铁路营业线施工智能安全防护管理系统研究

关 达，白 铭

(神华包神铁路集团有限责任公司，内蒙古包头 014010)

安全是铁路运输永恒的主题。在铁路营业线施工中，要确保行车、人身和施工安全[1]。目前铁路营业线施工现场作业安全管理还是主要靠人盯人和依靠人传输安全信息的模式。施工现场安全防护工作依旧采取人工防护和制度管理的方式[2]，管理也是主要靠各级管理者的现场常态化检查。现场安全防护人员通过目视的方法监控路用车的靠近，通过对讲电话、信号旗或信号灯、慢行揭示牌进行安全防护[3]。既有施工安全防护主要采用人防为主，缺少安全防护的智能化[4]手段，容易造成人身安全或者行车安全事故。

国内外很多学者和铁路局就施工安全防护进行了研究，如采用“故障导向安全”的策略，基于机车在线运行位置信息(LKJ 设备运行监测系统)和施工人员位置信息构建了施工安全防护系统[5]；按照“车对地、地对车、人车交互、双向预警”的思路，基于物联网技术，开发了施工安全综合防护系统，系统GIS为基础，承载呼叫中心、轨道车接近预警系统、施工关门防护系统、高铁通道门智能管理系统、工务生产管理系统、电务生产管理系统、供电生产管理系统等功能性系统[6]。上述研究均是在整合既有系统的基础上，通过新技术手段获取路用车接近信息，但对于施工防护人员和防护设备管理以及现场作业标准化流程管理，并未提出有效解决方法。

本文研发了基于北斗地基增强高精度定位技术[7]的智能安全防护设备；提出一种铁路营业线施工安全防护管理方法和系统，实现了施工现场作业前、中、后的全过程标准化、智能化管理；并在施工现场作业安全管理方面实现了业务流程再造和管理创新，有效提升施工安全管理整体水平。

1 系统整体框架

营业线施工智能安全防护系统主要基于人脸识别技术、北斗地基增强高精度定位技术、移动应用技术、GIS技术等新技术，实现对施工现场关键人员、智能防护设备、路用车、施工作业流程进行精细化、全过程管理。系统高精度(亚米级)采集路用车、安全防护设备、现场关键作业人员实时位置信息，提供车、地、人三方实时通信功能；同时对现场作业流程进行智能管控，实现现场作业标准化，以达到确保铁路施工作业人身及设备安全，确保铁路行车安全的目的。施工智能安全防护管理系统整体示意如图1所示。

图1 智能安全防护系统整体示意

2 系统流程安全策略

根据铁路技术管理规程[8]和现场作业流程，提出一种铁路营业线施工安全防护管理方法和系统，实现了施工现场作业前、中、后的全过程标准化、智能化卡控管理[9]，作业流程设计如图2所示。

图2 智能安全防护系统作业流程

2.1 防护员安全管控

施工现场作业中对施工单位的驻站联络员、现场防护员安全管控策略如下。

(1)系统通过人脸识别技术[10]核实到岗防护员的身份，确保到岗防护员具有上岗资质。

(2)系统通过北斗地基增强高精度定位技术确认驻站联络员到达车站行车室，现场防护员确认到达施工地点要求的防护位置，实现安全防护员到岗登记。

(3)系统在施工过程中实时记录安全防护员的轨迹，并建立电子围栏，实现安全防护员离岗预警。

2.2 防护设备安全管控

施工现场作业中对《铁路技术管理规程》(以下简称“技规”)要求摆放的防护标志/信号进行智能化管理，通过在防护标志/信号加装基于北斗地基增强高精度定位技术的智能安全防护设备，实现防护标志/信号智能化和亚米级高精度定位、数据上报和远程控制预警，具体安全管控策略如下。

(1)系统获取防护标志/信号高精度位置。

(2)系统根据施工地点的端点，计算防护距离[11]。

(3)系统根据施工地点、施工内容及防护距离，判断是否符合“技规”要求。如不符合要求，系统提示“技规”要求防护距离。

2.3 施工登记安全管控

系统只有在防护员安全管控和防护设备安全管控都符合要求的前提下，才允许施工单位进行施工登记，车站值班员才能向调度申请施工封锁命令。施工命令下达后，施工才能正式开始。

2.4 路用车接近安全管控

路用车通过工业PAD接收调度施工命令，确定天窗期间运行区间。路用车运行时，PAD上的地图实时显示路用车的高精度位置和速度，前方施工的防护设备位置和现场防护员的位置。PAD会根据系统设置的预警距离和路用车自身运行速度[12]，通过推演进行声光提醒和预警；同时系统也会将预警信息推送给智能防护设备相关关键人员。从而实现人车交互、双向预警安全防护。

