基于TDCS的车站行车作业安全辅助系统设计与开发应用

Design and Development of Safety Assistance System for Station Driving Operations Based on TDCS

摘要

针对铁路TDCS区段联锁设备作业效率低、设备老化及人为操作失误带来的行车安全风险及隐患，以兰州局集团公司固原车务段为例，设计研究基于TDCS的车站行车作业安全辅助系统。该系统通过TDCS显示数据采集技术及智能识别技术，同时结合行车作业信息管理子系统实现行车作业核心安全报警和设备故障自动报警功能，包括旅客列车错办进路报警、列车进入封锁区间报警、设备故障监测报警等功能，有助于提升TDCS区段行车作业安全性，为设备落后、改造成本有限的线路提供解决方案，为车站行车作业安全系统开发提供参考。

Abstract

To address the operational safety risks and hazards caused by low efficiency, equipment aging, and human errors in interlocking systems within railway TDCS sections, this study took the Guyuan Depot of China Railway Lanzhou Bureau Group Co., Ltd. as a case study and designed a safety assistance system for station driving operations based on TDCS. The system integrated TDCS display data acquisition technology, intelligent recognition technology, and a driving operation information management subsystem to achieve core safety alarms and automated equipment fault alerts. Key functionalities included alarms for incorrect routing of passenger trains, warnings for trains entering restricted zones, and equipment fault monitoring and alarming. This system enhanced driving operation safety in TDCS sections, provided solutions for lines with outdated equipment and limited renovation costs, and offered a reference for developing driving operation safety systems in railway station operations.

Graphical abstract

关键词

TDCS / 车站行车作业 / 安全辅助系统 / 自动报警 / YOLOv8算法

Key words

TDCS / Station Driving Operation / Safety Assistance System / Automatic Alarm / YOLOv8 Algorithm

0　引言

随着时代高速发展，社会对铁路运输安全提出更高的要求，铁路行车作业安全成为运输生产的重要因素。目前，调度集中系统(CTC)是保证铁路运输安全和效率的有效手段，普遍用于我国高速铁路和部分普速铁路，但仍存在较多普速铁路线路未能实现引入CTC系统。此类线路由于各方面因素短时间内不具备引入CTC系统的条件，行车作业安全卡控手段相对原始，对人员素质的依赖性较大，作业人员连续工作时间长、工作负荷大，存在较高的安全隐患，逐步成为铁路运输安全管理短板。因此，亟需开发一种以低成本改造为前提，同时具备行车作业安全防护功能的系统，减轻对人员素质的过度依赖，降低行车作业安全风险和隐患。

国内外学者有关行车系统安全研究的成果，主要集中于调度策略优化^[1-3]、占用丢失报警^[4-6]、误报警分析^[7-8]、列车调度指挥系统(TDCS)/CTC系统^[9-10]等方面。为实现行车安全防护功能，本研究以中国铁路兰州局集团有限公司(以下简称“兰州局集团公司”)固原车务段固原站为应用场景进行设计及开发，针对TDCS区段影响车站行车作业安全的因素开展研究，研发基于TDCS的车站行车作业安全辅助系统(以下简称“车站行车安全辅助系统”)，该系统通过图像智能识别和自动报警，有效识别行车作业安全隐患并报警提示^[11-12]。这一平台体系为铁路TDCS区段实现类似CTC系统的安全防护功能提供一种相对经济有效的选择，提升了TDCS区段车站行车作业安全管理水平。

1　系统设计

1.1　系统整体需求设计

影响TDCS区段车站行车作业安全的因素主要包含3个方面，一是人为操作因素，二是设备故障因素，三是行车信息有效性因素。针对上述影响因素，系统功能需求对应分为3个模块，分别为车站行车作业核心安全报警功能、设备故障自动报警功能及行车作业信息管理功能。

系统通过单向采集TDCS设备的显示信息图像，使用图像识别技术识别设备故障信息和人工操作失误信息，并实现自动报警提示，降低行车作业安全风险及隐患^[13-14]。此外，系统必须在出现报警情况时，立即进行图像和语音报警提示，以便迅速采取应急措施，防止事故扩大。

