基于物联网-5G技术的城市轨道交通安全行车模式研究

才 溢，何 硕，林晓飞

（1.北京市地铁运营有限公司运营四分公司，北京 100102；
2.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032；
3.马鞍山学院博士后科研工作站，安徽马鞍山 243100）

信息技术的发展、5G 技术及卫星定位技术的应用极大地拓展了物联网的应用范围。当前，城市轨道交通运营模式与信息技术发展息息相关，信息技术能够为城市轨道交通站-车一体化运营提供有力的物质基础。姜磊提出，在城市轨道交通通信领域可通过宽窄融合专用无线网系统实现现有线路窄带系统通过融合网关与宽带系统的互联互通，提供包括系统间个呼、组呼、短数据和动态重组、派接等功能。曹双胜等在研究智慧城轨的生产组织优化探讨中提出行车组织由传统3 级控制、2 级管理向2 级控制、1 级管理转变。由此可见，应用新技术不仅可以解决当前城市轨道交通运营过程中存在的现实问题，还可以促进运营模式的融合与发展。同时在新技术应用中安全风险依然存在，交通运输部印发的《关于“1·22”上海地铁乘客伤亡等事故事件的警示通报》（以下简称《通报》）中指出“对于开通运营的全自动运行线路，各地交通运输部门要督促运营单位对各类运营场景的系统联动、人员操作等底层逻辑和应对流程进行全面复盘、全面审视，加强人员培训和演练；
初期运营期间应配备具有驾驶技能的人员值守列车，全程监视列车运行状态，一旦发生列车故障或异常情况按规则及时处置。”由此可见，人员是把守安全的最后一道关卡，但由于人的生理、心理特性，往往更容易由于人为因素而引发安全事故。目前，我国的城市轨道交通事故风险仍侧重于设备故障、人员伤害和车辆伤害等，因此需要从技术、管理等角度约束人的行为，从而导向结果安全。本文以当前行车模式中存在的各类隐患作为研究对象，应用物联网-5G 技术构建平台提供解决方案，使得行车环境在新技术条件下更加安全、稳定。

现行的行车管理模式为行车调度员在制定车辆配备计划和应用列车运行图的基础上，执行日常的行车调度指挥工作；
车站综控员根据行车技术规程、行车工作细则等有关规定协助行车调度员完成行车作业；
列车乘务员依据列车运行计划的要求，根据行车调度员的指示、命令完成列车驾驶，并使列车在各车站完成乘客乘降作业。

新技术装备在列车中的应用提高了车辆的自动化程度，列车乘务员由传统的双人作业转变为单人作业，原有的双人呼唤应答制度改为单人确认制度，降低了安全可靠性。当运营线路发生特殊事件时，行车调度员有时会将控制权下放车站综控室，此情况会增加综控员在无监视条件下的作业风险，如果此时需要办理道岔搬动作业，综控员也无法保持双人监护制度，行车风险进一步增加。

行车安全保障可从设备措施、人工、管理3 个方面进行保障。

3.1 设备措施

行车控制系统利用基于通信的列车自动控制（CBTC）通信技术实现“车-地通信”的同时还可实时传递列车定位信息，实现列车与车站或控制中心之间的信息交换，通过确定的列车位置控制列车速度，从而保障行车安全。此时行车安全保护措施高度依靠设备可靠性，单司机驾乘列车根据信号提示完成速度控制、列车监护等作业，行车调度员、综控员依靠综合监控系统完成行车监控作业。

3.2 人工措施

城市轨道交通行车工作可溯源至铁路行车作业，第一代北京市轨道交通运营人员主要由铁道兵专业及铁路专业人员组成，因此在某些相通作业领域做法相同，例如行车调度、车站综控员、乘务员均分别在作业时执行呼唤应答制度。通过操作人员 “一看、二指、三呼唤、得到应答再操作”，监护人员“一听、二看、三复诵、发现错误即纠正”的作业流程，确保准确使用控制台上的各种按钮、正确办理行车作业。但随着新技术的不断应用、设备自动化程度的提高，运营模式朝着自动化方向发展，列车乘务员也由双人值乘转变为单人值乘，呼唤应答制度改为单人确认制度。

3.3 管理措施

城市轨道交通行车组织工作由行车调度员、列车乘务员完成，实行“行车调度员-司机”2 级管理，车站综控员辅助行车工作。1 个调度区由该区值班行车调度员统一指挥，车站由本站当班综控员统一指挥，列车由本列车当班值乘司机负责指挥。三方按照不同闭塞模式下的管理要求进行配合，完成行车工作。

