警技术，实时监测机车位置、时速，结合电子防护装置，实现机车与施工作业临近报警安全防护；工程车超速时，车载终端及调度中心实时报警提醒；2台机车进入同一条隧道内时，机车可相互报警并报告各自位置，全面提升安全风险管控能力。

2）统一施工、行车计划和调度命令数据接口标准，革新了传统工程线计划管理模式，将线下审批转为线上信息化管理，极大节约了时间和交通成本。

3）根据施工计划自动生成施工作业安全防护区，并与行车计划进行碰撞检测，辅助以图形化方式编排和调整施工与行车计划，统一下发施工与调度命令。

该系统在京张高速铁路—崇礼铁路项目中成功应用，保障了施工与行车组织安全有序，提高了运输生产效率，提升了调度指挥信息化水平。