鐵路編組站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員高精度定位系統(tǒng)

樂(lè)建煒，王曉強(qiáng)，黎 斌

（1. 中國(guó)鐵路信息科技集團(tuán)有限公司，北京 100844；2. 中鐵信弘遠(yuǎn)（北京）軟件科技有限責(zé)任公司，北京 100038）

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，運(yùn)輸安全面臨的風(fēng)險(xiǎn)也不斷加大。積極推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路中的應(yīng)用，充分發(fā)揮其在定位、高精度測(cè)量、通信方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和安全要求[1]，對(duì)于完善鐵路技術(shù)體系、促進(jìn)鐵路技術(shù)發(fā)展、增強(qiáng)鐵路運(yùn)輸戰(zhàn)略安全性，有著十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)關(guān)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK，Real-time Kinematic）定位技術(shù)的研究已取得不少成果。袁正午等采用3G無(wú)線通信技術(shù)基于嵌入式平臺(tái)在流動(dòng)站與連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS，Continuously Operating Reference Stations）中心建立數(shù)據(jù)鏈，以提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和定位精度[2]。在算法方面，祝會(huì)忠等提出僅用一個(gè)歷元的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定RTK 中距離參考站間的雙頻載波相位整周模糊度單歷元解算方法[3]；李昕改進(jìn)GPS/BDS 常規(guī)RTK 和中長(zhǎng)距離RTK 及室內(nèi)偽衛(wèi)星RTK 高精度定位算法，可滿足多種應(yīng)用環(huán)境下高精度定位需求[4]；高星偉等提出改進(jìn)的中性大氣模型及定性與定量分析方法，以消除中性大氣對(duì)信號(hào)延時(shí)的影響[5]；王世進(jìn)等提出一種可使GPS/BDS RTK 定位在短基線的情況下獲得更佳聯(lián)合定位的方法[6]。在應(yīng)用方面，仲躋煒等結(jié)合城市交通信息平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)車輛智能調(diào)度管理、監(jiān)控與跟蹤[7]；軒志偉等設(shè)計(jì)了一種基于北斗差分定位技術(shù)的站場(chǎng)數(shù)字化系統(tǒng)，用于列車安全防護(hù)、作業(yè)監(jiān)控等[8]。

借鑒已有研究成果和成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鐵路編組站實(shí)際狀況，研究開(kāi)發(fā)鐵路編組站作業(yè)人員高精度定位系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：系統(tǒng)），應(yīng)用“北斗+RTK”高精度復(fù)合定位和動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的高精度定位數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)鐵路編組站作業(yè)安全預(yù)警。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由北斗+RTK”復(fù)合定位終端、“北斗+RTK”復(fù)合定位增強(qiáng)基站、數(shù)據(jù)差分服務(wù)器、代理服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)通信的鐵路移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一平臺(tái)（MTUP，Unified Mobile Data Transmission Platform for Railway）組成，系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員佩戴的復(fù)合定位終端，經(jīng)過(guò)北斗衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)差分服務(wù)器處理，獲得的編組站作業(yè)人員實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)的精度可達(dá)到厘米級(jí)；高精度的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員定位數(shù)據(jù)通過(guò)MTUP 實(shí)時(shí)傳輸?shù)借F路內(nèi)網(wǎng)，供鐵路內(nèi)網(wǎng)中各類應(yīng)用使用。系統(tǒng)采用“北斗+RTK”復(fù)合定位增強(qiáng)基站，有效覆蓋范圍約為方圓5 km，鐵路編組站大部分作業(yè)區(qū)域一般都處于其有效范圍內(nèi)。

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有開(kāi)放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠和覆蓋全球的特點(diǎn)。與全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）等其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）混合星座定位，高軌衛(wèi)星多，抗遮擋能力強(qiáng)；（2）三頻信號(hào)單點(diǎn)定位，定位精度高；（3）具備短報(bào)文通信服務(wù)；（4）自主研發(fā)，獨(dú)立自主，安全可靠。

1.2 “北斗+RTK” 復(fù)合定位增強(qiáng)基站

復(fù)合定位增強(qiáng)基站負(fù)責(zé)向“北斗+RTK”復(fù)合定位終端發(fā)送基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和誤差修正數(shù)據(jù)，結(jié)合獲取的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，修正和消除終端位置誤差，獲得較高定位精度。

1.3 “北斗+RTK”復(fù)合定位終端

復(fù)合定位終端主要由定位模塊和通信模塊2 部分組成。定位模塊負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星信號(hào)和基站信號(hào)，計(jì)算定位終端所處位置的坐標(biāo)；通信模塊通過(guò)3G、4G、北斗短報(bào)文等方式，將定位模塊計(jì)算得到的定位終端坐標(biāo)等信息發(fā)送至系統(tǒng)主服務(wù)器。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備獲取定位數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)狀況，選擇通過(guò)北斗地面基站或直接與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站建立通信，將定位數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)主服務(wù)器，主服務(wù)器接收和存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)終端采集的定位數(shù)據(jù)；調(diào)度中心從主服務(wù)器獲取定位數(shù)據(jù)，在地圖上顯示，提供現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員實(shí)時(shí)定位、作業(yè)活動(dòng)軌跡追蹤、作業(yè)區(qū)電子圍欄設(shè)置等功能。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員實(shí)時(shí)定位