1.2　行车作业核心安全及设备故障自动报警

1.2.1　行车作业核心安全报警

行车作业核心安全报警为针对人员操作失误导致行车安全隐患的情形。在铁路TDCS区段，人为因素导致的行车作业安全隐患主要包括旅客列车错办进路、旅客列车错办方向、电力机车进入无电区、向封锁区间(线路)接发列车、不具备发车条件发车等情形，针对上述情形设计报警功能。

（1）旅客列车错办进路。对于旅客列车错办进路情况，系统需识别出旅客列车并在旅客列车错办进路时进行报警。例如，固原站仅有Ⅰ道、Ⅱ道和3道具备接入旅客列车条件，如对某次旅客列车开放上述股道以外的接车信号，系统将发出报警提示。

（2）旅客列车错办方向。对于旅客列车错办方向情况，系统需识别出旅客列车及其车次方向，判断其计划发车方向，列车出站信号开放后，识别信号开放方向，并与计划方向对比，对比结果一致时不报警，反之则报警提示。旅客列车错办方向报警提示逻辑图如图1所示。

（3）电力机车进入无电区。对于电力机车进入无电区情况，除站场中的固定无电区外，系统可人工设定临时停电区，系统需识别出电力机车，当为电力机车向无电区域开放信号时发出报警。

（4）向封锁区间(线路)办理接发车。对于向封锁区间(线路)办理接发车情况，系统可人工设定临时封锁区域，当系统识别存在向封锁区域开放的信号时，系统报警提示。

（5）不具备发车条件发车。对于不具备发车条件发车情况，系统通过电子占线板确认待发列车各项作业是否完成，若全部作业完成，系统认为该次列车具备发车条件；若未完成全部作业内容但相应股道列车开放出站信号，则系统报警提示。不具备发车条件发车报警提示逻辑图如图2所示。

1.2.2　设备故障自动报警

设备故障自动报警指因行车设备故障导致行车安全隐患的情形，在铁路TDCS区段，常见可能导致行车安全隐患的设备故障情形主要包括信号突变、闭塞表示灯故障(半自动闭塞区段)、列车占用丢失、轨道电路非正常占用、道岔失表等，针对上述情形设计报警功能。

（1）信号突变。对于信号突变情况，系统监测信号机颜色变化，同时结合信号机相邻轨道电路红光带变化逻辑判断信号为正常变化或异常突变，并对信号异常突变情况进行报警。

（2）闭塞表示灯故障。对于闭塞表示灯故障情况，系统通过识别闭塞表示灯的颜色与对应区间轨道电路列车占用情况是否匹配，及时识别异常显示，并报警提示。

（3）列车占用丢失。对于列车占用丢失情况，系统通过判断轨道电路红光带变化逻辑规则的合理性判断光带为正常熄灭或列车占用丢失故障，若为列车占用丢失，则进行报警提示。

（4）轨道电路非正常占用。对于轨道电路非正常占用情况，系统监测轨道电路红光带变化连续性，通过逻辑判断，识别轨道电路非正常占用状态，并根据故障现象发出报警提示。

（5）道岔失表。对于道岔失表情况，系统利用图像识别技术识别道岔的失表状态并计算其持续时间，为降低误报警率，经现场试验计算后得出道岔失表状态持续时间阈值，在系统中设定阈值，失表状态超过设定阈值后发出警报。

1.3　数据采集及识别

1.3.1　TDCS设备显示数据采集技术

获取TDCS系统显示图像的方法有2种，一是使用摄像头实时拍摄站场图终端显示器屏幕，但受环境影响较大，图像质量低且稳定较差，不建议采用；二是通过录屏器从显卡输出端采集图像，稳定性和清晰度较高，同时通过防火墙与电务系统隔离，保证网络信息安全。本系统采用第2种方案。

1.3.2　TDCS设备显示数据智能识别技术

TDCS设备的显示数据智能识别技术采用YOLOv8算法进行小目标检测。YOLOv8算法将图像分割成网格，并预测每个网格内的边界框和物体类别，处理像素小于32×32的目标。与前代版本相比，YOLOv8优化网络结构和特征处理，并加入C2f结构和解耦头设计，提升特征融合能力和检测精度的同时简化网络结构，以提高实时性能。

