企業(yè)鐵路可視化機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉世剛, 郭文新

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 鐵路運(yùn)輸分公司，馬鞍山 243003；2 .成都勞杰斯信息技術(shù)有限公司，成都 610036）

企業(yè)鐵路可視化機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉世剛1, 郭文新2

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 鐵路運(yùn)輸分公司，馬鞍山 243003；2 .成都勞杰斯信息技術(shù)有限公司，成都 610036）

本文論述了DGPS技術(shù)和基于軌道信號(hào)的MESH無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)鐵路機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控方面的應(yīng)用。該應(yīng)用將MESH無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于企業(yè)鐵路機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)將鐵路信號(hào)和機(jī)車(chē)運(yùn)行前方進(jìn)路（道口或貨位等）視頻回傳、DGPS亞米級(jí)高精度定位等功能帶來(lái)的各類(lèi)安全預(yù)警，使得企業(yè)鐵路機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控達(dá)到可視化。

機(jī)車(chē)運(yùn)行；MESH網(wǎng)絡(luò)；視頻；DGPS；實(shí)時(shí)監(jiān)控

在我國(guó)冶金、鋼鐵、礦山、化工等行業(yè)存在著大量專(zhuān)用鐵路（企業(yè)自備鐵路），專(zhuān)用鐵路是企業(yè)生產(chǎn)組織的重要環(huán)節(jié)，是我國(guó)大中型企業(yè)主要的運(yùn)輸方式，在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中起著重要的作用。機(jī)車(chē)作為企業(yè)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的主要設(shè)備，它的運(yùn)行和管理尤為重要和關(guān)鍵。

1 研發(fā)意義

基于MESH無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和DGPS技術(shù)的企業(yè)鐵路可視化機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)可視化機(jī)車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)）的研發(fā)，對(duì)企業(yè)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)具有重大意義。

（1）加大了作業(yè)機(jī)車(chē)的監(jiān)控力度。本系統(tǒng)為各站行車(chē)調(diào)度（區(qū)調(diào)）提供了管轄區(qū)域內(nèi)機(jī)車(chē)的位置、速度等數(shù)據(jù)，使行車(chē)調(diào)度隨時(shí)掌握各臺(tái)機(jī)車(chē)的作業(yè)進(jìn)度，準(zhǔn)確監(jiān)控每臺(tái)機(jī)車(chē)的作業(yè)，從而提高了鐵路運(yùn)輸保產(chǎn)的能力。

同時(shí)基于MESH無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的高帶寬實(shí)時(shí)機(jī)車(chē)監(jiān)控視頻的回傳及機(jī)車(chē)進(jìn)路前方道口或貨位實(shí)際場(chǎng)景實(shí)時(shí)視頻的回傳[1]，對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)調(diào)度指揮人員有極其重要的作用。

（2）提高機(jī)車(chē)的作業(yè)效率，減少機(jī)車(chē)使用臺(tái)數(shù)，降低運(yùn)輸成本。本系統(tǒng)提供了一種嶄新的工作平臺(tái)，通過(guò)此平臺(tái)，鐵路行車(chē)總調(diào)度拓寬了監(jiān)控范圍?？烧驹谌值慕嵌龋笓]各站行車(chē)調(diào)度，使全部運(yùn)輸機(jī)車(chē)都有效地運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，達(dá)到對(duì)全部機(jī)車(chē)作業(yè)實(shí)施監(jiān)控的目的。另外，調(diào)度中心與機(jī)車(chē)實(shí)現(xiàn)了調(diào)度指令的無(wú)線(xiàn)傳輸，兩者結(jié)合大幅度提高了機(jī)車(chē)的作業(yè)效率。

（3）加強(qiáng)運(yùn)輸機(jī)車(chē)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)督，減少行車(chē)事故的發(fā)生。本系統(tǒng)可以使機(jī)車(chē)作業(yè)人員自覺(jué)地按標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行作業(yè)，從而大幅度減少行車(chē)事故，并且為事故分析提供可靠的依據(jù)。

（4）“微機(jī)聯(lián)鎖+DGPS”形成雙保險(xiǎn)。DGPS機(jī)車(chē)衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)與微機(jī)信號(hào)連鎖系統(tǒng)結(jié)合形成了安全的雙保險(xiǎn)，除了顯示信號(hào)和軌道狀態(tài)外，同時(shí)顯示機(jī)車(chē)在軌道的準(zhǔn)確位置，這樣就可有效地防止上述安全事故的發(fā)生。

（5）優(yōu)化鐵路行車(chē)組織。由于企業(yè)鐵路可視化機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)全部機(jī)車(chē)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行回放，并對(duì)每臺(tái)作業(yè)機(jī)車(chē)的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從中發(fā)現(xiàn)機(jī)車(chē)作業(yè)過(guò)程中不合理的部分，從而改進(jìn)各臺(tái)機(jī)車(chē)作業(yè)方案，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化行車(chē)組織的目的。

