基于北斗高精度定位的工務(wù)現(xiàn)場作業(yè)全過程安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

史小坤工程師

（中國鐵路上海局集團公司 南京橋工段，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來我國鐵路發(fā)展的日新月異，特別是大量高速鐵路的興建，伴隨而來的鐵路運輸客流、物流急速攀升，列車運行密度逐漸加大。南京橋工段作為鐵路設(shè)備養(yǎng)修的鐵路工務(wù)部門，所面臨的養(yǎng)修任務(wù)日趨繁重。鐵路設(shè)備養(yǎng)修單位作為勞動密集型行業(yè)，具有從業(yè)人員素質(zhì)參差不齊，鐵路沿線外部環(huán)境復(fù)雜多變，養(yǎng)護維修作業(yè)地點變化不定、天窗資源的嚴重缺乏、頻繁的上道作業(yè)等特點，其所帶來的人身安全隱患日趨顯現(xiàn)。因此，在保障我國鐵路快速發(fā)展的同時，如何確保鐵路工務(wù)從業(yè)人員的人身安全是當(dāng)前急需解決的一大難題，顯得尤為重要。

當(dāng)前國內(nèi)針對上道作業(yè)人員行為安全的管控手段主要通過現(xiàn)場跟班、視頻抽查等方式盯控，但受人員精力、抽查時段、違章行為的隨機性等因素影響，使得很多違章行為不能提前做好預(yù)控，同時缺乏對作業(yè)人員的有效安全提醒，以至于現(xiàn)場慣性違章問題屢禁不止，人身安全傷害事件難以杜絕。

而國外鐵路的行情與國內(nèi)現(xiàn)狀有著明顯的不同，國外鐵路運量和密度相對于國內(nèi)要小得多，且對線路的養(yǎng)護維修作業(yè)能夠全部納入施工天窗，有作業(yè)時不行車，同時通過大量機械化、自動化養(yǎng)修設(shè)備的投入使用，避免了人員頻繁上道潛在的安全風(fēng)險，有效保障作業(yè)人員的人身安全。

針對目前國內(nèi)外鐵路設(shè)備養(yǎng)修單位對現(xiàn)場人員的行為安全管控還存在諸多不足，本文結(jié)合北斗高精度定位技術(shù)在此方面進行探討研究，建立了以高精度矢量電子地圖和北斗高精度差分定位技術(shù)為支撐的作業(yè)過程安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對上道作業(yè)人員的準確定位、電子圍欄實時盯控、安全風(fēng)險語音提示等，規(guī)范其作業(yè)行為，從根源上確保每名作業(yè)人員的安全。

1 現(xiàn)場安全控制的新思路

隨著我國北斗地基增強系統(tǒng)的建成，使得廣域分米級、區(qū)域厘米級的精準位置服務(wù)成為可能[1]。這為鐵路上道作業(yè)人員的行為安全管控提供了新的思路。

基于北斗高精度電子地圖，導(dǎo)入每日作業(yè)計劃，自動生成電子圍欄區(qū)域，同時為上道作業(yè)的每名個體配備定位終端，即可實現(xiàn)對上道作業(yè)人員分米級的實時精確定位，對觸碰電子圍欄界限的個體觸發(fā)安全提示，并進行實時報警。同時對安全關(guān)鍵處所（進出通道門、瞭望不良地段、跨越股道處所等）在所采集的高精度電子地圖上進行安全提示信息錄入，當(dāng)佩戴定位終端設(shè)備的個體匹配上安全關(guān)鍵處所的定位信息時，觸發(fā)安全提示信息，實現(xiàn)對作業(yè)人員行為安全的有效預(yù)控和安全信息提示。

通過配備集成高精度位置服務(wù)的定位終端，實現(xiàn)對上道作業(yè)人員的分米級定位；通過導(dǎo)入每日作業(yè)計劃，自動精準生成電子圍欄，建立安全監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)具有“作業(yè)人員精準定位、移動路線追溯、電子圍欄智能預(yù)警、安全風(fēng)險語音提示、險情一鍵緊急求助、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析”等功能，能夠?qū)崟r掌控現(xiàn)場作業(yè)人員的作業(yè)行為，有效規(guī)范其行為安全，最大限度的保障從業(yè)人員的生命安全。

2 系統(tǒng)方案理論架構(gòu)

本系統(tǒng)核心采用RTK定位技術(shù)。實時動態(tài)（Real-time Kinematic，RTK）即實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)[2]。實時動態(tài)載波相位差分測量是指在運動狀態(tài)下通過跟蹤處理接收衛(wèi)星信號的載波相位，從而獲得比RTD（Real-time Ddifferential，實時動態(tài)碼相位差分技術(shù)）常規(guī)差分測量高得多的定位精度，可以達到分米級。