YOLOv8的网络结构分为3个部分：Backbone网络、Neck网络和Head检测层。Backbone网络包括卷积模块(CBS)、特征提取模块(C2F)和空间金字塔池化模块(SPPF)，用于提取特征和加快推理速度。Neck网络通过特征金字塔网络和路径聚合网络融合不同阶段和尺度的特征图。Head检测层采用Anchor-Free结构和解耦头设计，提高检测精度和灵活性。

2　系统架构

2.1　系统组成及结构

为保证车务段指挥中心获取各站非正常报警信息的及时性，本系统需构造为“段中心-车站”互联的完整体系。系统应包含3个子系统，分别为后台服务器子系统、车站辅助作业终端及视频采集终端，通过铁路办公局域网将3个子系统互通。后期结合沿线车站的推广建设，将各车站作业终端全部接入段中心服务器系统，从而实现段中心与车站完整体系的非正常作业辅助系统。系统结构如图3所示。

2.2　系统网络结构及使用要求

2.2.1　系统网络结构

为保证在数据采集与处理的同时确保铁路网络信息安全，系统采用通过录屏器从显卡输出采集TDCS图像，录屏器连接在主机的视频线和显示器之间，实时编码TDCS显示的图像，显卡输出的DVI数字信号经过录屏器编码后，通过局域网传输到客户端系统，实现对TDCS系统实时站场图像的采集。采集过程中本系统与铁路电务网络无交互，且电务终端设有网络防火墙，确保本系统与铁路电务系统物理隔离。系统接入方案网络拓扑图如图4所示。

2.2.2　系统使用要求

为保证图像采集稳定性，系统在使用期间，禁止操作视频输出电脑，复视终端需保持全屏显示场站示意图及站间透明信息；软件运行后，复视终端需全屏锁定显示在最顶层，不得被其他窗口覆盖；股道区段的颜色设置应与行车室车站值班员系统一致；联网失败时，复示终端应显示静态股道区段，确保图像持续显示。

2.3　各子系统功能要求

2.3.1　服务器系统

服务器系统安装于车务段指挥中心信息机房，内含大容量网络存储，为全段各车站作业提供数据支持服务。系统软件配置要求操作系统为Ubuntu18.04及以上，并安装数据库及编程软件等，后续根据实际需要可动态配置其他软件。

2.3.2　车站辅助作业终端

车站辅助作业终端安装在车站运转室，为值班员提供非正常作业的辅助操作界面。其主要功能包括：①电子占线板功能，以股道视图方式显示和设置站存车、防溜、列车技术作业状态；②计划管理功能，支持施工计划的上传和添加，并显示和设置施工区域封锁、接触网停电等状态；③非正常情况预警，自动采集TDCS数据，通过实时图像识别股道、信号灯、道岔等元素的颜色变化，通过系统计算判断，实现预警提示。

2.3.3　视频采集终端

视频采集终端安装于车务段指挥中心，系统通过录屏器获取TDCS系统的视频输出信息，实时编码后发送至视频识别软件进行识别处理，识别出信号灯、道岔、股道、车次号等实时信息，发送给车站作业终端。

3　系统开发及应用

3.1　系统开发实现

3.1.1　作业终端基本功能操作

作业终端主界面设计如图5所示，功能区域包括重点信息提示、报警信息提示、站场示意图、防溜设置与确认、施工计划、列车作业流程和操作。

用户可通过右键点击站场示意图直接设置状态，如接触网停电或封锁停用；右侧的“设置状态”按钮也支持批量设置多个设备状态。此外，在车次窗口输入车次号可设置设备故障状态(仅限调试)。

在列车计划输入方面，用户通过“车次”按钮操作，在“当前计划”中修改车次信息，包括车次号、时刻、相关属性和运行路径。新增车次计划的步骤包括输入车次号和相关属性并选择时刻和运行路径，生成后可修改车站节点并确认，可在列车作业流程中查看车次信息。