4.1 设备隐患

城市轨道交通信号系统是一个庞大复杂且具有高技术含量的自动化行车指挥系统，其中任何设备或环节发生故障，都会对运营产生影响。系统故障时须通过降级处理确保线路维持运营。其中，CBTC 系统的后备模式为站间闭塞，如果后备模式仍不能满足安全条件将降级到电话闭塞。电话闭塞为纯人工行车模式，行车调度员退出行车指挥系统，列车乘务员依靠车站综控员指令完成行车作业，列车失去设备保护措施。

4.2 人工隐患

随着技术的进步，作业现场朝着少人化发展，这使得行车过程中作业人员无法实行“一人操作一人监护”的监护制度，行车的安全性依靠作业人员的责任心及专业化水平。林晓飞等从单独驾驶员、多人共事的驾驶员和行人6个方面总结安全氛围与安全行为之间的影响关系，表明安全行为需要矫正。

4.3 管理隐患

当前行车作业的安全管理主要依靠各专业内部的预防机制，依赖双人作业时的“操作-监护”制度，但由于现在单人值乘驾驶作业、处置突发事件时单人操作进路等原因，往往在需要执行安全措施时无监护人员，这极大的增加了风险发生的概率，是一种制度隐患。此外，当前行车计划的制定取决于客流量的大小，增开临客等行车措施是根据车站大客流情况制定的，而请求增开临客的申请依靠现场作业人员的经验，这就存在超前申请浪费运力或是滞后申请造成车站客流密度剧增的风险。

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。在物联网中，所有人或物可通过信息传感设备与互联网进行连接，物理实体间通过物联网进行信息交换，以实现应用层的智能化识别和管理。

5.1 物联网结构

物联网按网络结构从下到上可分为感知层、网络层、处理层、应用层。城市轨道交通物联网感知层设备为“车-地通信”设备；
网络层包括列车自动监控网、控制中心局域网等；
处理层为各系统终端的计算模块，可生成一系列运营报告；
应用层为具有使用权限的用户，可对授权范围内的应用层设备数据（工作站数据）进行读取。

5.2 通信技术5G简述

5G 是第五代通信技术，主要特点是高速率、低时延、广连接。应用5G 技术可以在传统站车信号传输网络之外开辟新的网络传输系统，在采集感知层运营数据后，通过5G 网络上传至云端进行计算，处理过的数据反馈给用户使用。这样5G 网络与既有网络不冲突，并可以提供终端人机交互通信，达到支撑智能化操作的目的。同时还可以成为车-地通信中断时的后备通信模式。

5.3 物联网与5G应用融合

基于蜂窝网络的窄带物联网技术（NB-IoT）是支持物联网设备在广域网的蜂窝数据连接，可直接部署于LTE 网络，它的特点是覆盖广、功耗低、成本低、连接广。基于NB-IoT 技术的应答器，在数据传输方面不需要任何中介环节，数据可从应答器直达数据平台，而数据处理工作由后台服务器完成，物联网-5G 通信模式如图1所示。

图1 物联网-5G 通信模式

由图1可知，传统站-车通信模式下感知层收集数据后，经过计算生成的数据呈现在单一系统终端，不能实现需求者实时共享。应用物联网-5G 平台的综合系统可以将各系统数据相关联，不仅为决策者更可以为操作者提供实时数据，作为检验现场操作效果的反馈。

人工智能物联网（AIoT）=人工智能（AI）+物联网（IoT），AIoT 融合AI 技术和IoT 技术，通过将物联网产生、收集海量的数据储存于云端，再通过大数据分析及更高形式的人工智能，实现万物数据化、万物智能化。5G 技术可以实现信息的高速交换，实现操作、监护的实时性。

6.1 操作人员防疲劳系统设计

根据已有文献研究结果可知，人体疲劳与工作时长、工作环境、工作时间段等因素有关，以北京市轨道交通昌平线为例，每日清晨5 点轧道车下线，5 : 20 分首班车开始全天运营，直至次日00 : 22 最后一班车回段整备，而停运时段又是开行施工列车、段场调车作业的时间。换言之，在实际生产过程中，城市轨道交通车辆一直处在运行状态，而作为终端操作人员（行车调度员、乘务员、车站综控员）需要全程实施操作及对行车情况进行实时监控，超长的工作时长容易导致操作人员疲劳，从而发生安全事故。

