無線定位技術(shù)在動(dòng)車組運(yùn)用檢修中的應(yīng)用研究

楊春輝，詹珂昕，王 勝

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

在保障動(dòng)車組運(yùn)行安全的措施中，動(dòng)車組的運(yùn)用檢修發(fā)揮著極為重要的作用。為了滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程的規(guī)范化、精細(xì)化管理需求和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的可追溯性要求，動(dòng)車組運(yùn)用檢修過程數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控已成為不可或缺的環(huán)節(jié)。

運(yùn)用檢修過程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的核心就是對(duì)作業(yè)人員的定位跟蹤，目前對(duì)檢修作業(yè)人員的定位跟蹤主要存在以下問題：

（1）動(dòng)車組檢修庫環(huán)境干擾較大，動(dòng)車檢修庫內(nèi)會(huì)進(jìn)行包括洗車、高壓供斷電以及探傷鏇修等大型檢修項(xiàng)目，對(duì)于人員位置的跟蹤記錄影響較大。

（2）由于待檢修列車較多，運(yùn)用檢修作業(yè)極為緊湊，尤其是一級(jí)檢修作業(yè)，要求4 h內(nèi)必須完成。對(duì)于規(guī)模比較大的運(yùn)用所，運(yùn)用檢修作業(yè)更是繁忙，因此人員定位設(shè)備的使用必須簡(jiǎn)單便捷，不能增加現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)。

（3）動(dòng)車組檢修庫內(nèi)需要合理安排調(diào)車進(jìn)行檢修作業(yè)，因此對(duì)于人員的定位要求實(shí)時(shí)高效，以便于對(duì)動(dòng)車組檢修作業(yè)進(jìn)行有效的調(diào)度指導(dǎo)。

（4）對(duì)人員的定位監(jiān)控要求具有較高的精度，在復(fù)雜檢修環(huán)境下只有實(shí)現(xiàn)高精度的定位，才能完成對(duì)作業(yè)人員檢修位置的準(zhǔn)確采集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修作業(yè)過程的精準(zhǔn)高效管理。

目前，室內(nèi)人員定位的主流技術(shù)有紅外技術(shù)、WiFi(Wireless Fidelity)技術(shù)、ZigBee技術(shù)、射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和UWB技術(shù)等。紅外技術(shù)基于光的直線傳播原理，在室內(nèi)定位的精度很高，但是穿透性較差，當(dāng)存在遮擋時(shí)會(huì)極大影響定位效果[1-4]；WiFi定位技術(shù)通過掃描WiFi信號(hào)的強(qiáng)度來進(jìn)行位置定位，操作簡(jiǎn)單、成本低，但是在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，抗干擾能力差，信號(hào)強(qiáng)度容易產(chǎn)生跳變，導(dǎo)致定位偏差較大[5]；ZigBee定位技術(shù)采用低功耗、低成本的低速短距離傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)協(xié)議，操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但在傳播時(shí)遇到障礙物會(huì)嚴(yán)重影響到信號(hào)的強(qiáng)度，從而產(chǎn)生定位偏差[6]；RFID室內(nèi)定位技術(shù)作用距離較近，不具有通信能力，抗干擾能力較差[7]。

綜上可知，上述幾種室內(nèi)定位技術(shù)均不適合應(yīng)用于運(yùn)用檢修過程中，因此，亟待提出適合應(yīng)用在動(dòng)車組運(yùn)用檢修場(chǎng)景的無線定位技術(shù)方案。

1 無線定位技術(shù)方案

1.1 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙定位技術(shù)是一種工作在2.4 GHz ISM頻段的無線通信技術(shù)規(guī)范。它是基于接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指示（RSSI，Received Signal Strength Indication）定位原理進(jìn)行定位的，主要由終端設(shè)備和藍(lán)牙定位信標(biāo)構(gòu)成。當(dāng)終端設(shè)備進(jìn)入藍(lán)牙定位信標(biāo)信號(hào)覆蓋范圍，就能感應(yīng)到藍(lán)牙定位信標(biāo)的廣播信號(hào)，以此測(cè)算出在不同藍(lán)牙定位信標(biāo)下的RSSI值，并通過終端內(nèi)置的定位算法測(cè)算出終端設(shè)備的具體位置。藍(lán)牙定位技術(shù)具有低成本、低功耗、較強(qiáng)穿透能力的特點(diǎn)[8]。

