基于高精度北斗聯(lián)合定位的鐵路施工安全預警系統(tǒng)的設計及應用

張楠 姬青杉 何琦 趙裴 帥建坤

摘 要

針對目前鐵路施工人員采用傳統(tǒng)視覺、聽覺防護的防護方式效果較差，抑或定位設備精度不高、位置偏移量大、定位預警不及時等狀況，難以實時跟蹤人員位置，對施工人員人身安全存在較大安全風險的現(xiàn)狀，本文基于高精度北斗聯(lián)合定位并融合物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸和電子圍欄警戒技術，提出鐵路施工安全報警平臺，解決列車接近作業(yè)區(qū)域和人員、設備越界的實時預警，有效降低鐵路工務施工作業(yè)時的安全風險，極大提高工務作業(yè)效率和智能化工務施工安全的防控設備應用。

關鍵詞

北斗/ GPS;鐵路施工;預警;多星聯(lián)合定位

中圖分類號： U215.8 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.073

Abstract

In view of the present railway construction personnel in traditional visual， auditory protection way of protective effect is poorer，or positioning precision is not high，the position offset，such as positioning warning is not timely status，hard real-time tracking personnel position，there is a big security risk of the personal safety of construction personnel of the status quo，this article is based on high precision and joint beidou positioning of the integration of Internet information transmission and the technology of electronic fence alert，railway construction safety warning platform，put forward to solve the train close to the work area and personnel，equipment，cross-border real-time warning，effectively reduce the railway works the construction work of security risks，Greatly improve the efficiency of public works and intelligent public works construction safety prevention and control equipment application.

Key Words

Beidou/GPS;Railway maintenance;Alarm;Multi-star joint positioning

0 引言

鐵路施工作業(yè)具有流程多、作業(yè)區(qū)域大、施工環(huán)境安全性低的特點[1]。施工人員采用傳統(tǒng)的視覺防護及聽覺防護效果較差，易疏忽發(fā)生安全事故[2]。此外，目前也有采用GPS定位設備對施工人員進行實時防護的安全策略，但是受到定位精度不高，位置偏移嚴重的局限，電子圍欄難以精確到單根鐵軌，電子圍欄區(qū)域過大導致報警頻繁會直接影響施工人員的工作狀態(tài)及效率[3]。

基于此，結合北斗技術在各行業(yè)的應用，迫切需要研發(fā)一套基于高精度北斗聯(lián)合定位的鐵路施工安全預警系統(tǒng)，集成應用衛(wèi)星定位[4]、GIS[5]、無線數(shù)據(jù)通信[6]、Web-終端雙向即時通訊[7]等技術，克服環(huán)境因素影響，提供施工人員、機車的實時定位及人車安全位置預警信息，為現(xiàn)場作業(yè)人員提供實時防護安全策略，為鐵路建設和檢修維護提供重要安全保障[8]。

1 系統(tǒng)功能需求

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;一旦進入有火車逼近的電子圍欄，進行定制標準語音提醒。系統(tǒng)整體包括高精度定位設備、差分服務器、移動終端和后臺服務器監(jiān)測平臺。

（1）后臺監(jiān)控平臺，功能主要包括實時監(jiān)控、電子圍欄繪制及管理、發(fā)布預警信息、歷史軌跡回放，保存歷史報警信息、用戶管理等。

（2）定位設備，遴選亞米級高精度穿戴設備，采用三星聯(lián)合定位技術，可實現(xiàn)分米至厘米級的定位精度，有效抵消星鐘、星歷、電離層、對流層等因素產生的誤差。實現(xiàn)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確定位和安全防護。

（3）差分服務器，結合高精度定位差分基準模塊和移動定位技術，配合千尋差分服務器，可以與可穿戴設備連接通信，交互差分數(shù)據(jù)，利用已知坐標和衛(wèi)星星歷計算出觀測值的校正值，并通過公網(wǎng)服務器，將校正值下發(fā)給可穿戴設備，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)回傳和接收數(shù)據(jù)，裝載語音芯片，可實現(xiàn)定制保準語音報警。運行移動監(jiān)控平臺，實現(xiàn)劃定電子圍欄標注、人員實時位置顯示、人員越界報警、人員活動軌跡回放等主要功能。

2 基于高精度北斗聯(lián)合定位預警系統(tǒng)總體框架及實施流程

人員亞米級定位功能實現(xiàn)方案總體框架圖：

安全預警實現(xiàn)步驟如下：

第一步：鐵路施工人員在終端設置位置上報時間間隔，移動設備根據(jù)該值間隔相應時間給后臺上報終端位置信息;每次位置上報后，平臺做以下算法。

第二步：每次位置上報后，平臺根據(jù)終端上報的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和地圖信息計算得到所在的軌道線路地圖，判斷該位置點是否位于電子圍欄內。若處于電子圍欄內，判斷該圍欄所在軌道是否有火車接近，若有，則后臺給終端發(fā)送指令進行語音避險提醒。否則退出計算進而處理下一條位置信息。

第三步：當人車相對速度V>0時，根據(jù)在軌列車和施工人員的實時位置，可分為兩種：

（1）距離足夠時，即S>S0，系統(tǒng)判斷安全模式，即使施工人員位于電子圍欄內也不會報警;