在行车作业过程中，可以借助人脸识别技术收集列车乘务员或车站综控员面部信息，通过车载边缘计算设备收集终端信息防止作业人员走神、打瞌睡等情况。如同当前汽车驾驶员广泛使用的导航App 中的疲劳提醒功能，但此功能大多是通过驾驶时长和驾驶历程来提示疲劳，并非根据驾驶员实时开车状况进行判定。

基于AIoT 的操作员监控系统可以在列车乘务员驾驶过程中、行车调度员和车站综控员监控列车运行时实时监测其身体状态，并根据获取的监测数据及时、快速地进行计算和应对异常。基于AIoT 的操作员监控系统由感知层收集人脸信息，然后通过网络传输与云端储存的数据库内容进行比对，根据比对结果对存在异常情况的操作人员状态发出警报提示，必要时可以触发决策端信号，通过人工呼叫等措施对异常状态人员进行干预。

6.2 行车作业人员呼唤应答系统设计

早期城市轨道交通行车作业中的列车乘务员、车站综控员、行车调度员均是双人作业，采取“一人操作一人监护”的模式，但随着技术的进步，越来越多的城市轨道交通线路开始在列车驾驶中采取单司机值乘方式，有些运营线路开始在非道岔集中站试行综控室单人值守模式，依照事故多米诺理论，行车系统的安全性大大降低。

基于AIoT 的“调-乘-综”系统，可以使用物联网-5G 技术在3 者之间构建互控应答机制，由主办方向协办方发出呼唤请求，协办方对呼唤内容作出应答，第三方作为监控方对呼唤应答内容予以监控。此方法可以应用在城市轨道交通作业人员无法执行呼唤应答制度时，尤其对单人作业起到防护作用。常见的应用场景有 2 种。

（1）当乘务员驾驶列车在电话闭塞模式下无车-地信号保护，在发车时可以使用语音或视频模式与车站综控室实时通话确认发车条件，减少了车站综控员与乘务员交接纸质命令的环节，可以提高运行效率，同时作为行车调度员可以对该作业进行监控，发现异常情况并及时主叫停止作业。

（2）在特殊天气或某些情况下，正线停运后需要在运营线分区段开行轨道车进行施工作业，但其他非封闭区间需要人工在线作业，这就造成了人-车共线的现象，如果车站综控员在核对正线作业或者办理封闭区间时出现问题，就会发生侵入限界的事件，严重的可能造成人员伤亡、财产损失。针对这种情况，可以由施工列车乘务员与行车调度员确认行车区间，相邻站车站综控员进行监控。

6.3 站-车一体化大客流预警系统设计

城市轨道交通列车满载率由列车空气簧承重换算后得出，此数据呈现在列车终端。同时在车站综控室的综合监控系统可以实时监测车站乘客进出站数量，通过时间粒度估算得到站厅、站台客流密度，这二者之间尚未建立连接。当前城市轨道交通大客流管理主要依靠现场人员的经验进行调配，存在过分超前和滞后实施的可能性，在列车满载率与车站客流密度通过物联网系统连接后，可以根据设定的阈值对客流进行动态管控，车站可以根据预警值决定客运组织策略，行车调度指挥中心可以根据实时数据决定是否加开临客，这套系统可以使大客流启动时机由经验化向科学化转变。

6.4 车辆智能抢险运维系统设计

当列车在运营线路上发生故障时，单司机模式下的故障处理使得列车乘务员只能依靠个人能力，无法得到专业技术人员的支持。这时可以应用智能运维系统，车辆通过车-地网络向车辆基地发送故障代码，运维人员在收到故障报警后，协助乘务员处置故障，当应急故障操作存在人为错误时，运维终端可以显示乘务员操作步骤，运维人员通过终端对操作步骤进行提示和监控，当列车返回车辆段后，运维人员可以根据实时数据对故障点进行排除。

应用物联网-5G 技术的硬件条件已经成熟，国内很多公司已经在其他领域有了成熟的应用案例。当前缺少的是将硬件设施与运营需求相关联，让技术服务于需求，让需求得到实体体现，作为城市轨道交通运营企业，要加快将新技术融入到现场运营中的步伐，以达到提高运营效率、降低安全隐患的目的。