2 開(kāi)發(fā)要求

2.1 對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、定位和監(jiān)控

（1）在機(jī)車(chē)車(chē)載顯示屏上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示本機(jī)車(chē)及所掛車(chē)輛在股道上的具體位置；（2）在機(jī)車(chē)車(chē)載顯示屏上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示距離本車(chē)列行進(jìn)方向最近信號(hào)機(jī)狀態(tài)和距離，系統(tǒng)要求距離誤差不大于3 m；（3）在機(jī)車(chē)車(chē)載顯示屏上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示機(jī)車(chē)速度曲線(xiàn)。（4）機(jī)車(chē)運(yùn)行動(dòng)態(tài)軌跡及回放。

2.2 對(duì)機(jī)車(chē)調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)的安全進(jìn)行預(yù)警及防護(hù)

（1）對(duì)機(jī)車(chē)冒進(jìn)信號(hào)前，進(jìn)行低頻和高頻兩級(jí)語(yǔ)音預(yù)警；（2）當(dāng)車(chē)列行進(jìn)前方為盡頭線(xiàn)時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音低頻和高頻兩級(jí)語(yǔ)音預(yù)警；（3）當(dāng)車(chē)列行進(jìn)的速度超過(guò)了股道限速時(shí)，進(jìn)行低頻和高頻兩級(jí)語(yǔ)音預(yù)警；（4）特殊區(qū)段限速控制。根據(jù)用戶(hù)使用要求，對(duì)需要限制速度的區(qū)段進(jìn)行速度限制及預(yù)警；（5）測(cè)量車(chē)列長(zhǎng)度，實(shí)時(shí)提供實(shí)際甩掛鉤驗(yàn)證車(chē)輛數(shù)，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤摘掛車(chē)輛作業(yè)報(bào)警；（6）當(dāng)檢測(cè)到機(jī)車(chē)出現(xiàn)闖紅燈、超速等情況時(shí)，可以對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行應(yīng)急制動(dòng)控制。

2.3 其它功能

（1）機(jī)車(chē)車(chē)載終端可以與機(jī)車(chē)工況測(cè)控主機(jī)進(jìn)行接口（RS232），采集記錄機(jī)車(chē)運(yùn)行工況信息并進(jìn)行回放，記錄內(nèi)容包括柴油機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)等運(yùn)行參數(shù)并在后臺(tái)形成曲線(xiàn)，可以與速度同步回放；（2）機(jī)車(chē)車(chē)載終端可以與物流跟蹤系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口，接收處理相關(guān)數(shù)據(jù)；（3）機(jī)車(chē)車(chē)載終端具有打印輸出接口；（4）電子添乘的內(nèi)容可根據(jù)要求實(shí)時(shí)回傳到地面管理終端。

3 關(guān)鍵技術(shù)和要點(diǎn)

3.1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的選擇

MESH無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)[2]，也稱(chēng)為“多跳（multihop）”網(wǎng)絡(luò)[3]，是一種新型的基于WiFi 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)解決方案。它可以動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建新的鏈接和其它節(jié)點(diǎn)相連，且組網(wǎng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展，從而大幅度降低專(zhuān)網(wǎng)用戶(hù)或運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署的成本和復(fù)雜程度。

在本系統(tǒng)中選擇Strix OWS產(chǎn)品系列，它具備如下特點(diǎn)：保證機(jī)車(chē)視頻監(jiān)控雙向傳輸所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬；機(jī)車(chē)高速移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速切換；鐵路沿線(xiàn)Mesh基站具有極強(qiáng)的自愈能力；企業(yè)鐵路的惡劣環(huán)境要求極強(qiáng)的抗干擾性；網(wǎng)絡(luò)的可管理性。

3.2 GPS的定位精度

通常GPS的定位精度為5 m～10 m，而在企業(yè)專(zhuān)用鐵路的站場(chǎng)，5 m～10 m往往可以橫跨3～4條鐵路線(xiàn)路，并且線(xiàn)路軌間距為1.435 m，因此普通GPS的定位精度達(dá)不到機(jī)車(chē)運(yùn)行監(jiān)控的要求。本項(xiàng)目利用差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Positioning System，簡(jiǎn)稱(chēng) DGPS 或差分GPS），它是一種應(yīng)用于全球定位系統(tǒng)中用以提高民用定位精度的技術(shù)，可以提高局部范圍內(nèi)用戶(hù)的定位精度，利用這一方法可以將用戶(hù)的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位精度提高到亞米級(jí)。 本項(xiàng)目定位精度可達(dá)到0.45 M（CEP），完全適用于企業(yè)機(jī)車(chē)運(yùn)行監(jiān)控。

3.3 工作原理

本系統(tǒng)不僅需要其各分系統(tǒng)間協(xié)同工作，還需要與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、MESH網(wǎng)絡(luò)有機(jī)集成。系統(tǒng)主要工作原理如下：