1.2 UWB定位技術(shù)

超寬頻（UWB，Ultra Wide Band）技術(shù)是一種無載波通信方式，也稱作脈沖無線電通信或時(shí)域通信。它不利用傳統(tǒng)的載波來傳輸數(shù)據(jù)，而是通過發(fā)送和接收具有納秒及納秒以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，并具有千兆赫量級(jí)的帶寬。因此UWB是一種傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、功耗低的無線通信技術(shù)。

UWB定位系統(tǒng)由標(biāo)簽、定位基站、主基站和定位平臺(tái)組成，標(biāo)簽?zāi)軌虬l(fā)射UWB信號(hào)，定位基站通過接收該信號(hào)信息，測(cè)得標(biāo)簽與自身的距離，通過無線通信模塊發(fā)送給主基站，主基站負(fù)責(zé)接收定位基站傳回的距離數(shù)據(jù)，并發(fā)回服務(wù)器定位平臺(tái)，定位平臺(tái)負(fù)責(zé)獲取、分析并傳輸信息給用戶和其他相關(guān)信息系統(tǒng)。同時(shí)定位平臺(tái)還可以通過主基站對(duì)定位基站進(jìn)行配置和查詢[9-10]。UWB定位系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 UWB定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.3 運(yùn)用檢修無線定位方案

考慮到運(yùn)用檢修庫內(nèi)作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境測(cè)試，選擇使用藍(lán)牙和UWB定位技術(shù)相結(jié)合的方案以實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員全方位、精準(zhǔn)的定位監(jiān)控，并與動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相結(jié)合，為運(yùn)用檢修作業(yè)過程的管理提供應(yīng)用支撐。

無線定位方案基站設(shè)備的部署方式是，在檢修動(dòng)車組的支撐立柱上部署藍(lán)牙定位信標(biāo)，在檢修庫的頂部部署UWB定位基站設(shè)備，部署方式如圖2所示。采用這種部署方式，主要考慮的因素有以下幾點(diǎn)。

圖2 藍(lán)牙和UWB基站部署示意圖

（1）檢修庫內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，有多種復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)和大型檢修設(shè)備等干擾因素。UWB技術(shù)可以有效地排除此類干擾并且定位精確度較高，結(jié)合在動(dòng)車組底部檢修區(qū)域的支柱上部署穿透力較好、體積小的藍(lán)牙定位信標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修區(qū)域的精確定位和完全覆蓋。

（2）采用該定位方式，檢修作業(yè)人員工作時(shí)只需要攜帶手持終端機(jī)和UWB定位標(biāo)簽，攜帶輕便、方便現(xiàn)場(chǎng)的管理。

綜上，通過采用藍(lán)牙和UWB組合定位的方式，能在不增加作業(yè)人員工作負(fù)擔(dān)的情況下，有效解決復(fù)雜環(huán)境產(chǎn)生的干擾問題，實(shí)現(xiàn)比較精準(zhǔn)的全覆蓋的定位監(jiān)控效果。

2 無線定位技術(shù)在運(yùn)用檢修中的應(yīng)用

2.1 作業(yè)過程監(jiān)控功能

作業(yè)過程監(jiān)控功能是指利用定位技術(shù)，并結(jié)合運(yùn)用檢修的任務(wù)和故障信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)用檢修作業(yè)過程狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。功能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

檢修調(diào)度員從動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)獲取檢修任務(wù)信息并下發(fā)任務(wù)。檢修工長獲取任務(wù)信息后，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行派工，作業(yè)人員通過手持終端實(shí)時(shí)獲取到作業(yè)任務(wù)信息。作業(yè)人員在檢修作業(yè)時(shí)通過定位設(shè)備，實(shí)時(shí)將作業(yè)進(jìn)度信息展示到作業(yè)過程監(jiān)控大屏上。作業(yè)過程的監(jiān)控界面如圖4所示。

圖3 作業(yè)過程監(jiān)控功能結(jié)構(gòu)流程圖

服務(wù)器會(huì)實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前檢修庫內(nèi)股道上的動(dòng)車組數(shù)據(jù)，以及該動(dòng)車組的檢修任務(wù)情況，并在作業(yè)過程監(jiān)控界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)更新展示。檢修作業(yè)人員在作業(yè)時(shí)，通過定位設(shè)備，將定位的信息實(shí)時(shí)通過圖標(biāo)的形式展示出來，在動(dòng)車組下方的圖標(biāo)展示了該車位置的故障信息，通過不同形式的故障圖標(biāo)清晰的指示出各節(jié)車體是否有需要處理的故障信息等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)用檢修作業(yè)過程的高效控制和管理。

