湛江港港区铁路道口全自动智能控制系统.pdf

0引言港区铁路是港口生产作业的重要基础设施。港区铁路道口位于港区内道路与铁路平面相交处，分为有人值守道口和无人值守道口。目前，大部分港区铁路道口为有人值守道口，监控设备老化且故障日渐增多，监控系统功能不完善，存在较大的安全隐患。为全面保障铁路道口的畅通和安全，港区道口需有人值守，但会占用大量人力资源，不利于减员增效。为改变湛江港港区铁路道口监控设备落后、道口通行安全性不够、有人值守占用大量人力资源的现状，有必要利用物联网技术、视频监控技术、自动监控技术、计算机网络技术等对现有有人值守道口进行智能化改造，将有人值守道口改造为全自动控制无人值守道口。1湛江港铁路概况湛江港铁路分东站片港区铁路和霞山片港区铁路。东站片港区铁路从塘口火车站到东站 8 km区间铁路线开设有 6 个有人值守道口，车场站内设置 3 个有人值守道口，港区内装卸线上设置 13个道口分 3 个监控室实行集中监控，平均每天 40对列车进出。霞山片港区车场站内设置 9 个有人值守道口，港区内装卸线上设置 21 个道口分 6个监控室实行集中监控，平均每天 80 对列车进出道口。湛江港铁路道口有以下 5 个特点：（1）道口管理复杂，道口既有港内车辆专用通行道口，又有社会车辆和港内车辆共用通行道口。共用通行道口车辆类型多且流量大，行人、电动车存在违规闯入、逆向行驶道口等违章行为，增大了道口安全畅通工作难度。（2）有人值守道口和集中监控室设置过多，现场用工多，人力成本大，且人员受各种环境因素影响，工作中不能保证全身心投入，不利于道口管理工作。（3）道口主要设备均为 2009 年前安装，不仅湛江港港区铁路道口全自动智能控制系统李新，任洪森，黄章才（湛江港（集团）股份有限公司，广东湛江524068）摘要：为改变湛江港港区铁路道口有人值守模式下占用大量人力资源的现状，提出港区铁路道口无人值守模式并引进全自动智能控制系统。该系统主要由道口智能控制系统、机车智能车载装置、监控中心控制系统、视频监控系统等组成。系统基于计算机视觉和激光雷达技术实现对道口公路上人、车、异物检测和闯入报警，基于激光雷达、RFID、GPS 等物联网技术实现机车运行位置、状态的检测，基于非接触传感器技术和 PLC 控制技术实现道口的全自动控制。经现场实践验证，该系统可以实现港区道口的全自动无人控制，提高铁路道口的智能控制水平，大幅降低人力资源成本，提高道口通行的安全性、可靠性和通行率。关键词：港口；湛江港；铁路道口；全自动智能控制系统；机车智能车载装置；道口远程监控港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果10设备老化，而且技术落后，急需升级改造。（4）道口技术性、安全性防护不够完善，对违规闯入车辆和行人等违章行为不能主动报警和警示，容易发生安全事故。（5）道口视频监视系统以模拟摄像机采集为主，通过配置硬盘录像作为本地存储，终端采用 1台 PC 机进行集中显示、控制、查询、回放，且拍摄视频图像为 CIF 格式，分辨率为 320240。显然，此视频监控系统不仅不能拍摄到有效视频，而且做不到及时抓拍违章行为，无法为安全事故取证，无法实现安防报警等功能。2道口全自动智能控制总体方案湛江港铁路道口智能化改造目标是实现在 1个监控室内对所有道口进行智能监控，根据火车通过道口的要求，系统自动控制道口的信号灯和栏木机，及时发出警示信号并关闭栏杆，确保火车安全通过铁路道口，并进行全程监控。同时，系统具备视频监视、违章抓拍、异物入侵道口识别和报警、通过火车车载装置实时监视行驶前方道口状态等功能。2.1总体方案概述铁路道口全自动智能控制系统采用分散式独立全自动道口控制方案，即将原来分散的人工值守道口模式升级为将监控中心远程监视操控与机车远程监视操控相结合的远程集中全自动智能监控模式。