朔黄铁路中间站安全智慧管控系统的研究与应用

Research and Application of Intelligent Safety Management and Control System for Intermediate Station of Shuozhou-Huanghua Heavy Haul Railway

摘要

智慧中间站建设是提升朔黄铁路效能与安全管控水平的重要手段。针对朔黄铁路中间站智慧化建设面临的问题和业务需求，提出朔黄铁路中间站安全智慧管控系统的架构与功能。以物联网、北斗高精定位、图像识别、智能优化算法、人因工程等技术与方法为基础，建构智慧生产子系统、智慧施工子系统、智慧安全管控子系统和智慧人员管控子系统共4个子系统及23个模块组成的重载铁路车站安全智慧管控系统，并提出了电子沙盘呈现技术、施工平衡及日计划检测技术、作业心理适应性测评技术和岗前及在岗安全监测数据采集与分析技术等4项关键技术的实现方法。朔黄铁路中间站安全智慧管控系统的研究与应用，进一步促进了智慧重载铁路规范标准体系建设和应用水平的提升。

Abstract

The construction of smart intermediate stations is an important method to improve the efficiency and safety control level of the Shuozhou-Huanghua Heavy Haul Railway. Aiming at the problems and business requirements faced by the intelligence of the intermediate station of Shuozhou-Huanghua Railway, the architecture and functions of the intelligent safety management and control system for heavy haul railway stations were proposed. Based on technologies and methods such as the Internet of Things, Beidou high-precision positioning, image recognition, intelligent optimization algorithms, and human factors engineering, an intelligent safety management and control system for heavy haul railway stations has been constructed, which consists of 4 subsystems and 23 modules, including intelligent production subsystem, intelligent construction subsystem, intelligent safety management and control subsystem, and intelligent personnel management and control subsystem. This paper put forward 4 implementation methods of key technologies, namely, electronic sand table presentation technology, construction balance and daily plan detection technology, operation psychological adaptability evaluation technology and pre-job and on-job safety monitoring data collection and analysis technology. The research and application of the intelligent safety management and control system for the intermediate station of the Shuozhou-Huanghua Heavy Haul Railway has promoted the construction and application level of the intelligent heavy haul railway standard system.

Graphical abstract

关键词

重载铁路 / 中间站 / 安全智慧管控系统 / 架构设计 / 功能设计

Key words

Heavy Haul Railway / Intermediate Station / Intelligent Safety Control System / Architecture Design / Functional Design

0　引言

进入21世纪以来，基于移动互联网、大数据、云计算、物联网和人工智能等高新技术的突破和融合发展，传统行业陆续开启了改造既有生产组织方式的进程^[1]，重载铁路运输也面临着效率提升与安全泛在的挑战^[2-4]。面向重载铁路的智能检测、智能运维、智能安防、智能控制和智能调度，已逐步成为其发展的重要方向^[5]。

基于我国重载铁路的发展需求和人工智能等新技术的运用，既有研究提出了重载铁路的智慧化发展战略及体系框架等，主要有：丁茂廷^[6]提出保障列车运行安全、增强线路运输能力、提升一体化运输效率、提高创新驱动水平等重载运输技术发展的主攻方向和重点任务；雷建军^[7]构想了智慧神朔铁路(大柳塔—朔州)建设的总体架构，从下至上划分为基础感知、智能传输、数据资源、智能决策、智能应用5个层级；宋宗莹等^[8]给出了智慧重载铁路的定义，提出了智慧重载铁路系统框架及重点建设内容；徐咏梅^[9]和段蕴桔等^[10]设计并实现黄骅港智能调度与控制系统运行维护平台，提出了集成开发、实时监控、大数据分析和数据可视化等关键技术；宋宗莹等^[11]设计智慧车站的智能化基础平台、车站智慧大脑、智能业务系统、智能管理系统4个层次的功能；田葆栓等^[12-14]结合我国特有的国情、路情，提出“高服务、高安全、高效率”的我国重载铁路智能化运输系统的发展建议；边利平等^[15]从智能装备、智能运营、智能运维和智能安全管理专业领域，设计智慧重载铁路技术标准体系架构。