3 系统设计与应用

3.1 系统架构设计

系统架构包括用户层、应用服务层、应用支撑层、数据传输层和身份识别及感知层，描述如下。

(1)用户层：用户使用互联网(3/4G网络)、内网完成业务处理、信息查询等，用户包括工区、工队、车站值班室、段技术室、段调度室、调度中心施工室、公司业务主管部门、公司主管副总以及外部施工单位施工负责人、现场防护员、驻站防护员等。

(2)应用服务层：为用户提供接入服务，负责客户请求的安全接入，并将请求提交至应用支撑层处理，将处理结果返回客户。

(3)应用支撑层：提供支撑应用系统的软硬件运行环境。包括数据库服务器、应用服务器、网络设备、操作系统、数据库软件、中间件、GIS地理信息系统、网络安全平台等。

(4)数据传输层：负责信息系统数据传输与信息交换。包括NB-IoT、3/4G、VPN和神朔内网。

(5)身份识别及感知层：通过人脸识别、防护设备、手机、北斗模块等自动采集防护人员、轨道上机车和路用车信息。

系统总体技术架构如图3所示。

图3 系统总体技术架构

3.2 系统功能

铁路营业线施工智能安全防护管理系统根据业务流程主要分为施工准备管理、安全防护管理、施工完成管理三大功能模块。这些功能模块规范施工现场作业流程，实现了施工现场作业过程的精细化、智能化和全过程管理[13]。施工智能安全防护管理系统功能如图4所示。

图4 智能安全防护系统功能模块

3.2.1 施工准备管理

(1)查看作业计划：施工负责人及防护员查看每天批准的日计划等信息；施工负责人派发日计划工单。

(2)施工预登记：驻站联络员根据批准的施工日计划，进行施工预登记。

(3)施工准备会：施工前，施工负责人组织召开施工准备会，对施工的流程步骤进行安排部署，强调安全重点等，上传现场开会图片及录入会议内容。

(4)驻站到岗登记：通过人脸识别和北斗/GPS定位功能，对驻站联络员进行身份核实并实时获取驻站防护员的位置信息[14]，判断驻站联络员是否本人到岗，来进行到岗登记。登记详细内容参考车站的驻站到岗登记簿。

(5)上道检查：上道前检查施工防护设备、人员是否齐全，对人员进行拍照，系统通过人脸识别技术及北斗/GPS定位功能，来识别照片中的上道人数、上道位置信息、上道时间等，并将信息通过水印的方式添加到照片上，照片上传到服务器保存。

(6)现场防护员到岗登记：通过人脸识别和北斗/GPS定位功能，对现场防护员进行身份核实并实时获取现场安全防护员的位置信息，判断现场安全防护员是否本人到达指定防护区域，来进行到岗登记。

(7)防护设备到位检查：通过日计划的施工地点信息及智能防护设备上的高精度北斗/GPS定位功能，来判断防护标志/信号是否放置到位，是否超出防护距离等。

3.2.2 施工安全防护管理

(1)登记确认：通过北斗/GPS定位功能来验证驻站联络员的位置信息是否在登销记车站；通过人脸识别技术来验证驻站联络员是不是本人来进行登记确认。

(2)防护人员盯控：通过北斗/GPS定位功能，实时获取现场防护员及驻站联络员的位置信息，根据预设的电子围栏判断现场防护员及驻站联络员是否远离防护现场等，并在系统上记录施工期间防护员的轨迹信息。

(3)来车预警：通过采集人员、防护设备、路用车的实时位置信息并上传，同时检查施工地点防护区间是否有路用车靠近[15]。如果有车辆靠近，系统给现场防护员、驻站联络员、车站值班员、路用车司机进行同步预警提醒。

(4)施工超限预警：通过北斗/GPS定位功能，实时获取现场防护员及施工负责人的位置信息，如超出施工地点范围，可提醒、预警现场防护员、施工负责人和车站值班员。

(5)施工超时预警：根据日计划中的施工时间及登销记时的施工封锁命令时间，提醒现场防护员、驻站联络员、值班员施工即将超时。

(6)施工进度确认：现场施工负责人根据日计划的施工内容及步骤，对现场施工的进度进行确认，并且在系统上实时显示此施工的进度情况。

(7)施工现场视频：通过安全防护设备上的视频摄像头，实时上传现场施工视频。相关人员可实时操控及查看现场施工视频，掌握现场施工情况。

3.2.3 施工完成管理

(1)施工销记：通过北斗/GPS定位功能来验证驻站联络员的位置信息是否在登销记车站；通过人脸识别技术来验证驻站联络员是不是本人来进行销记确认。

(2)下道检查：施工完成后，对施工现场进行拍照，上传到服务器，系统会根据图片信息，自动分析施工现场是否存在异物、防护设备及人员是否撤离等；同时对下道人员进行拍照，系统通过人脸识别技术及北斗/GPS定位功能，来识别照片中的下道人数、下道位置信息、下道时间等，将信息通过水印的方式添加到照片上，照片上传到服务器保存。同时通过照片比对技术，比对上道时的照片与下道时的照片中的人数是否相同。