铁路道口全自动智能控制系统主要由道口智能控制系统、机车智能车载装置、监控中心控制系统、视频监控系统等组成。铁路道口全自动智能控制系统总体架构见图 1。2.2道口智能控制系统道口智能控制系统主要由道口站控系统、图像监控系统、闯入检测系统和接近检测系统等组成。当智能道口出现意外情况时，工作人员能立即进行现场手动应急操作。道口智能控制系统总体架构见图 2。图 1铁路道口全自动智能控制系统总体架构机车机车定位机车动态道口图像机车告警监控中心告警车-道应答机车（1M）监控中心控制中心数据中心港区中控智能道口道口站控图像监控闯入检测接近检测现场应急道口（1N）图 2道口智能控制系统总体架构无线设备RFID 识别器工控机有源磁钢激光雷达栏木机交通信号灯PLC交换机光纤连接监控中心扩音器枪式摄像机球形摄像机其他设备遮断信号机港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果11道口智能控制系统通过有源磁钢和 RFID 识别器获取列车信息，为道口设备控制提供智能分析。通过激光雷达与视频摄像机结合，监视道口行人、车辆和列车通行情况，智能分步控制道口栏木机起升、降落动作时间。一旦道口出现异物或其他安全问题，遮断信号机发出声光报警，道口扩音喇叭发出自动提醒声或监控人员喊话声（监控人员手动优先）。2.3机车智能车载装置机车智能车载装置主要包含机车定位、机车状态、道口图像与告警、车-道应答等功能。（1）机车定位。通过 GPS/BDS 实时定位机车位置。（2）机车状态。实时分析车列位置、运行方向、速度，并通过无线网络传至监控中心系统。（3）道口图像与告警。机车司机远程监视道口。机车车列到达预警点（或司机发出封闭道口信号）后，自动获取前方道口实时视频、告警信息，道口安全封闭后机车将接收到道口可通行信号。（4）车-道应答。机车与道口的远程信息交互和控制，机车在特殊工况（如转岔折返、拉卡对位等）通过道口时，司机通过该系统采用车-道应答的方式随时远程控制道口的开通或封闭，在“行车不行人、行人不行车”的原则下保证道口的正常通行和机车安全作业。机车智能车载装置结构见图 3。当机车接近道口时，通过 GPS 定位装置和RFID 识别器判断机车行驶位置，系统自动给出“通过前方道口”指令。司机也可通过应答控制器对应按钮给予“通过/不通过”某道口指令，道口设备按机车指令自动完成道口控制。列车自动接收并显示道口路况实时视频图像和栏木机信号灯状态。当发生非法闯入、铁轨上有异物等紧急情况时装置立即向司机发出告警信息。图 3机车智能车载装置结构道口摄像头（B7）道口摄像头（B8）工业控制器（B4）4G 模块（B5）无线专网模块（B6）RJ-45网络交换机（B3）RS232GPS 定位装置（B2）RS232RFID 读卡器（B1）工控机（A1）道口通告指令发布区通过不通过停稳确认不通过确定 不通过取消 方向变换前方道口路况两路视频栏木机状态信息、铁路通行信号灯、公路通行信号灯、机车通行道口指令、道口报警信息港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果122.4监控中心控制系统和视频监控系统监控中心控制系统主要由监控中心系统、控制中心系统、数据处理中心等组成。（1）监控中心子系统实时显示道口图像，即使出现视觉盲区，仍能让监控人员清晰掌握道口的实际工作状态。（2）控制中心子系统支持手动控制各道口内设备、装置和各机车配置的设备、装置的功能。（3）数据处理中心子系统。管理数据通信，负责机车、道口设备的数据传递、计算和存储。监控中心控制系统详细功能如下：（1）显示机车信息。实时接收机车位置信息，显示机车模拟轨迹，例如所处铁轨股道及位置、接近道口预估时间等信息。（2）应急报警。