基于北斗施工安全防護系統(tǒng)研究與開發(fā)

李養(yǎng)民

（京廣鐵路客運專線河南有限責(zé)任公司，北京 豐臺 100070）

1 引言

隨著鐵路運營速度的提升和高速鐵路的快速發(fā)展，我國鐵路運營條件產(chǎn)生了根本性的變革，列車的行駛速度越來越快，間隔越來越短。作為鐵路通信信號施工企業(yè)，承擔(dān)了大部分鐵路既有線路的改造與施工，在這種狀況下，如果在施工工程中出現(xiàn)瞭望不及時，就可能出現(xiàn)重大的安全事故，甚至危及生命。安全防護在鐵路既有線路施工中是至關(guān)重要的，因此，本文提出了基于北斗施工安全防護系統(tǒng)，施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，實現(xiàn)對施工人員位置和活動軌跡進行實時監(jiān)控，一旦越過安全區(qū)域，對施工人員進行聲音和震動提醒，同時也可在移動監(jiān)控平臺和后臺監(jiān)控平臺觀察現(xiàn)場情況，實現(xiàn)對施工人員的安全防護。

2 基于北斗施工安全防護系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于北斗施工安全防護系統(tǒng)，采用了可穿戴設(shè)備和北斗定位技術(shù)。施工人員佩戴的穿戴設(shè)備，把北斗定位系統(tǒng)提供的所處坐標(biāo)，通過GPRS公網(wǎng)通信，傳輸位置坐標(biāo)信息到后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)安全施工區(qū)域的劃定和RTK差分定位，對施工人員活動進行判定是否越界。實現(xiàn)對施工人員位置的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并根據(jù)人員位置與施工安全防護區(qū)域進行自動判斷，一旦越過安全區(qū)域，對施工人員進行聲音和震動提醒，同時也支持移動監(jiān)控平臺和后臺監(jiān)控平臺，方便現(xiàn)場人員和項目部值班人員掌控現(xiàn)場施工情況。

施工人員可穿戴設(shè)備與防護系統(tǒng)建立連接，回傳位置數(shù)據(jù)和接收指令信息；現(xiàn)場防護人員配置平板電腦，作為移動監(jiān)控終端，通過APP上的移動監(jiān)控平臺可以管理安全區(qū)域，同時觀察人員位置信息和越界告警；項目部值班人員，可通過監(jiān)控電腦，登入Web端的后臺監(jiān)控平臺，可以實現(xiàn)對施工人員的全過程位置監(jiān)控，同時以計劃管理、電子圍欄監(jiān)控等輔助手段，達到施工安全的監(jiān)控與管理的目的。系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于北斗施工安全防護系統(tǒng)構(gòu)成圖

整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于北斗施工安全防護的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能

基于北斗施工安全防護系統(tǒng)，主要功能包括：實時查看施工人員位置和活動軌跡，通過網(wǎng)絡(luò)實時遠(yuǎn)端監(jiān)控現(xiàn)場施工情況；一旦越出安全區(qū)域，進行聲音和震動提醒。系統(tǒng)整體包括高精度可穿戴設(shè)備、差分站、移動監(jiān)控終端、移動監(jiān)測平臺和后臺服務(wù)器監(jiān)測平臺。

(1)后臺監(jiān)控平臺和移動監(jiān)控平臺，功能主要包括實時監(jiān)控、發(fā)布告警信息、劃定安全區(qū)域、歷史軌跡回放，保存歷史報警信息、施工計劃調(diào)度、數(shù)據(jù)服務(wù)、設(shè)備遠(yuǎn)程管理、用戶權(quán)限管理、大數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析等，后端服務(wù)器最大并發(fā)接入量十萬，處理間隔在毫秒級。

(2)可穿戴設(shè)備，采用了一款亞米級的高精度穿戴設(shè)備，采用了雙星單頻差分定位技術(shù)，可以實現(xiàn)分米級的定位精度，有效抵消星鐘、星歷、電離層、對流層等因素產(chǎn)生的誤差。實現(xiàn)了鐵路施工過程中，對線路上下行的區(qū)分，進一步強化對施工人員位置的準(zhǔn)確定位和安全防護。

(3)差分基準(zhǔn)站，結(jié)合高精度定位差分基準(zhǔn)模塊和移動定位技術(shù)，配合差分服務(wù)器，可以與可穿戴設(shè)備連接通信，交互差分?jǐn)?shù)據(jù)，利用已知坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷計算出觀測值的校正值，并通過公網(wǎng)服務(wù)器，將校正值下發(fā)給可穿戴設(shè)備，實現(xiàn)高精度定位功能。

(4)移動監(jiān)控終端，采用大屏終端，運行安卓操作系統(tǒng)，采用4G通信。方便現(xiàn)場防護員對施工人員的位置和活動進行定位，通過公網(wǎng)回傳和下載數(shù)據(jù)，運行移動監(jiān)控平臺，實現(xiàn)劃定安全區(qū)域、人員實時位置監(jiān)控、人員越界報警、人員活動軌跡回放、保存歷史報警信息等主要功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)對施工人員的安全防護和精準(zhǔn)管理：

