基于廣域實時精密定位的鐵路作業(yè)車管理系統(tǒng)

許士敏， 黃榮星

（1.解放軍電子工程學院，合肥 230037；2.上海鐵路局 合肥供電段，合肥 230037）

基于廣域實時精密定位的鐵路作業(yè)車管理系統(tǒng)

許士敏1， 黃榮星2

（1.解放軍電子工程學院，合肥 230037；2.上海鐵路局 合肥供電段，合肥 230037）

針對鐵路作業(yè)車安全生產(chǎn)和高效管理的需求，提出了綜合應用GPS、GIS、3G/GPRS等先進技術的作業(yè)車信息化管理方案，提高作業(yè)車的管理效率。利用廣域實時精密定位技術提高作業(yè)車的定位精度，測試結果表明能夠達到分米級的定位精度。

精密定位；實時；作業(yè)車；管理

當前，我國鐵路對作業(yè)車安全控制的主要技術手段是安裝運行監(jiān)控裝置（GYK），GYK側重對作業(yè)車的安全操縱情況進行記錄，通過導出GYK數(shù)據(jù)并上傳到管理部門，由專人負責分析。作業(yè)車的安全運行和標準化操縱靠管理人員分析，此方式效率低、成本高且容易出錯。未來作業(yè)車安全管理是鐵路供電段行車安全的重點，也是難點，迫切需要創(chuàng)新作業(yè)車安全控制措施。

鐵路具有明顯的地理分布特征，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的鐵路空間數(shù)據(jù)，包括線路、列車、車站、橋梁、隧道、通信信號設備等，引入地理信息系統(tǒng)對這些空間數(shù)據(jù)信息進行管理能夠有效提高鐵路生產(chǎn)管理水平。通過在作業(yè)車上安裝GPS/北斗定位裝備就能得到作業(yè)車在線路上的運行數(shù)據(jù)，還可以在作業(yè)車上安裝其它的傳感器，例如作業(yè)車工作狀態(tài)采集裝備、視音頻采集器等獲得所需的各種工作參數(shù)。同時，高速鐵路沿線基本實現(xiàn)了 3G網(wǎng)絡的覆蓋，通過3G網(wǎng)絡傳輸將作業(yè)車工作參數(shù)及運行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到指揮調度中心，就可以實現(xiàn)對作業(yè)車的遠程監(jiān)控與指揮管理，實現(xiàn)管理部門全天候實時掌握作業(yè)車運行動態(tài)情況，從而達到遠程監(jiān)視作業(yè)車司機標準化作業(yè)，提高管理效率，降低運營成本，對保障鐵路高效建設與科學管理有著十分重要的意義。

1 廣域實時精密定位技術

根據(jù)作業(yè)車管理的需要，作業(yè)車的定位精度要求優(yōu)于50 cm，普通的GPS定位方法達不到要求，必須采用廣域實時精密定位技術來滿足精度要求。

廣域實時精密定位技術與示范系統(tǒng)在廣域差分和精密單點定位技術的基礎上，集成了先進的GNSS 實時數(shù)據(jù)處理、Internet 和衛(wèi)星通信等技術，建立服務范圍覆蓋中國區(qū)域、實時定位精度優(yōu)于1 m的試驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)以提高中國區(qū)域用戶 GPS 定位精度為主，通過對基于GEO衛(wèi)星的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)的技術升級，形成覆蓋中國區(qū)域的高精度導航和綜合信息服務系統(tǒng)。實現(xiàn)在中國及周邊區(qū)域陸地、海洋和空中優(yōu)于1 m精度的無縫導航定位服務。

廣域實時精密定位與示范系統(tǒng)由8部分組成： GNSS基準站、廣域數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、精密信息融合及增值服務系統(tǒng)、技術支持及備份數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、衛(wèi)通信息播發(fā)系統(tǒng)、北斗信息播發(fā)系統(tǒng)、用戶終端和數(shù)據(jù)傳輸鏈路，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 廣域實時精密定位示范系統(tǒng)組成圖

2 基于廣域實時精密定位的作業(yè)車管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要包括作業(yè)機車終端設備、無線通信網(wǎng)絡和供電段指揮調度中心等部分，其結構圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)車定位與監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)通過在作業(yè)機車上安裝GPS定位及數(shù)據(jù)采集設備，并利用廣域實時精密定位技術提高作業(yè)車實時定位精度，通過通信網(wǎng)絡將作業(yè)車工作狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)實時上傳到調度中心，管理人員在調度時能實時掌握鐵路檢修機車的位置信息，分辨其所在的軌道，實現(xiàn)機車的準確定位與實時調度功能。