当道口出现异常状况或事故情况时，弹出报警事故信息，提醒值守人员。若出现的异常和故障没有解除，则报警事故信息不消除，整个事故处理过程会被自动记录。（3）远程控制模式切换和远程指令发布。对需要进行人工干预的控制道口进行远程控制模式显示和远程指令发布。（4）道口切换。监控中心可自由切换各个道口的状态信息，对单独道口进行监控。（5）存储、历史查看。监控中心根据道口 IP 地址保存的报警信息、状态信息、指令发布信息等，可供查询、追溯事件原貌。监控中心控制系统结构见图 4。在监控中心设有 2 个视频墙，一用一备，视频墙可拼接显示、单屏显示或多种混合显示视频信号，充分满足监控中心对道口路况视频、各种状态信息、报警信息的观看需求。在监控中心设有操作员/工程师管理操作台，并安装工控机、逻辑控制器、音视频综合管理平台、道口远程控制平台。音视频综合管理平台能对有异常情况的道口监视显示器自动弹出报警提示，值守人员可进行远程语音喊话告警。通过远程控制平台可对需要人工干预控制的道口进行远程操作。3道口智能控制关键技术和解决方法3.1机车位置定位在机车上安装 GPS/BDS 定位设备，在铁轨上安装 RFID 卡准确定位机车位置。铁轨每个股道两侧均装有 RFID 识别卡，当机车靠近时，既能通过 RFID 卡识别机车即将通过的道口，也能自动生成机车即将到达的预警以通知该道口。任意RFID 卡故障时系统可智能判断故障位置，并自动报警提示。由多个 RFID 卡多重识别并互相冗余图 4监控中心控制系统结构4G光纤无线专网交换机外部接口防火墙集团局域网系统服务器视频墙（主）工程师管理平台视音频综合管理平台视频墙（备）远程控制平台功能旋钮区喊话麦克风港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果13检测机车靠近，充分保障机车靠近预警安全检测系统的稳定性、可靠性和安全性。在铁轨上安装的RFID 卡，每 3 个为 1 组，可以检测机车靠近的前方道口。铁轨股道上安装的 RFID 卡见图 5。3.2机车接近道口检测和控制在道口铁轨股道两侧均装有 3 个磁钢，形成磁钢组互相冗余，任意磁钢检测到机车靠近时均形成预警通知道口。任意磁钢故障时道口智能控制系统可判断故障位置，并自动报警提示。通过磁钢检测装置可计算出驶入、驶出道口机车的速度、方向、所牵引的车卡数和到达道口的时间。此磁钢组通过多重识别、互相冗余检测机车靠近情况，并自动控制道口设备及时动作，充分保障道口通行的安全性。3.3机车通过道口指令当机车车列因特殊情况（如转岔折返、拉卡对位等）通过道口时，司机可采用车道应答模式远程控制道口的开通和封闭，在“行车不行人、行人不行车”的原则下保证道口的正常通行和机车安全作业运行。3.4道口异物侵入识别和道口视频监控行人、车辆检测具有明确的目标，视频监控系统可以事先通过行人、车辆的图像或视频完成基于深度学习的模型训练，然后通过行人、车辆检测模型对出现在港区铁路道口摄像机监控范围内的行人、车辆进行实时检测。由于道口封闭后的侵界异物具有不确定性，不能事先得知侵界异物的信息，因此采用激光雷达扫描技术进行检测。港区铁路道口运用非接触式检测技术进行异物侵界检测。非接触式检测技术无需通过接触异物来检测目标区域内是否有异物侵入行为。当机车通过铁路道口时，激光扫描器结合视频监控系统能及时检测以下情况：机车是否正在道口或离开道口；道口是否有非法闯入的行人和车辆；道口是否有遗留异物。当发现非法闯入或铁轨异物时及时抓拍图片并送监控中心告警。在常规道口检测方法的基础上，通过增加激光雷达设备检测，实现道路栏木机外侧安全识别区、栏木机内侧非法闯入区、铁轨异物等的检测。道口视频监控模块利用机器视觉技术对铁路道口摄像机返回的视频数据进行实时识别，检测出铁路道口通行的行人或车辆。铁路道口路况复杂，环境影响因素较多，因此对摄像机性能要求较高。