以RTK技術(shù)為基礎(chǔ)，在鐵路人員定位終端的技術(shù)方面，選擇基于CORS（利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)）基礎(chǔ)上的實時差分定位技術(shù)。其定位技術(shù)原理是在某一區(qū)域內(nèi)建立若干個GNSS基準站，對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，聯(lián)合若干基準站數(shù)據(jù)解算或消除電離層、對流層等影響，發(fā)播GNSS改正信息，對該地區(qū)內(nèi)的GNSS用戶進行實時載波相位/偽距差分改正，從而提高定位精度，稱為GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

依托衛(wèi)星高精度差分定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地理信息（Geographic Information System，GIS）技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理等技術(shù)搭建鐵路作業(yè)人員精準管控系統(tǒng)[3]，實現(xiàn)對作業(yè)人員的高效動態(tài)管理，提升施工安全。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖，如圖1。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System logic structure diagram

系統(tǒng)由人員定位終端、高精度精準電子圍欄管控平臺（以下簡稱“平臺”）組成。人員定位終端佩戴在作業(yè)人員身上，實時接收國家北斗地基增強系統(tǒng)地面差分站播發(fā)的差分改正信息，實現(xiàn)對人員的分米級精準定位，并將定位結(jié)果實時發(fā)送給平臺。平臺通過對終端傳送數(shù)據(jù)進行分析，得到人員的具體位置，并將位置信息在地圖上顯示，同時判斷人員是否在已設(shè)定好的施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)（電子圍欄），根據(jù)判斷結(jié)果進行安全區(qū)域報警，實現(xiàn)對人員的精準安全管控。

3.1 高精度電子圍欄管控平臺

該監(jiān)測系統(tǒng)平臺采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）和SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）并且預(yù)留統(tǒng)計分析相關(guān)接口，確保系統(tǒng)具有良好的可擴展性。

平臺是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，集中實現(xiàn)服務(wù)、調(diào)度、接收/處理報警和其他信息服務(wù)，并對整個系統(tǒng)的軟硬件進行協(xié)調(diào)、管理。其總體架構(gòu)，如圖2。

圖2 平臺總體架構(gòu)圖Fig.2 Overall architecture of the platform

3.2 高精度個體定位終端

高精度人員定位終端作為前端信息采集設(shè)備，具有實時數(shù)據(jù)采集和記錄功能，能夠?qū)⑷藛T的位置、移動速度等信息通過通訊模塊發(fā)送到平臺[4]。

本系統(tǒng)的設(shè)計選用自主研發(fā)的人員高精度終端NND902，如圖3。

NND902北斗高精度人員定位器技術(shù)參數(shù)如下，見表1。

3.3 高精度矢量電子地圖

由于鐵路線路圖分布較為復(fù)雜，系統(tǒng)采取以高精度地圖為基礎(chǔ)的，基于地圖矢量化對鐵路線路按里程進行均分處理，通過發(fā)布地圖服務(wù)為平臺應(yīng)用，尤其是自動化電子圍欄提供服務(wù)。對采集的高清電子地圖根據(jù)鐵路設(shè)備的類型進行準確定義劃分，線路采用帶狀定義劃分，道岔采用塊狀定義劃分，同時在對應(yīng)位置輸入鐵路公里標信息，如圖4。

圖3 高精度個體終端外形圖Fig.3 High-precision individual terminal contour diagram

表1 北斗高精度人員定位器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of high precision beidou personnel positioner

系統(tǒng)使用開源的GIS處理軟件QGIS進行地圖矢量化處理。主要步驟如下：

（1）加載高清影像地圖。

（2）設(shè)置WGS84坐標系進行坐標轉(zhuǎn)換。

（3）以鐵路線路的初始位置坐標、末尾位置坐標為基準，通過添加點線面圖層操作，對鐵路線路賦予公里標并標注，從而為導(dǎo)入作業(yè)計劃，自動生成電子圍欄埋下伏筆。

圖4 基于高精度電子地圖的鐵路設(shè)備定義劃分Fig.4 Railway equipment de fi nition division based on high-precision electronic map

（4）通過添加矢量化圖元對重要場所進行標注。

（5）發(fā)布地圖服務(wù)，如圖5。

圖5 基于矢量地圖生成電子圍欄效果圖Fig.5 Electronic fence rendering based on vector map

3.4 抗復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的高精度算法

考慮到鐵路工務(wù)作業(yè)的復(fù)雜度，系統(tǒng)在設(shè)計層面進行算法創(chuàng)新，以最小影響因素為基礎(chǔ)提出了抗復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的高精度算法[5]，解決人員定位數(shù)據(jù)偶爾漂移、丟失等問題。