既有研究对重载铁路相关智能系统已进行内容架构的阐述和理论分析，但针对性的技术方案设计和实际应用论证存在不足。国能朔黄铁路发展有限责任公司(以下简称“朔黄铁路公司”)作为重载铁路运输核心企业，以“运输生产智能化、运营管理智能化、决策分析智慧化”为目标，针对中间站运输组织条件复杂、实行各工种集中管理、结合部多和信息交互复杂等问题，开展智慧化转型与创新，不仅在战略层面契合我国交通发展政策，也在执行层面能够为智慧铁路技术体系提供工程实践与验证平台。

1　朔黄铁路中间站管理存在的问题

由于重载铁路列车编组数量较大，重载铁路完成相同的到发、调车、装卸等作业的耗时及复杂程度与普通列车相比均明显增加，同时车站站坪长度的延长也使作业人员走行距离更长，车站管理难度更大，影响安全与效率的主要问题表现在接发车作业、调车作业、施工管理、安全管控和人员管理5个方面。

1.1　接发车作业

在室外作业时受工作环境和安全规定的限制，仅能观察单列或单侧列车情况，存在漏检、误检风险；接发车作业中，突发事件类型多且处置流程不尽相同，应急处置多依赖值班员的工作经验，易存在安全隐患；遇分路不良时，需至室外现场确认实际情况，使得处置效率不高，可能影响安全；在交接班时缺乏交接过程卡控与记录，无法回溯查看，不利于事后分析和精准管理；生产指标、设备台账、车辆等信息较为分散，不便于使用，影响作业效率等。

1.2　调车作业

车站值班员与调车长核对作业内容后，需要将调车作业计划一式五份，以人工形式传递给司机、连接员等，效率较低；调机运行需要依赖调车员扒车观察播报来控制车速、车距，耗费人力，影响作业效率，存在安全隐患；行车室仅依赖调车组反馈现场情况，对调车作业进度无法实时掌握，影响值班员对接发车列车计划的安排等。

1.3　施工管理

目前施工计划依赖人工手动调试完成，作业效率低下，很难实现最优化平衡，易对施工组织、运输组织和作业安全造成影响；既有综合调度系统虽能规避日计划中的基础错误，但仍需耗费大量人力审核安全卡控、施工影响范围等内容；施工天窗前、后，车站行车组织、施工组织均无法直观可视化推演，依赖管理者判断是否存在安全管理疏漏等；车站管理人员无法掌握施工作业现场防护情况，对施工上岗资质缺乏有效管理，现场可能存在人员超龄等问题；缺少对施工经验的系统总结和对施工组织方案的存档等。

1.4　安全管控

车站关键物资如紧固器、脱轨器、铁鞋等，存在备品数量、设备位置不明或设备丢失等问题；对作业人员不按规定路径走行、越过安全作业区域等情况无法及时监控；无法精准掌握对行车室、调车室、防溜设置点等关键区域巡检情况；防溜铁鞋的放置、撤除位置，因远离车站值班室而难以有效管控，铁鞋放置后是否失效(如被偷、掉落等)依赖于定期巡检等。

1.5　人员管理

既有行车人员管理模式下，由于各职能部门侧重点不同，导致人员岗位技能数据和安全数据分散，不利于对行车人员信息的综合管理；对于值班员等关键岗位人员，缺乏入职选拔与定期测评技术；对于在岗人员，缺乏有效的岗前检测和实时监测手段，不利于安全问题预先干预和人员精准管理。

2　朔黄铁路中间站安全智慧管控系统构建

朔黄铁路(神池南—黄骅港)中间站在安全和效率管理方面亟需向精细化方向发展，在车务作业、施工作业、安全监控和人员管理方面存在着智慧化技术支持与管控应用的巨大需求。朔黄铁路中间站安全智慧管控系统，在功能上需要满足智能感知、智能互联、智能计算、智能控制及智能管理等需求，并以建立安全运行与监管体系、优化运营与运维策略为目标，使其能适应重载铁路车站管理智慧化的发展趋势，推动车站管理向科学化、精准化方向转变。