列车作业流程界面显示占线板信息，左侧列出车次号和属性，如电力、内燃、是否超限等。用户可以点击中部的接车作业按钮或右部的发车作业按钮来选择车次所需的作业。作业按钮颜色信息含义如表1所示。由表可知，当存在红色按钮或黄色按钮时，表示列车不具备发车条件。当车次开出后，点击“结束”可以删除该车次信息。

3.1.2　TDCS区段车站行车作业核心安全报警功能

（1）旅客列车错办进路报警功能。固原站Ⅰ道、Ⅱ道和3道可用于接发旅客列车，当K1086次列车错误接入4道，系统会识别并在报警栏中显示报警信息，包括时间和描述，并伴随语音播报。

（2）旅客列车错办方向报警功能。固原站开往宝鸡方向为上行，往中卫方向为下行。当系统识别某单数车次列车向宝鸡方向(上行)开放出站信号，而该车次应往中卫方向(下行)发车，系统会识别此错误并显示信息，同时语音播报提醒车站值班员。

（3）电力机车进入无电区报警功能。除了固定无电区外，车站值班员还可以设置临时停电区。如车站值班员设置4G为无电区，若某次列车由沈家河方向开过来，固原站开放4G停车信号，系统识别该次列车为电力机车，则触发报警，系统会显示报警信息并进行语音播报。

（4）向封锁区间(线路)办理接、发列车报警功能。在施工或应急救援期间，车站值班员可在车站行车安全辅助系统中标定封锁范围。当存在经过封锁区域的列车进路时，系统会自动报警，显示报警时间和描述。

（5）不具备发车条件发车报警功能。作业车发车前需完成列尾摘挂、防溜撤除、机车摘挂和票据交接等技术作业。当所有作业完成并在电子占线板上标记为绿色时，系统认为列车具备发车条件。若某次列车已开放出站信号，系统检查该列车电子占线板列尾作业标记为黄色(正在进行中)，系统将报警提示并提醒值班员注意列车尚未满足发车条件。

3.1.3　TDCS区段设备故障自动报警功能

（1）信号突变报警功能。当车站开放进站或出站信号时，复示终端中信号机会从红灯变为绿灯(黄灯)。如果列车进路上出现异常情况，如非正常占用轨道电路红光带、道岔失表或信号机故障等，信号机会故障关闭，灯光将从绿灯(黄灯)变为红灯，对行车安全形成隐患。系统会识别为信号突变并发出报警，显示信息并进行语音播报。

（2）闭塞表示灯故障熄灭报警功能。列车发车进入区间后，发车方向的闭塞表示灯应显示红色，表示列车已进入区间；接车方向的闭塞表示灯也应为红色，表示邻站的列车已进入区间。当列车开往某站时，若相应闭塞表示灯显示为非红，系统将报警提示，同时显示报警信息并语音播报。

（3）非列车占用轨道电路红光带报警功能。当站内某轨道电路区段实际无车占用但因设备故障出现红光带时，系统会报警，并标出故障区段，显示信息并进行语音播报。

（4）占用丢失报警功能。轨道电路分路不良或设备故障可能导致列车占用丢失，系统会在此情况下发出占用丢失报警。例如，某站某股道实际有车占用，但因设备故障导致列车占用丢失，在调度监督图上显示为空闲，系统会识别并报警，显示报警信息并通过语音播报提醒作业人员。

（5）道岔失表报警功能。道岔失表后，失表的道岔在调监屏上将长时间出现空心状态，道岔正常转换时也将出现空心状态，经现场测试得出，道岔正常转换时间一般为12 s以内，因此将12 s作为系统判别阈值，当系统识别到道岔失表且持续时间超过阈值后，将报警提示。

3.1.4　TDCS区段行车作业信息管理子系统

（1）重点列车管理。在段指挥中心终端主界面的右侧，点击“管理”→“重点列车”，输入车次号，选择属性(如超限、专运)和运行线路，点击“生成计划”即可。计划下发后，车站终端将收到重点列车计划的通知。系统会根据各站股道的超限级别，自动分配股道。如果车站需要修改接车股道，段指挥中心终端将弹出提示框，并语音提示“XXX站申请股道变更”，等待操作人员同意或拒绝。如果同意，接车股道将更新。车站收到段指挥中心下发的重点车信息后，将收到“请注意，重点车信息更新”的语音提示。如果车站无法满足重点车计划的要求，需要向段指挥中心申请更改接车股道。段指挥中心同意变更后，车站的重点列车信息将更新为修改后的股道，股道更新行车重点信息界面如图6所示。