摄像机选型需要满足以下 4 点需求：传输延迟低，能够实时传输画面；像素高，图形清晰，满足铁路道口检测需求；适应室外 24 h 监控，具有防水、防尘、透雾等性能；支持无线传输和有线传输。3.5网络方案网络传输系统分为光纤传输和无线网络传输 2 个部分。光纤网实现道口设备与监控中心之间的联网，无线网络实现道口设备与机车、监控中心与机车之间的联网。光纤采用环网模式，保证每个信号传输通道都至少有 2 条传输链路，确保系统安全稳定运行。无线网络采用无线 5G 专网。无线 5G 专网系统具有传输带宽大、外部无法访问、数据加密传输、信号质量高、最大传输距离达 50 km 等优点，能实现机车与道口控制系统之间的可靠、安全、高速实时联网。无线 5G 专网网络方案见图 6。机车访问道口 PLC 采用无线专网；机车访问监控中心优先采用无线专网，其次是 4G 网络；机车访问视频平台采用无线专网。3.6栏木机自动防砸为减少道口封闭时间，提高通行效率，栏木机智能分步骤放下。在栏木机进行关闸，闸杆落在人或车体上时，通过栏木机上安装的气压传感器识别自动抬起闸杆，达到不伤人、车的目的。3.7上位机与下位机系统通信在对道口和机车的状态进行监控时，首先需要通过 PLC 控制系统对道口中的磁钢、RFID 卡、信号灯、栏木机、雷达等的数据进行实时采集。为图 5铁轨股道上安装的 RFID 卡RFID 卡E3A-003RFID 卡E3A-002RFID 卡E3A-001港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果14了更好地将硬件数据与应用软件分割开来，需要在这些工业控制系统与应用软件之间建立一种通信接口。OPC 技术可以满足上述要求，并且可以快速响应硬件数据源变化，解决硬件数据的交换和快速改变的问题。通过对 PLC 和 OPC 通用接口采集到的数据进行相关逻辑分析，判断机车是否能够安全通过道口，以及判断道口的相关设备运行状态的正确性和实时性并及时向监控人员进行反馈。同时，为了让监控中心能够稳定地利用道口相关硬件的数据，选用 Redis 数据库作为内存数据库。道口的相关硬件数据通过 OPC 服务器传输存储到 Redis 数据库中。监控中心的相关逻辑控制和显示基于 Redis 数据库中的数据。Redis 数据库为每个不同的道口建立单独数据库，起到数据隔离的效果。4石头道口应用案例分析全自动智能控制系统在湛江港的应用改造按照“先局部试验，后全面推广”的步骤实施。2019年，智能控制系统首先应用于霞山港区凌志西、石头村和石头油库共 3 个道口。凌志西、石头村和石头油库铁路道口间关系示意图见图 7。图中 1 号为凌志西道口，2 号为石头村道口，3 号为石头油库道口；#K1、#K2、#K3为 3 条铁路线路；1 号道口为四公路车道，包括 8 台栏木机和 2 台公路信号灯；2 号道口为四公路车道，包括 7 台栏木机和 2台公路信号灯；3 号道口为两公路车道，包括 2 台栏木机和 2 台公路信号灯。霞山港区凌志西、石头村和石头油库铁路道口主要有以下 2 个特点：一是不垂直平交，跨度大，需要控制的栏木机数量较多；二是道口之间距离较近且都在一条公路上，机车通过其中一个道口时可能会同时占用另外一个道口，在封闭道口时需要做联动处理。4.1控制模式设计为最大限度地保障行人、车辆的通行安全，也为了快速响应系统设备故障，在设计该系统的过程中，要求设计以全自动控制为主的日常运行控制模式，现场手动控制和监控中心手动控制为辅的应急控制模式。现场手动控制模式主要是调试和维修状态下使用，正常运行常用全自动控制和监控中心手动控制等 2 种控制模式。这 3 种控制模式的优先级从高到低依次为现场手动控制、监控中心手动控制、全自动控制，并且工作人员可以随时将低优先级模式手动切换为高优先级模式。