2.1　建设目标

按照国家能源投资集团有限责任公司“一个目标、三型五化、七个一流”和“加快数字转型、推进智慧运输”的整体战略，以“减员、降本、增效、安全”为目标，围绕朔黄铁路中间站运输生产组织全过程，针对其安全管控的具体需求，在各类生产、安全关联信息共享基础上，利用物联网、北斗高精定位、图像识别、智能优化算法、人因工程等理论技术与方法，从智慧生产、智慧施工、智慧安全、智慧人员管理4个维度，构建“一体化集中管控、智能化高效协同、可视化高度融合”的朔黄铁路中间站智慧安全管控系统，全面提升重载铁路中间站的安全管控、安全生产智慧化水平，实现中间站生产力的优化布局与提升。

2.2　系统软硬件总体设计

目前车站生产过程数据主要分布于综合调度系统、调度集中系统(CTC)等信息系统，与设备管理单位间多依赖电话、登销记簿册等进行沟通及会签，缺乏基于专业联合、故障处理、施工组织等方面的可视化综合信息平台。因此，智慧中间站以两站一区间模式，通过搭建朔黄铁路中间站安全智慧管控系统，开展系统建设实例与系统设计。朔黄铁路中间站安全智慧管控系统如图1所示，朔黄铁路中间站安全智慧管控系统硬件架构如图2所示。

3　系统构成及功能设计

3.1　系统总体架构

朔黄铁路中间站安全智慧管控系统包括用户层、应用层、业务支撑层、数据资源层和数据采集层共5个层次，其中关键子系统分别为智慧生产子系统、智慧施工子系统、智慧安全管控子系统和智慧人员管控子系统共4个子系统、23个模块。朔黄铁路中间站安全智慧管控系统总体架构如图3所示。

3.2　智慧生产子系统

改善中间站行车作业环境，全过程、全方位监控调车作业，提供突发应急情况下的辅助决策，动态分析与评价车站生产状况，实现中间站高效作业和安全指挥。具体包括以下功能模块。

（1）行车综合信息模块。贯通列车运行、设备维修、统计、气象等多部门、跨工种的综合信息平台，为车站运输生产指挥提供实时、完备的决策支持信息。

（2）分路不良视频监控模块。通过站场内加装摄像头结合图像智能识别技术，实现分路不良区域实时监控、存在安全风险时自动预警，能够减少人工确认成本，进一步保障行车安全。

（3）交接班管理模块。结合录音/录像设备，运用语音识别技术等，建设软硬件结合交接班系统，辅助完成交接班、记录交接班过程，实现历史回溯查看、贯彻交接班制度，减少因交接班产生的次生安全隐患。

（4）调车作业辅助模块。采用辅助调车移动设备、调车员配备作业实时监控设备，使调车司机不依赖调车员播报可直观掌握车距车速等信息、值班员可实时掌握调车作业进度，可提升调车作业效率、保障作业安全、提高轨道使用效率。

（5）应急处置辅助决策模块。依据车务相关规章制度，分别构建各种突发应急类型的处置方案库，根据车站实时态势，自动生成相应的处置流程，为车站值班员提供辅助决策。

（6）统计分析及评价模块。基于接发列车、调车等作业的生产结果，建立“客观、全面、科学”的车站作业评价指标体系，如设备利用率、作业时间、运量、现在车分布、装卸情况等，根据各部门需求自动生成相应报表，并及时反馈运输生产中的问题，实现精准指挥。

3.3　智慧施工子系统

基于GIS地理信息、三维虚拟仿真、无线通信及物联网等技术，并结合深度学习、机器学习等算法，建设车站智慧施工平台。具体包括以下功能模块。

（1）三维电子沙盘模块。建设集遥感、地理信息、虚拟现实等于一体的施工电子沙盘，将施工文本信息与GIS地理信息相结合，直观展示施工相关信息。

（2）施工推演模块。基于填报的施工登销记内容、行车安全措施、注意事项等重点卡控项目，系统自动根据施工类型对填报内容进行规范性检查，相关人员根据施工进程逐项确认每项卡控内容，确保现场施工作业全过程安全监督。