(1)多平臺轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)采用了跨平臺的監(jiān)控平臺的設(shè)置，采用B/S框架，可以實現(xiàn)在中控室的PC機的Web端的監(jiān)控平臺，方便多臺設(shè)備的遠(yuǎn)端登入，同時查看。同時，開發(fā)安卓平臺的APP，可以在移動平板和手機上安裝APP，實現(xiàn)現(xiàn)場的人員管理。

(2)通用協(xié)議應(yīng)用

本系統(tǒng)可穿戴設(shè)備與后臺服務(wù)器之間的協(xié)議采用通用的JT808協(xié)議，應(yīng)用于軌道交通運輸領(lǐng)域，采用JT808協(xié)議，可以方便對數(shù)據(jù)進行解析，可以實現(xiàn)對位置、時間、方向等數(shù)據(jù)的提取，同時也對高精度設(shè)備進行指令的下發(fā)，實現(xiàn)告警功能，聲音和震動提醒。

(3)數(shù)據(jù)庫管理

本系統(tǒng)是針對全國范圍內(nèi)的施工區(qū)域進行管理，通信量和處理量巨大，在數(shù)據(jù)庫配置方面，針對不同的業(yè)務(wù)，配置了通信服務(wù)器、處理服務(wù)器、web服務(wù)器、分析服務(wù)器和存儲服務(wù)器，滿足服務(wù)器記錄工作日志、人員活動數(shù)據(jù)、告警和警示信息、告警警示推送和確認(rèn)信息，記錄數(shù)據(jù)保留30天。實時對告警信息、警示信息、操作日志、人員活動軌跡等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

(4)安全區(qū)域判定算法

對于區(qū)域判定算法，采用引射線法，從待判定點出發(fā)作一條射線，計算射線與安全區(qū)域封閉邊界的交點數(shù)目。如果交點個數(shù)為偶數(shù)，則為區(qū)域內(nèi)部，如果有奇數(shù)數(shù)個交點，則說明在區(qū)域外部。

判斷兩線相交的公式如下：

(xi,yi),(xi+1,yi+1)為邊界兩側(cè)的點；(x0,y0)為邊界的點。

4 應(yīng)用場景

本系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位技術(shù)和可穿戴設(shè)備，為鐵路施工中施工人員的安全防護配套應(yīng)用場景。

(1)軌旁設(shè)備施工安全預(yù)警應(yīng)用

施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，把北斗定位系統(tǒng)提供的所處坐標(biāo)，通過GPRS公網(wǎng)通信，傳輸坐標(biāo)信息到后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)安全施工區(qū)域的劃定和RTK差分定位，對施工人員活動進行判定是否越界。當(dāng)越界，后臺服務(wù)器向手環(huán)發(fā)起警示，提醒佩戴手環(huán)的施工人員手環(huán)。同時現(xiàn)場平板和遠(yuǎn)端后臺，都可查看現(xiàn)場情況，顯示人員位置和信息，追蹤人員行動軌跡和保存歷史報警信息。

(2)軌跡回放應(yīng)用

施工人員佩戴可可穿戴設(shè)備，每秒向服務(wù)器上報一次位置。服務(wù)器對人員定位數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合位置和時間，可通過查詢?nèi)藛T軌跡，回放施工人員在施工過程中的位置和運動速度，方便對施工人員的施工進度和運動路線進行統(tǒng)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對施工人員的精確監(jiān)督和管理。

(3)人員心率監(jiān)控應(yīng)用

施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，向服務(wù)器上報心跳監(jiān)測信息，服務(wù)器接收心跳監(jiān)測信息并進行處理。若心跳信息異常，則將告警信息發(fā)送給可穿戴設(shè)備和管理終端，設(shè)備接收到報警信息，進行告警提醒，管理終端顯示報警狀態(tài)并進行聲音和震動提示；心跳信息恢復(fù)正常后，服務(wù)器發(fā)出告警取消指令，設(shè)備接收告警取消命令，停止告警提醒，管理終端消除報警狀態(tài)。

5 結(jié)束語

在鐵路線施工中，采用北斗定位技術(shù)、可穿戴設(shè)備和后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)處理。后臺服務(wù)器用北斗定位坐標(biāo)，劃定電子圍欄。施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，可穿戴設(shè)備把北斗定位系統(tǒng)提供的所處坐標(biāo)，通過公網(wǎng)通信，傳輸坐標(biāo)信息到后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)安全施工區(qū)域的劃定，對施工人員活動進行判定是否越界。移動管理終端接收可穿戴設(shè)備位置信息，并在屏幕上顯示人員分布，同時后臺監(jiān)控平臺也顯示人員信息和位置信息。服務(wù)器實時處理可穿戴設(shè)備的位置信息，若可穿戴設(shè)備位置超出工作區(qū)域，則向可穿戴設(shè)備和管理終端發(fā)出告警信息，管理終端顯示報警狀態(tài)并進行聲音和震動提示，可穿戴設(shè)備接收服務(wù)器發(fā)出的告警信息，進行告警提示。監(jiān)控平臺界面，如圖3。基于北斗施工安全防護系統(tǒng)的開發(fā)，可增強鐵路通信信號施工過程中的安全性、可靠性、可控性，有效地解決現(xiàn)有鐵路施工過程中施工人員的安全防護，為鐵路既有線施工人員安全提供科學(xué)的保障。

圖3 后臺監(jiān)控平臺界面