編組站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員佩戴的復(fù)合定位終端與定位基站之間完成雙差模糊度的求解、基線向量的解算、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，將定位數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)主服務(wù)器，由后臺(tái)程序進(jìn)行校驗(yàn)和解析后存儲(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員實(shí)時(shí)定位過(guò)程如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的實(shí)時(shí)定位過(guò)程示意

系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星定位和RTK 技術(shù)，精確定位編組站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員佩戴的復(fù)合定位終端，并從鐵路貨檢安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)獲取作業(yè)計(jì)劃，經(jīng)匹配得到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的作業(yè)安排信息，將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員位置信息與作業(yè)內(nèi)容實(shí)時(shí)展現(xiàn)在站場(chǎng)二維電子地圖上，如圖3 所示。

圖3 站場(chǎng)電子地圖顯示的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員實(shí)時(shí)定位

2.2 作業(yè)活動(dòng)軌跡追蹤

系統(tǒng)可顯示編組站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員在站場(chǎng)內(nèi)從起點(diǎn)至終點(diǎn)的活動(dòng)軌跡，提供軌跡回放開(kāi)始、停止、加速、減速功能，如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)活動(dòng)軌跡追蹤

2.3 作業(yè)區(qū)電子圍欄

系統(tǒng)可為鐵路編組站站場(chǎng)作業(yè)區(qū)設(shè)置電子圍欄，在電子地圖上顯示現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的作業(yè)活動(dòng)和行動(dòng)軌跡，將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的定位數(shù)據(jù)與電子圍欄進(jìn)行比對(duì)，若出現(xiàn)作業(yè)人員越出指定作業(yè)區(qū)，立即進(jìn)行告警，如圖5 所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 北斗定位與基于載波相位的RTK 定位技術(shù)

系統(tǒng)將北斗定位與基于載波相位的RTK 定位技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)實(shí)時(shí)處理2 個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，將基站采集的載波相位發(fā)給復(fù)合定位終端，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)；載波相位差分算法流程見(jiàn)圖6 所示。

圖5 站場(chǎng)作業(yè)區(qū)電子圍欄設(shè)置

圖6 載波相位差分算法流程

3.2 經(jīng)緯度坐標(biāo)與像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)以可縮放的矢量圖形（SVG，Scalable Vector Graphics）作為底圖，向右為x軸正方向，向下為y軸正方向，單位為像素。（1）從底圖中找出緯度的最大值和經(jīng)度的最小值的點(diǎn)，得到最接近西北方向的參照點(diǎn)，將其作為顯示屏幕的原點(diǎn)；（2）參照點(diǎn)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為弧度，計(jì)算得出該參考點(diǎn)距離x軸和y軸的距離。

參照點(diǎn)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化成弧度的計(jì)算公式為：

其中， φ1為 參考點(diǎn)緯度； φ1為 參考點(diǎn)經(jīng)度； θφ1為參考點(diǎn)緯度的弧度值； θφ1為參考點(diǎn)經(jīng)度的弧度值。

參考點(diǎn)距離X 軸和Y 軸距離的計(jì)算公式為：

其中，Pr為極半徑；Er為 赤道半徑；MY為參考點(diǎn)距離y軸的距離；MX為參考點(diǎn)距離x軸的距離。

計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)到參照點(diǎn)X 軸Y 軸的實(shí)際物理距離，目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成弧度的公式為：

其中， φ2為目標(biāo)點(diǎn)緯度； φ2為 目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度；θφ2為目標(biāo)點(diǎn)緯度的弧度值； θφ2為目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度的弧度值。

實(shí)際物理位置上參照點(diǎn)到x軸和y軸的距離的計(jì)算公式為：

其中，DX為距離x軸方向?qū)嶋H物理位置的距離；DY為距離y軸方向?qū)嶋H物理位置的距離。

將式（7）和（8）計(jì)算得出的實(shí)際物理距離DXDY換算成SVG 底圖上對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，換算公式為：

其中，R為實(shí)際物理位置距離和屏幕像素點(diǎn)距離之間的比例系數(shù)，PX為目標(biāo)點(diǎn)距x軸的像素距離，PY為目標(biāo)點(diǎn)距y軸的像素距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星定位、通信和RTK 定位技術(shù)，利用鐵路編組站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員佩戴的復(fù)合定位終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的高精度定位，并提供作業(yè)活動(dòng)軌跡追蹤和作業(yè)區(qū)電子圍欄設(shè)置等功能；系統(tǒng)定位準(zhǔn)確、使用便捷、可靠性高，通過(guò)強(qiáng)化對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的監(jiān)控，規(guī)范鐵路編組站作業(yè)流程，促進(jìn)關(guān)鍵崗位工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化，有助于提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，保障作業(yè)安全。

隨著系統(tǒng)在應(yīng)用中不斷積累數(shù)據(jù)，今后通過(guò)數(shù)據(jù)分析還可實(shí)現(xiàn)更多增值應(yīng)用，如通過(guò)分析各作業(yè)區(qū)不同時(shí)段作業(yè)人員的分布和作業(yè)情況，幫助提高編組站的管理水平。