（3）施工平衡模块。整合施工时间、空间、资源信息，针对提报施工计划中施工时间、施工范围等信息，通过施工平台分析服务，实现时间、空间、资源冲突检测和消解。

（4）施工全过程视频监控模块。现场施工作业时配备视频监控设备、GPS定位设备、双向语音通话设备等，实时采集现场视频并回传至车站指挥中心，实现施工全过程监控。

（5）施工资质管理模块。建立关键施工人员电子履历，施工上岗前采集当次施工的作业人员信息，对作业人员进行岗前资质核对，并根据施工组织方案的内容和等级，进行上岗资质筛查，及时干预不符合岗位资质的作业人员，规避安全隐患。

（6）施工防护模块。研制可移动电子栅栏，在施工作业现场搭建区域电子限界，为关键施工作业人员配备高精度GPS定位等设备，利用移动通信技术对擅自出入电子限界人员、机具、列车接近施工区域设计超时、超范围等施工声光预警。

3.4　智慧安全管控系统

结合物联网与人工智能算法等新技术，构建车站值班室进入权限、关键位置巡检作业、重点设备数量及位置管控的智慧安全管控方案，实现巡检管控、物资管控、区域预警等安全管控业务应用。具体包括以下功能模块。

（1）人员安全监管模块。采集作业人员生物特征数据并标注各类人员身份信息，分配人员准入权限，自动识别进入作业场所人员生物特征并核实权限，自动检测非法进入人员，并自动跟踪及预警。

（2）巡检精准管控模块。车站管理人员需定期对行车室、调车室、防溜设置点等区域进行巡检，以检查车站作业安全隐患。结合RFID、生物识别等技术建设巡检信息系统，落实日常巡检工作保障作业安全。

（3）车站物资实时管理模块。建立车站关键作业器具设备台账，将移动通信、传感器技术应用于车站物资跟踪定位。

（4）现场关键区域预警模块。建立电子栅栏，实现对接近关键区域的列车、调机、社会车辆等超限入侵发出预警。

（5）车辆防溜监管模块。基于电子铁鞋或改进电子铁鞋，采用无线射频等技术，实现对在站停留车辆防溜、待发列车撤除铁鞋的精准管控。

3.5　智慧人员管控子系统

围绕中间站作业人员的全职业周期，从作业安全适应性角度出发，结合车站作业特点，实现中间站作业人员从入职筛选、定期检测、岗前快速检测以及在岗状态实时监测的全过程、全方位人员管控，采用人因大数据技术分析工作绩效与作业安全性，构建中间站作业人员全职业周期的管控方案，为运输生产提供全过程、全方位的管控技术支撑。具体包括以下功能模块。

（1）作业心理适应性模块。用于关键岗人员作业心理适应性选拔及定期测评，根据铁路关键岗位相关人员作业安全适应性的主要生理、心理以及知识技能因素，搭建涵盖18项测试项目的基础能力测试系统，构建基础能力测试项目库。

（2）人员信息管理模块。从人事档案、生理健康、知识技能掌握情况、心理状态、认知能力水平和应急处置评估能力6个方面全方位展示作业人员信息。

（3）岗前状态安全性检测模块。结合人因工程学方法，针对短期内易波动的心理状态和容易受个人状态影响的关键认知能力，构建岗前状态快速检测方法，并基于累积数据和岗位特点确定动态阈值，对存在作业安全适应性隐患的人员提前预警并进行干预。

（4）在岗状态安全实时监测模块。通过可穿戴设备和外周设备实时采集作业人员的脑电、心电、脉搏、眼动、面部表情等数据，结合深度学习算法构建作业人员在岗状态监测模型，实现在岗人员的情绪、疲劳以及工作负荷的动态监测。