（2）距離緊張時，即S≤S0，系統(tǒng)判斷人車危險模式，提醒施工人員迅速離開，司機采取減速措施，為工人避險爭取足夠時間。

S0為安全距離閾值，初始值設定為100m。

3 鐵路施工安全報警系統(tǒng)關鍵技術探究

3.1 北斗高精度聯(lián)合定位技術

俄羅斯GLONASS此前失去維護，2019年7月歐洲Galileo衛(wèi)星持續(xù)掉線117個小時。而中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，提前一年完成全球覆蓋，并且支持雙向通訊報文服務[9]。

本方案定位終端采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主機性能和工作效率明顯優(yōu)于android、ios等常見終端系統(tǒng)，平臺運行效率高，其獨特的內核處理機制可同時響應多條命令，啟動更快，響應更及時，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高[10]?；诒倍返榷嘈窍档母呔榷ㄎ唬捎酶呔冉馑愣ㄎ恢靼?，支持北斗﹑GPS﹑GLONASS等多星系融合算法，內置高品質螺旋天線，具有完善的多路徑抑制技術和抗干擾技術。同時搭載全星座北斗GNSS定位高速傳輸網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)瞬時即達，支持NMEA-0183標準協(xié)議和TSIP數(shù)據(jù)格式。

集成高精度GNSS主板、專業(yè)高靈敏衛(wèi)星天線、4G全網(wǎng)通模塊﹑WIFI模式操控及數(shù)據(jù)傳輸、通用雙向通訊藍牙、高頻電源板等于一體，且無縫接駁各平臺的GNSS手持接收機本身具備分米級定位精度，通過對接千尋服務可以向厘米級定位精度優(yōu)化，采用千尋知寸服務提供的偽距差分結合網(wǎng)絡RTK定位，擴大差分服務范圍，可將定位精度提升至厘米級。

3.3 多電子圍欄生成技術

警戒區(qū)域電子圍欄生成采用建立緩沖區(qū)的方式，平臺可以自由設定緩沖區(qū)類型，圓形電子圍欄通過設置圓心和緩沖區(qū)半徑生成，線性電子圍欄通過輸入中心線坐標（或直接在地圖上繪制折線）及緩沖區(qū)半徑生成，多邊形電子圍欄描述邊界坐標即可生成面狀緩沖區(qū)。可同時設定多個電子圍欄以滿足業(yè)務需求。

根據(jù)國際鐵路協(xié)會標準軌距1.435米，加上軌道兩邊各留出30厘米安全距離，則每條鐵軌生成緩沖區(qū)半徑為1米的線性電子圍欄，圍欄寬度約2米。

3.4 火車接近報警

利用多星聯(lián)合定位和4G傳輸技術，對運行中的列車和作業(yè)人員進行定位，當作業(yè)人員處于軌道電子圍欄內且該軌道有列車接近作業(yè)地點時，后臺系統(tǒng)同時向機車和作業(yè)點發(fā)送語音報警信息，提醒機車乘務人員及時采取措施做好安全防護，提醒施工人員火車接近立即下道躲避，能夠有效避免施工作業(yè)中的行車和人身安全事故。若監(jiān)測到施工人員下道躲避，即做出響應越出電子圍欄后系統(tǒng)即刻解除報警。

基于北斗的聯(lián)合定位精度為亞米級，定位條件和衛(wèi)星狀況良好時可達厘米級，加之軌道電子圍欄寬度約2m，本方案定位精度足夠支撐人員所在列車軌道有火車接近時報警，人員處于相鄰軌道則判斷安全不會報警。

3.5 Socket即時通訊

設計并編碼實現(xiàn)基于socket的Android移動終端實時即時通信系統(tǒng)，方便局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)下的鐵路工作人員內部聯(lián)絡，為通信雙方的數(shù)據(jù)提供了傳輸通道。實現(xiàn)施工員與施工員之間的通訊聯(lián)絡，以及管護員與現(xiàn)場施工人員的雙向聯(lián)動和通信，并能夠及時上報并處理位置信息。Android終端實時傳輸?shù)椒掌鳎?服務器接收并保存。終端使用emit函數(shù)向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，使用on函數(shù)對接收的數(shù)據(jù)進行監(jiān)聽。socket初始化后，使用connect函數(shù)進行連接，斷開網(wǎng)絡重連后socket會自動重連。

4 系統(tǒng)性能指標

5 系統(tǒng)測試與應用

研發(fā)團隊聯(lián)系機組人員在蘭州北站對本系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試，確認達到以下目標：

（1）采集基準數(shù)據(jù)，利用GNSS接收機定位終端，采集施工路段每條鐵軌的位置信息，并快速生成專用電子地圖和相應軌道的電子圍欄;

（2）一旦有攜帶定位裝置的人員進入鐵路線路區(qū)域立刻進行監(jiān)測報警，并將人員位置、姓名、職名、單位等信息發(fā)送至監(jiān)控中心;同時實現(xiàn)對人員厘米級定位和行動軌跡的實時追蹤。

（3）定位監(jiān)測列車與電子圍欄內的作業(yè)人員處于同一軌道且距離接近到一定閾值時，終端循環(huán)播放報警語音，直至后臺檢測到作業(yè)人員已下道躲避，解除報警。

（4）通過軌跡回放、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能為規(guī)范管理上道作業(yè)人員提供技術支持或對事故分析提供重要參考和依據(jù)。

基于高精度北斗聯(lián)合定位的鐵路施工安全預警系統(tǒng)目前應用于鐵路工務現(xiàn)場，為鐵路施工應急指揮提供實時定位和即時通信保障服務，能夠有效減少或避免鐵路施工現(xiàn)場人員與機車的沖突事故。

參考文獻

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