当设备正常运行且无违规闯入时，由现场控制器根据控制逻辑进行全自动控制；当出现图 6无线 5G 专网网络方案监控中心应用服务器/数据库服务器视频服务器和管理平台电视墙公有 IP 地址接入 4G骨干网络光缆骨干网4G 网络网络基站光纤中继基站IMAX骨干基站IMAX中继基站机车 N机车 1道口 2道口 3道口 1港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果15违规闯入或部分设备故障时，由监控中心工作人员根据视频监控信息进行监控中心手动控制；当需要维修或更换设备，以及网络通信故障时，由工作人员根据道口实际运行情况进行现场手动控制。系统总体控制模式为分散式独立全自动道口安全控制+远程集中监控+车-道应答协同。系统基于计算机视觉和激光雷达技术，实现对道口公路上人、车、异物检测和闯入报警；基于激光雷达、RFID、GPS 等物联网技术实现机车运行位置、状态的检测；基于光纤+无线专网的网络冗余技术和机车车载系统的设计实现机车与道口、道口与监控中心的信息交互；基于非接触传感器技术和 PLC 控制技术实现道口的全自动控制。参与系统运行的港区铁路机车编号为 0313、0072、0100，主要运行于凌志西道口、石头村道口、石头油库道口、铁矿石堆场、二区调车场和调车场入口等。4.2控制流程设计系统通过安装在道口两侧铁轨上和道口区域的传感器采集的信号来判断机车的接近、到达、离开道口的状态。传感器信号通过电缆和光纤发送到道口控制器。道口控制器通过逻辑处理判断是否有车即将经过道口，同时将逻辑处理后的传感器信号和道口防护设备状态信号发送到监控中心进行显示。如果确认有车，系统将自动或手动控制道口防护设备动作，防止行人、车辆继续通过道口。通过采集相应的传感器信息确认机车离开道口后，系统自动或手动复原道口防护设备，允许行人、车辆通过道口。在道口作业过程中，工作人员可以通过视频监控实时监视整个道口，以便在出现异常情况时及时采取相应措施。铁路道口全自动智能控制系统控制流程见图 8。道口的控制流程主要分为机车接近道口、机车到达道口和机车离开道口等 3 个阶段。在机车接近道口阶段，道口现场控制器采集传感器信号进行逻辑判断，同时向监控中心发送传感器信号和防护设备状态信号。当判断机车为接近道口方图 7凌志西、石头村和石头油库铁路道口间关系示意图调车场A1A2A3A4A5A6A7A81 号道口栏木机 8 台公路信号灯 2 台仓库#K2B1B2B3B4B5B6B72 号道口道口房栏木机 7 台公路信号灯 2 台#K1C1C2栏木机 2 台公路信号灯 2 台3 号道口#K3石化部港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果16向时，道口控制器根据确定的机车接近命令自动控制道口防护设备，若不能进行自动控制，还可以通过监控中心远程手动控制。在该阶段，公路信号灯显示红灯，扩音器告警提示过往行人、机动车禁止通行，栏木机下放到规定位置。在机车到达道口阶段，扩音器和道路信号灯一直保持报警状态，栏木机保持在下放位置不再动作。在机车离开道口阶段，道口控制器根据传感器信号进行逻辑判断并确认机车离开道口后，系统自动或监控中心手动控制栏木机提升，同时铁路信号灯显示红灯，在栏木机提升到规定位置后，公路信号灯显示白灯，扩音器告警关闭。同时，道口控制器向监控中心报告各设备的状态信息。4.3系统总体设计系统总体设计应满足安全性、可靠性、可扩展性和实用性等要求。根据总体需求，在不影响铁路沿线和道口其他设备的情况下进行设计，设计出独立的铁路无人道口自动控制系统，实现各道口既可以单独手动控制，也可以多个道口统一由监控中心进行控制和管理，及时发现设备故障或系统异常并做出响应。湛江港铁路道口全自动智能控制系统网络结构见图 9。