（5）工作绩效与安全性分析模块。基于车站作业人员的生产绩效与安全适应性测评、实训考核、生理监测等数据，进行人因大数据挖掘，探究个人因素与工作绩效的关系。

（6）车站仿真实训模块。基于现场采用的车站行车组织系统，围绕突发应急情况下的行车组织，从重载铁路操作设备类型维度、行车指挥系统构成维度、专业知识类型维度、知识难易维度、突发应急类型维度，构建车站值班员所需的知识技能谱矩阵，将其内容由易到难分解为单操、联动多操、应急场景3个层级，通过教学、训练和考核等方式以提升车站值班员作业技能。同时，还需具备接入多工种组织联合演练的功能，能够实现车站值班员与调度、司机等仿真实训系统互联互通，完成行车关键岗位多工种联合演练。

4　系统关键技术

为实现朔黄铁路中间站安全智慧管控系统的高效运行，需以人工智能、大数据、人工智能物联网(AIoT)和北斗定位等新技术的支持，重点研究电子沙盘呈现技术、施工平衡及日计划检测技术、作业心理适应性测评技术、岗前及在岗安全监测数据采集与分析技术共4项关键技术。

4.1　电子沙盘呈现技术

电子沙盘呈现技术的应用，是建成以各中间站为中心的一站两区间三维电子沙盘(含铁路运输及相关地理信息，如公里标、上下行、轨道长等)，在三维电子沙盘中实现施工日常管理工作。

对施工人员、列车(轨道车)、接触网、信号机、轨道、道岔等设备进行三维建模，以此做为三维电子沙盘(一站两区间)的基本元素。在此基础平台之上，构建6项功能模块：施工计划平衡、施工日计划检测、沙盘推演、施工资质管理、施工安全防护、施工总结。其中施工计划平衡模块，提供施工计划录入功能，从综合调度系统获取施工月计划，在周例会时施工计划自动平衡并检测与月计划的冲突；施工日计划检测模块，自动检测施工日计划作业内容、安全卡控措施、施工影响是否准确；沙盘推演模块，对施工日计划(时间、地点、限速等信息)推演，以及天窗行车组织推演；施工资质管理模块，施工单位自主管理施工人员及岗位资质，组织施工时自动审核施工队伍资质条件；施工安全防护模块，通过电子栅栏、施工作业人员北斗定位，接入视频监控等建设安全防护措施；施工总结模块，建立施工经验库，总结经验教训等，为下次施工组织提供参考。以一站两区间形式建构三维电子沙盘如图4所示。

4.2　施工平衡及日计划检测技术

施工平衡及日计划检测技术用于平衡施工计划的各类可能存在的冲突，并基于施工计划的性质提出合理的施工组织方案。

基于深度学习及机器学习算法技术，对不同种类的施工计划，构建标准化模板。利用模板提报施工计划后，采用文本对比技术和时空分析技术自动检查错误、消解冲突。以该技术为支撑的施工平衡及日计划检测模块由输入层、模型层、算法层和输出层构成，针对各施工单位提报的天窗作业周计划和重点计划，经比对处理和时空分析进行冲突消解，最终输出可行的施工作业组织方案。施工平衡及日计划检测模块构成如图5所示。