(3)销记确认：通过北斗/GPS定位功能来验证驻站联络员的位置信息是否在登销记车站；通过人脸识别技术来验证驻站联络员是不是本人来进行销记确认。

(4)驻站离岗登记：登销记完成后，通过北斗/GPS定位功能，来进行离岗登记，系统记录驻站联络员的位置及时间信息等，离岗登记详细内容参考车站的驻站离岗登记簿。

3.3 系统实现及应用情况

3.3.1 智能安全防护设备

国家北斗地基增强系统是北斗卫星导航系统应用的一个重要组成部分[16]，是将卫星定位、计算机网络、数字通信等技术多方位结合，采用多基站网络RTK 技术建立的连续运行基准参考站系统(CORS)，为相关应用提供高精度的静态和动态的空间位置服务[17]，以满足基础测绘、交通运输管理、环保监测、滑坡监测、建筑物沉降变形监测[18]、移动目标监测应用等领域的需要。

本系统研究的智能安全防护设备就是采用国家北斗地基增强系统提供的高精度亚米级的定位服务来实现站场内的股道、信号机、道岔等相关设备和区间上下行股道[19-20]等施工地点的精准定位。基本原理如下：智能安全防护设备通过接收卫星信号，获得所在地点的粗位置数据(非精准)，通过互联网，将这个位置数据(GGA)上传到国家北斗地基增强平台，一同上传的还有Ntrip协议参数。平台获得粗位置数据后，通过互联网下播所在位置的差分数据。这个时候需用到安全防护设备自带的差分解算功能，结合原始观测值和差分数据，进行解算，实现纠偏，来获取高精度的位置坐标[21]。

本系统研究了两款智能安全防护设备，一款带有摄像头，支持4G通讯，支持现场视频实时采集；另一款低功耗，支持GPRS。两款设备都内置GNSS高精度定位模组和RTK算法，通过国家北斗地基增强系统提供的加速定位服务，在现场环境下3～5 s即可获得高精度定位固定解。同时支持在无网络信号区域，待2G信号恢复后，定位数据自动补传。定位数据上传频率设置为在开机后3 min内每20 s一次，以后是每5 min一次，满足整个系统及时性、安全性和可靠性要求。两款智能设备具体外观如图5所示。

图5 两款智能安全防护设备

3.3.2 系统技术架构

施工智能安全防护管理系统技术架构采用集中式架构，提供网站、手机APP等多种接入渠道；围绕微服务治理体系，依托分布式消息服务、分布式应用部署、数据库集群等中间件，打造“强平台，富组件”的集成架构应用；利用SpringBoot、SpringCloud微服务架构体系形成本系统统一应用框架；定义标准开发测试规范、版本管理规范；基于统一PaaS平台构建持续集成、持续测试、持续发布、持续改进的自动化交付机制。

3.3.3 系统应用情况

系统自2019年12月1日正式在神华包神铁路集团神朔铁路推广试运行，中间经过几次优化调整，目前完全满足神朔铁路营业线施工安全防护管理的需求，达到了提质增效的预期效果。部分功能界面如图6、图7所示。

图6 施工安全防护管理监控界面

图7 驻站联络员、现场防护员到岗登记APP界面

4 结语

(1)本研究创新了一种铁路施工防护方法、服务器和铁路施工防护系统(发明专利公开号：CN110682941A)；创新了一种自轮运转特种设备的运行方法、装置、设备和存储介质(发明专利公开号：CN111319656A)；研发了两款智能安全防护设备；实现了物联网技术在铁路施工领域的应用创新，实现了业务流程再造、安全管理创新和应用模式创新。

(2)神朔铁路隧道较多，长距离隧道内部对北斗定位和数据传输影响较大，下一步重点研究隧道施工的安全防护措施和手段，进一步增强铁路施工作业工作的安全性、可靠性、可控性，提高铁路施工工作的质量，有效降低人员伤亡事故发生率，保障铁路运输的安全有序运营。