有很多種因素會影響到北斗的準確率，以下是一個北斗誤差引入表，見表2。

表2 影響北斗定位誤差因素Tab.2 Factors aあecting beidou positioning error

3.5 基于移動模型預(yù)判的動態(tài)預(yù)測修正算法

系統(tǒng)根據(jù)上道作業(yè)人員的移動模型，提前預(yù)判人員的移動軌跡，結(jié)合衛(wèi)星信號狀態(tài)、移動速率、北斗基準站差分數(shù)據(jù)等，動態(tài)修正、調(diào)整人員定位精準度。動態(tài)預(yù)測修正算法，如圖6。

圖6 動態(tài)預(yù)測修正算法Fig.6 Dynamic prediction correction algorithms

4 方案特點

基于北斗高精度的精準電子圍欄管控方案具有以下特點，可以概括為：

（1）優(yōu)于0.5m級精度：精度高于傳統(tǒng)定位方式幾十倍。

（2）20000+容量：系統(tǒng)內(nèi)可容納人員定位終端數(shù)量無限可擴展。

（3）自主知識產(chǎn)權(quán)算法設(shè)計：系統(tǒng)集成多種自主知識產(chǎn)權(quán)的算法對作業(yè)人員及施工作業(yè)過程的精準管控，關(guān)鍵地段的安全風(fēng)險語音提示。

（4）高性價比、可快速部署。

（5）可根據(jù)特殊需求進行二次定制開發(fā)。

5 系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)及成果

5.1 系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)主要對鐵路上道作業(yè)人員的行為安全進行監(jiān)測管控，研究的數(shù)據(jù)包括：作業(yè)人員高精度差分定位數(shù)據(jù)及行走軌跡數(shù)據(jù)；施工區(qū)域高清地圖數(shù)據(jù)；施工作業(yè)計劃及作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時間數(shù)據(jù)。

通過對以上數(shù)據(jù)的研究，結(jié)合算法的處理、可視化的分析展現(xiàn)，能夠較為精準的實現(xiàn)對作業(yè)人員的行為安全管控；通過數(shù)據(jù)的分析研判能夠為作業(yè)計劃的制定和人員管理的科學(xué)決策提供有力支撐。

5.2 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果

基于采集某站區(qū)的高精度鐵路電子地圖，結(jié)合工務(wù)現(xiàn)場作業(yè)全過程安全監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)日作業(yè)計劃導(dǎo)入監(jiān)測系統(tǒng)后自動生成作業(yè)區(qū)域電子圍欄，由作業(yè)個體攜帶高精度智能單兵設(shè)備進入作業(yè)區(qū)域，當(dāng)作業(yè)個體超出作業(yè)區(qū)域或觸碰電子圍欄界線時，立即觸發(fā)監(jiān)測報警信息，作業(yè)個體前端觸發(fā)安全提示信息，同時對作業(yè)個體行走軌跡實時追蹤。同一地點的應(yīng)用效果，如圖7、8。

圖7為在安全或規(guī)定的作業(yè)期間內(nèi)攜帶終端人員進入作業(yè)區(qū)域，作業(yè)區(qū)域（圖中黑色陰影區(qū)域）未發(fā)生告警（作業(yè)區(qū)域顏色未變，右下角無告警窗口）。

圖8為在非安全或非規(guī)定的作業(yè)期間內(nèi)攜帶終端人員進入作業(yè)區(qū)域，作業(yè)區(qū)域（圖中黑色陰影區(qū)域）發(fā)生告警（作業(yè)區(qū)域顏色改變，右下角顯示告警窗口）。

圖7 作業(yè)個體在作業(yè)區(qū)域內(nèi)未觸發(fā)報警Fig.7 Alarm is not triggered by individual assignment in the assignments area

圖8 作業(yè)個體超出作業(yè)區(qū)域觸發(fā)報警Fig.8 The alarm is triggered when the job individual exceeds the job area

6 結(jié)論

通過高精度定位的工務(wù)現(xiàn)場全過程安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了對現(xiàn)場人員從進入作業(yè)通道門到撤出作業(yè)通道門全過程的安全控制，具備以下功能：實現(xiàn)對作業(yè)人員優(yōu)于0.5m級的高精度實時定位；能夠根據(jù)每日作業(yè)計劃，自動生成當(dāng)日作業(yè)相對應(yīng)的電子圍欄；對電子地圖上的安全關(guān)鍵處所（進出通道門、瞭望不良地段、跨越股道處所等）植入安全信息，作業(yè)人員經(jīng)過時自動觸發(fā)終端安全風(fēng)險語音提示；對提前進入范圍、延遲下道、超范圍作業(yè)等違章行為，實時進行安全報警。

目前的高精度定位終端還不具備圖像實時傳輸功能，下一步將對高精度定位終端與實時錄像定位設(shè)備的融合進行研究，通過實時畫面與高精度定位信息的匹配驗證，實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場作業(yè)行為更直觀的管控，進一步保障工務(wù)上道作業(yè)人員的人身安全。