系统由监控中心、车载交互端、道口控制系统、道口防护设备等 4 部分组成，采用无线通信、光纤有线通信网和信号电缆相结合的方式进行系统的组网。其中，道口控制系统与监控中心之间采用光纤有线的方式进行通信，道口控制系统与道口防护设备之间采用信号电缆进行通信，车载交互端与道口现场设备、监控中心之间采用无线方式进行通信。网络系统在常规 4G网络、光纤网络的基础上架设高品质、技术先进的无线专网通信网络，实现机车与道口控制系统之间的多通道实时联网，保证网络系统的可靠性和安全性。4.4系统创新成果湛江港铁路道口全自动智能控制系统取得的创新成果体现在以下 5 个方面。（1）分散式无人全自动道口安全控制模式。每个道口独立全自动无人控制；机车与道口、机车与集控中心之间联网采用有线+无线方式，道口即使因有线网络故障无法与集控中心联网依然可以通过无线网络实现控制功能。（2）道口车-道应答协同。道口拦木机升降受控于机车与道口无线应答控制。当机车接近图 8铁路道口全自动智能控制系统控制流程传感器道口现场控制器道口防护设备监控中心机车接近道口机车到达道口机车离开道口传感器信号采集逻辑运算向监控中心发送传感器信号和防护设备状态信号自动控制防护设备动作手动控制防护设备动作防护设备封闭道口防护设备封闭道口向监控中心发送传感器信号和防护设备状态信号防护设备封闭道口防护设备封闭道口传感器信号采集逻辑运算向监控中心发送传感器信号和防护设备状态信号自动控制防护设备动作手动控制防护设备动作防护设备打开道口防护设备打开道口港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果17道口时，道口设备向机车告知当前道口状态并发出“是否通过”询问指令，道口系统根据机车回复决策栏木机的升降动作。机车驾驶室实时显示道口视频和道口设备的状态，引导司机安全通过道口。（3）道路栏木机外侧设置安全识别区。道口配置激光扫描设备检测道口行人车辆、机车，并与视频摄像机联动抓拍，实现安全和提前落杆。（4）防砸功能。所有栏木机均设防砸装置，以确保车辆、行人的安全。通过安装在栏杆上的压力电波传感器，当栏杆放下时触碰到行人或车辆时立即自动反弹，提高落杆的安全性。（5）道口轨道异物检测。视频监控系统可监测道口和轨道区域内高于 5 cm 的异物，并与视频摄像机联动抓拍，实时通知集控中心，提高机车道口行驶的安全性。4.5系统应用效果一是针对无人值守的铁路道口只能远程集中控制的现状，首次实现了铁路道口的全自动控制，提升铁路道口的自动化和智能化水平。二是通过二维激光扫描仪建立的防护区域和视频监视系统联动，实现道口人车闯入的监视和抓拍，提高道口的安全性。三是系统的自检和巡检安全措施，提高道口设备运行的可靠性。四是系统检测到火车离开道口自动抬杠功能提高道口的通行效率。五是系统预留机车无人驾驶接口、港务局生产和管理系统接口和机车调度系统接口，具备适应今后发展的可扩展性。5结语湛江港铁路道口全自动智能控制系统在湛江港凌志西、石头村和石头油库 3 个复杂道口上成功应用，不仅大幅降低人力资源成本，而且提高道口通行的安全性、可靠性、通行率。下一步，全自动智能控制系统将推广应用于湛江港全港铁路道口。图 9湛江港铁路道口全自动智能控制系统网络结构无线访问点服务器工控机视频墙交换机监控中心交换机工控机激光雷达PLC磁钢传感器防砸传感器1 号道口控制系统栏木机扩音器公路信号灯铁路信号灯其他设备无线网络无线访问点RFID读取器工控机交换机车载交互端1 号道口防护设备交换机工控机激光雷达PLC磁钢传感器防砸传感器2 号道口控制系统栏木机扩音器公路信号灯铁路信号灯其他设备2 号道口防护设备交换机工控机激光雷达PLC磁钢传感器防砸传感器3 号道口控制系统栏木机扩音器公路信号灯铁路信号灯其他设备3 号道口防护设备光纤环网港口科技 中国港口协会科学技术奖优秀成果18