DGPS基準(zhǔn)站分系統(tǒng)的GPS接收天線(xiàn)架設(shè)在已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)（在調(diào)度中心樓頂）上，根據(jù)接收到的GPS信號(hào)及預(yù)先測(cè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)解算出差分改正數(shù)，并實(shí)時(shí)地將差分改正數(shù)據(jù)通過(guò)MESH無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向車(chē)載分系統(tǒng)播發(fā)。實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星定位子系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。

車(chē)載分系統(tǒng)中的GPS接收機(jī)接收GPS差分改正數(shù)據(jù)和GPS衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，得到所測(cè)機(jī)車(chē)的精確位置。

利用MESH網(wǎng)絡(luò)，不僅實(shí)現(xiàn)差分信息的播發(fā)和機(jī)車(chē)位置信息的回傳，同時(shí)還通過(guò)數(shù)據(jù)處理中心的中心處理軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令的雙向報(bào)文通信，并實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令及相關(guān)視頻在各個(gè)機(jī)車(chē)、站場(chǎng)、調(diào)度中心間的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)。

3.4 開(kāi)發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用C/S 模式結(jié)構(gòu)，選擇了基于GIS組件的集成二次開(kāi)發(fā)方法，GIS組件選用MapX，高級(jí)語(yǔ)言選用Microsoft Visual Studio 2008，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)利用Microsoft SQL Server 2008。

3.5 主要數(shù)據(jù)處理流程

DGPS數(shù)據(jù)處理流程圖如圖1所示。

微機(jī)聯(lián)鎖、調(diào)車(chē)作業(yè)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

圖1 DGPS數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2 微機(jī)聯(lián)鎖、調(diào)車(chē)作業(yè)數(shù)據(jù)處理流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：地面設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、機(jī)車(chē)車(chē)載終端。地面設(shè)備包括DGPS基站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口工控機(jī)、視頻服務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等。傳輸網(wǎng)絡(luò)包括企業(yè)局域網(wǎng)、MESH無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。機(jī)車(chē)車(chē)載終端包括GPS接收機(jī)、車(chē)載電腦、車(chē)載視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)、MESH網(wǎng)絡(luò)通信單元。企業(yè)鐵路可視化機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

5 應(yīng)用效果

2012年10月，馬鞍山鋼鐵集團(tuán)鐵路運(yùn)輸公司對(duì)企業(yè)內(nèi)53臺(tái)機(jī)車(chē)陸續(xù)安裝了機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，完成了開(kāi)發(fā)要求的所有功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行及司乘人員的安全作業(yè)監(jiān)控；機(jī)車(chē)動(dòng)態(tài)軌跡記錄及回放；機(jī)車(chē)運(yùn)行安全預(yù)警（信號(hào)和DGPS雙控模式）；機(jī)車(chē)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)；機(jī)車(chē)油耗管理等功能，達(dá)到了為企業(yè)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)保駕護(hù)航的目的。

6 結(jié)束語(yǔ)

企業(yè)鐵路可視化機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、差分GPS、鐵路信號(hào)、視頻監(jiān)控、智能控制等技術(shù)開(kāi)發(fā)的，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用帶來(lái)全新的管理理念。其中部分成果已成功運(yùn)用于馬鞍山鋼鐵集團(tuán)、河北鋼鐵唐山分公司等大型企業(yè)，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 何明明，李立軍，劉 鋼. 機(jī)車(chē)電子添乘裝置在鐵路管理中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng) 新導(dǎo)報(bào)， 2011（29）： 50-51.

圖3 企業(yè)鐵路可視化機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

[2] 方旭明. 無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：人 民郵電出版社，2006.

[3] Mario Botsch. Polygon Mesh Processing[M]. AK Peters, Ltd, 2010.

[4] 潘云松，沈 濤. 行車(chē)和調(diào)車(chē)作業(yè)綜合信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，18（7）：48-50.

[5] 郭文新，張曉峰.專(zhuān)用鐵道可視化調(diào)車(chē)系統(tǒng)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，16（2）：24-25.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Visual Locomotive Running Real Time Monitoring System for enterprise railway

LIU Shigang1, GUO Wenxin2
( 1. Railway Transport Branch, Maanshan Iron&Steel CO.,LTD, Ma,anshan 243003, China; 2. Chengdu Logistics Information Technology Co.,LTD, Chengdu 610036, China )

This paper discussed the application of DGPS technology and wireless MESH network to enterprise railway in locomotive running real time monitoring on the basis of track signal in detail. In this application, the MESH wireless network technology was used in locomotive running real time monitoring for enterprise railway. Through track signal and video of locomotive front route (crossing or location, etc), DGPS sub-meter precision positioning function, it was implemented the visual locomotive running real time monitoring for enterprise railway.

locomotive running; MESH network; video; DGPS; locomotive-ground joint control

U260.42∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0033-04

2014-06-19

劉世剛 , 工程師；郭文新，高級(jí)工程師。