（2）施工精细化管理。在主界面右侧点击“施工计划”按钮打开施工计划编辑窗口，施工计划编辑窗口如图7所示。点击“新建”，输入参数后点击“保存”。关键数据包括：计划日期、唯一的计划号、区段选择、开始时间和持续时间。输入施工计划后，关闭窗口，在主界面下方的施工计划窗口中右键点击并选择“刷新”即可看到新建的施工计划。右键点击该条目并选择“设置施工状态”可在站场图上查看施工计划信息界面。

（3）TDCS区段电子占线板。电子占线板具备车站股道、站细规则(如超限等级)、站存车管理、防溜设置、股道状态标记等功能。操作步骤如下。①设置防溜设备：右键点击股道，选择“设置铁鞋”→“铁鞋编号”。防溜设备设置界面如图8所示。②确认设备状态：设置好防溜设备后，点击股道名称处的“红色闪烁”状态，输入确认人员名称并确认后，可以查看股道上防溜设备的操作记录。③解除防溜：找到需要解除的设备编号，点击防溜设备，继续点击“取消防溜”即可解除防溜设备，股道状态恢复正常。④站存车管理：右键点击股道，选择“输入站存车”，输入站存车的车次号。车站增加站存车后，电子占线板会在股道上标记车次号，并在站场图中标记站存车。⑤股道分割：如果需要在同一股道上设置2组防溜设备，可以将股道分割，两边可单独设置防溜设备。点击“分割股道”后，系统会允许在股道任意一侧设置铁鞋、人力紧固器。若不再需要分割，右键点击“合并股道”即可恢复正常。

3.2　系统应用

3.2.1　固原站概况

固原站隶属于兰州局集团公司固原车务段，作为宝中线和西平线的重要枢纽，固原站承担着部分货物列车的编解摘挂、客货列车到发及机车换挂等任务，同时负责旅客乘降和货物到发作业。

固原站属于铁路TDCS区段，采用6502电气集中联锁设备办理接发车及调车作业，该设备超期服役约9年，存在安全隐患。该站日均接发车约103列，其中旅客列车11列，货物列车92列，调车作业80钩，作业量较大。行车岗位轮班制度为四班倒制度，工作时间为每班连续工作12 h，白班为8：00—20：00，夜班为20：00—8：00(次日)，班中无间休时间。由于行车设备自动化程度低且连续工作时间过长，人员身体负荷较大，易导致班中作业人员精神状态不佳，存在安全隐患。

3.2.2　系统应用情况

固原站存在联锁设备超期服役、行车人员作业负荷大且连续工作时间长等情况，存在较多安全隐患。鉴于此，将车站行车安全辅助系统应用于固原站，实现类似CTC系统的安全防护功能。基于图像识别技术的车站行车作业安全辅助平台体系如图9所示。

该系统在固原站行车室设置车站值班员操作终端，在固原车务段指挥中心设置指挥中心监控终端，实现车站行车作业核心安全报警、设备故障自动报警及行车作业信息管理功能，车站值班员、段指挥中心可在第一时间获取报警信息。该系统的应用既不影响既有生产设备，同时在一定程度上降低了固原站行车作业对人员素质的高度依赖，减轻了作业人员的盯控压力，提高了行车作业安全水平。

4　结束语

通过分析TDCS区段车站行车作业安全影响因素，提出车站行车安全辅助系统的功能需求，采用TDCS设备显示数据采集及智能识别技术，实现TDCS区段车站行车作业核心安全报警功能和设备故障自动报警功能，完成了车站行车作业安全辅助系统的开发，并在固原站试用。该系统为提升TDCS区段车站行车作业安全水平提供了经济有效的解决方案，随着未来技术进步和系统的推广应用，将在提升铁路运输安全管理水平方面发挥更大作用。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2023B005)

中国铁路兰州局集团有限公司科技研究开发计划课题(LZJKY2023001-2)