2.2 作業(yè)機車終端設備

作業(yè)機車定位終端設備主要實現(xiàn)作業(yè)機車自身的高精度定位功能，并將定位結果上報給調度中心。主要設備包括GPS定位終端（含GPS接收機、GPS天線、GPRS/3G數(shù)據(jù)通信模塊、處理器及電源模塊等）。每個作業(yè)機車須配備一套，以實現(xiàn)機車的自定位。

數(shù)據(jù)通信模塊上電后即主動連接調度中心的服務器，建立通信鏈路。GPS接收機上電后即工作，輸出相應的定位數(shù)據(jù)。廣域實時精密定位系統(tǒng)需要實時計算衛(wèi)星軌道與鐘差，并與廣播星歷計算的軌道和鐘差進行差分，生成的差分數(shù)作為精密產(chǎn)品通過通信鏈路發(fā)播給實時用戶，車載終端設備接收差分數(shù)據(jù)，用于高精度定位解算，并把高精度定位數(shù)據(jù)上傳到調度中心。

2.3 供電段指揮調度中心

接收各作業(yè)機車定位終端送來的高精度GPS定位數(shù)據(jù)，將結果顯示在計算機軟件上。擬采用固定IP網(wǎng)絡服務，調度中心作業(yè)服務器，各作業(yè)機車定位終端設備作為客戶端，終端上電后主動連接調度中心作業(yè)服務器，建立網(wǎng)絡連接，連接成功后主動將作業(yè)車終端定位結果數(shù)據(jù)上報給調度中心。

供電段指揮調度中心要開發(fā)基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的指揮管理軟件。車載計算機與供電段指揮調度中心計算機通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，采用TCP/IP通信協(xié)議。車載計算機作為客戶端，供電段指揮調度中心計算機作為服務器端，這樣機車車載系統(tǒng)就可以通過固定IP和服務端口連接到服務器軟件上。

3 系統(tǒng)定位精度測試

作業(yè)機車終端設備主要包括GPS接收機及GPS天線實現(xiàn)機車的自定位。GPS接收機采用OEM628模塊。

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

測試精度從收斂后開始統(tǒng)計（即從觀測20 min后開始進行統(tǒng)計精度）；平面精度統(tǒng)計公式為95%置信區(qū)間為兩倍的RMS值。RMS的統(tǒng)計公式為中x為樣本的數(shù)值。

3.2 測試結果

收斂時間分析：平面精度在5 min內收斂到分米級精度,如圖3所示。定位結果時間序列圖如圖4所示。

圖3 收斂時間序列圖

圖4 定位結果時間序列圖

統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)表

測試數(shù)據(jù)分析結果表明：本系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定接收精密定位信號，定位精度滿足定位指標要求，且實時定位結果精度穩(wěn)定，測試指標合格。

4 結束語

本文針對鐵路作業(yè)車安全生產(chǎn)和高效管理的需求，提出了綜合應用GPS、GIS、3G/GPRS等先進技術的作業(yè)車管理系統(tǒng)方案，建立以供電段調度為中心，現(xiàn)場作業(yè)車為管理對象的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)全天候跟蹤定位作業(yè)車位置，不斷提高作業(yè)車的管理效率，保障鐵路的高效建設與科學管理。該成果已于2013年8月通過上海鐵路局科技成果鑒定，并已陸續(xù)在上海鐵路局南京供電段和合肥供電段推廣應用，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

該項目得到了武漢大學國家衛(wèi)星定位系統(tǒng)工程技術研究中心施闖、宋偉偉和易文婷等各位老師的指導和幫助，在此表示感謝。

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[3] 施 闖，李 敏，等. 利用區(qū)域基準站進行導航衛(wèi)星近實時精密定軌研究[J].武漢大學學報，2008，33（7）：697-700.

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責任編輯 陳 蓉

Railway Operating Vehicle Management System with Wide Area real time precise positioning technique

XU Shimin1, HUANG Rongxing2
( 1. PLA Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China；2. Hefei Supply Depot, Shanghai Railway Administration, Hefei 230037, China )

In allusion to the demand of safety production and efficient management, it was proposed the information based management project for operating vehicle by integrated application of GPS, GIS and 3G/ GPRS, etc. The precise position of operating vehicle could be enhanced by using Wide Area real time precise position technique. The testing result showed that the positioning precise could be reached at level decimeter.

precise positioning; real time; operating vehicle; management

U285.24∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0027-03

2014-07-13

許士敏，副教授； 黃榮星，高級工程師。