4.3　作业心理适应性测评技术

作业心理适应性测评技术用于分析关键岗位人员的工作能力，对其作业适应性及心理状态水平进行评估和干预。

首先，会同相关管理人员、专家型工作人员(车站值班员、助理值班员、调车长、连结员等)，针对铁路关键岗位人员作业方式特点，确定诱发各岗位人员作业风险的因素。结合上述因素，确定铁路关键岗位人员作业心理适应性测评指标体系，搭建涵盖18项测试项目的基础能力测试系统，涉及心理稳定性、性格特征、心理健康水平、作业认知能力4方面，包含情景认知、基本认知能力、作业心理品质与健康3个基础能力测试项目库，以及持续性注意、注意广度、心理旋转、视觉搜索、多目标追踪、风险决策、工作记忆、认知灵活性、任务切换、数字工作记忆、判断抑制、空间工作记忆等模块。其次，结合人因工程学相关理论方法，在自主开发心理类指标测试设备的基础上，依托仿真平台，确定作业心理适应性定量化测评方法。基于人因工程大数据挖掘技术，分析确定铁路关键岗位人员作业心理适应性测评指标阈值标准，针对各测评指标的实际意义，结合行业的相关管理制度、规章文电、职教方法，运用人因工程学相关原理方法，针对铁路关键岗位人员存在的作业风险，研究提出相应的风险干预训练措施。最后，依据提出的铁路关键岗位人员作业心理适应性测评技术方法，以及铁路关键岗位人员作业风险的干预训练方法，实现对车站人员作业适应性及心理状态水平进行评估。作业心理适应性测评技术路线如图6所示。

4.4　岗前及在岗安全监测数据采集与分析技术

岗前及在岗安全监测数据采集与分析技术是基于对作业人员的监测数据，对其行为状态进行建模，实现作业风险研判及识别预警，辅助管理人员事前干预，以便消除安全隐患。

利用穿戴设备和外周设备实时采集作业人员的脑电、心电、脉搏、眼动、面部表情等数据。基于岗前、在岗安全检测设备的数据进行分析，结合各项数据指标对作业人员行为状态建模分析。利用各通道数据，分别构建车站人员的疲劳、负荷和情绪监测模型，实现作业风险研判及识别预警，辅助管理人员事前干消除安全隐患。模型构建时，将不同路信号分别输入长短记忆神经网络(Long Short-Term Memory，LSTM)模型。岗前及在岗安全监测数据采集与分析方法如图7所示。

5　系统应用效果

朔黄铁路中间站安全智慧管控系统，以原平南站为实例开展示范应用研究，该系统能够实现朔黄铁路车站工作组织的一体化、自动化和智能化、管理精细化、信息可视化，从人员、生产、培训、信息等多维度有效提升朔黄铁路车站工作组织效能。按照智慧化装备应用情况和智慧管控环节所占全部业务的比例，原平南车站应用该安全智慧管控系统后，所能实现的智能化应用程度如表1所示。

在直接经济效益方面，有以下4方面的提升：①助理值班员岗位的人力成本降低50%；②每项作业每次平均节约3 min，效率提升30%；③减少人工传递信息和人工现场核对的时间达到90%以上；④车站仿真实训系统单次培训人数由原有的30人/教室增加至300人/教室，实训环节实现100%作业过程全覆盖，教学、实训和考核实现100%全覆盖，增设的线上学习环节可实现职工培训的全日各时段覆盖和灵活调整。

在安全效益方面，实现了作业环节，培训、考核和监测环节，安全卡控环节，以及决策支持环节的100%全覆盖。

在社会效益与推广价值方面，系统可直接运用于朔黄铁路中间站相关作业、培训、人员、生产、管理等方面，在此过程中形成成套智慧生产、智慧施工、智慧安全管控、智慧人员管控理论、技术、方法与平台，形成中间站智慧化规范标准建设体系，特别是在管理与服务标准、智能运营标准和基础平台标准等方面有助于填补现行标准体系的空白，完善我国智慧重载铁路规范标准体系建设，打造朔黄铁路良好社会形象，提升社会影响力。

6　结束语

针对朔黄铁路中间站精细化管理所面临的问题、智慧化需求和智能化应用场景，设计朔黄铁路中间站安全智慧管控系统的总体构架、关键子系统及其功能模块，提出了电子沙盘呈现等关键技术，并配置相应方案，能够快速提升朔黄铁路车站作业质量及各类生产力资源的利用效率，进一步提升中间站的科学化管理水平，对我国重载铁路的智慧化发展具有重要参考价值和推广意义。同时，该系统的建成运行，将会持续产生有关各类设备和人员的大量监测数据，未来可进一步研究和挖掘以数据驱动为核心的数据价值，更好促进智慧化重载铁路中间站的管理实践。

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基金资助

国能朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司科技创新项目(SHYP-22-01)