圖4 作業(yè)過程監(jiān)控界面

2.2 故障定位功能

檢修作業(yè)人員在運(yùn)用檢修作業(yè)過程中經(jīng)常需要處理很多臨時(shí)的故障信息。故障定位功能借助無線定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員所在位置故障的實(shí)時(shí)推送和播報(bào)，功能的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 故障定位功能流程圖

檢修作業(yè)人員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的動(dòng)車組檢修位置，自動(dòng)從服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)的、詳細(xì)的故障信息。如果當(dāng)前位置有需要處理的故障，系統(tǒng)會(huì)通過手持終端設(shè)備自動(dòng)向作業(yè)人員推送，并對(duì)故障信息進(jìn)行語音播報(bào)，使得作業(yè)人員能第一時(shí)間準(zhǔn)確掌握需要處理的動(dòng)車組故障。

2.3 路線時(shí)長統(tǒng)計(jì)及預(yù)警功能

路線時(shí)長統(tǒng)計(jì)及預(yù)警功能是針對(duì)作業(yè)過程中各類路線作業(yè)時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并實(shí)時(shí)預(yù)警的功能。作業(yè)時(shí)長統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容主要包括：（1）按人員統(tǒng)計(jì)作業(yè)時(shí)長；（2）按班組統(tǒng)計(jì)平均作業(yè)時(shí)長；（3）按不同作業(yè)位置統(tǒng)計(jì)作業(yè)時(shí)長。

作業(yè)時(shí)長預(yù)警功能將檢修作業(yè)人員的作業(yè)時(shí)長和標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)時(shí)長進(jìn)行對(duì)比，若超出標(biāo)準(zhǔn)范圍則實(shí)時(shí)給出預(yù)警提示信息。標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)長可由用戶自行設(shè)定，可根據(jù)車型和作業(yè)位置的不同分別進(jìn)行設(shè)置。檢修作業(yè)人員在作業(yè)過程中如果在某一檢修位置的作業(yè)時(shí)長超出設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)長范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將預(yù)警信息推送到該作業(yè)人員手持終端上，便于其及時(shí)進(jìn)行檢修作業(yè)進(jìn)度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修作業(yè)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理的目的。手持終端的作業(yè)時(shí)長預(yù)警推送界面如圖6所示。

圖6 手持終端作業(yè)時(shí)長預(yù)警推送界面

3 結(jié)束語

目前，該無線定位技術(shù)方案已經(jīng)在廣州南動(dòng)車運(yùn)用所應(yīng)用實(shí)施。在未增加作業(yè)人員負(fù)擔(dān)的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員作業(yè)位置精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的定位。通過作業(yè)過程監(jiān)控、故障定位和路線時(shí)長統(tǒng)計(jì)及預(yù)警功能，提高了對(duì)檢修作業(yè)過程精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理水平。

根據(jù)運(yùn)用所內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境特點(diǎn)，選擇將藍(lán)牙和UWB定位技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢修作業(yè)人員全面、精確的跟蹤監(jiān)控。但是目前的定位效果依賴的定位設(shè)備數(shù)量較多、成本較高，很難全面推廣。后續(xù)需要進(jìn)一步根據(jù)運(yùn)用所環(huán)境和特點(diǎn)，對(duì)定位設(shè)備的部署方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。另外，通過更深度的結(jié)合檢修業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，還可進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究。（1）檢修作業(yè)路線的標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)預(yù)警，通過定位設(shè)備獲取人員作業(yè)軌跡，將其和標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)路線進(jìn)行比對(duì)，如果超出標(biāo)準(zhǔn)路線要求的區(qū)域則進(jìn)行預(yù)警提示。（2）智能檢修任務(wù)分配，通過當(dāng)前檢修作業(yè)的進(jìn)度和待完成的檢修任務(wù)信息以及所處的股道信息，系統(tǒng)自動(dòng)、合理、高效地安排作業(yè)人員的檢修任務(wù)。（3）自動(dòng)考勤，根據(jù)實(shí)時(shí)位置信息，檢測(cè)作業(yè)人員是否按時(shí)按點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，并進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)。（4）工序效率分析，針對(duì)每一步檢修作業(yè)工序，進(jìn)行作業(yè)效率分析，為檢修作業(yè)工序優(yōu)化提供決策支持。