RAC定位技術在露天有軌運輸中的應用研究

鄧祖建

（首鋼集團有限公司礦業(yè)公司計控檢驗中心(北京速力科技有限公司) 北京市 100043）

1 項目背景

近年來，隨著國家“公轉鐵”政策落地及首鋼礦業(yè)公司資源再利用產(chǎn)能的提升，運輸部運量呈大幅增長趨勢。同時，礦業(yè)公司已明確了鐵路運輸產(chǎn)業(yè)作為公司第三次大發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。新形勢下，運輸部亟需盡快完成由勞動密集型向技術密集型的產(chǎn)業(yè)轉型，為全域提速提效提供支撐，從而適應高運量、快節(jié)奏的鐵路運輸生產(chǎn)需要。同時，通過搭建智能運輸體系，促進人力資源結構的優(yōu)化，為確?！霸隽坎辉鋈恕眲?chuàng)造條件。

國內(nèi)各冶金企業(yè)鐵路運輸部門均已實施或正在實施智能調(diào)度、機車定位監(jiān)控等信息平臺，且取得了較好成效。在此基礎上對“運輸一張圖調(diào)度管理系統(tǒng)”建設的技術可行性進行了評估，認為以“機車動態(tài)跟蹤+智能調(diào)度管控”為核心功能的智能運輸一期解決方案已具備實施條件。該項目實施后，將為構建智能運輸體系奠定堅實的基礎，具備較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 現(xiàn)狀分析

礦業(yè)公司運輸部現(xiàn)有46 臺機車（內(nèi)燃機車25 臺，其中：DF4DD 型8 臺，GK1 型17 臺；電機車21 臺），15 個車站、230 公里鐵路線、450 組道岔、線路南北距離約30 公里。

目前，運輸部各機車均已安裝含GPS 功能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可對機車運行情況進行實時跟蹤及軌跡回溯。但數(shù)據(jù)訪問僅能基于互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，且機車無法精確定位至準確股道。機車調(diào)度指令的下發(fā)通過對講機實現(xiàn)，部分社會道口和廠內(nèi)道口視頻已傳輸至調(diào)度室，但機車司機不能及時了解路口狀況。機車端與地面端的信息平臺處于信息不互通的狀態(tài)，未能實現(xiàn)“車地人”有效聯(lián)動。

運輸部一張圖調(diào)度系統(tǒng)的上線能夠極大的發(fā)揮運輸系統(tǒng)的潛能，合理調(diào)度車輛、優(yōu)化業(yè)務流程、減小崗位勞動強度、提高機車運行安全、優(yōu)化人力資源，為運輸部“增量不增人”提供支撐，也為全面構建智能運輸體系夯實基礎。

3 需求分析與技術創(chuàng)新點

3.1 需求分析

機車調(diào)度人員的主要職責是負責礦區(qū)全段機車運行，集中統(tǒng)一指揮;負責接收貨運計劃，及時下達到相關派班室，合理安排機車供應，并組織兌現(xiàn)，編制實際機車周轉圖。實時掌握機車所在位置、運行任務及所處狀態(tài)。掌握機車運用、整備、檢修動態(tài)，及時變更機車工作種別，按檢修計劃及時扣車等。長期以來機車調(diào)度人員都是通過軌道電路來判斷機車所在的區(qū)段，無法精確確定機車所在位置，在站場內(nèi)更是不能確定某輛機車所處的具體股道，都靠及時聯(lián)系及調(diào)度人員個人能力去硬記，要掌握的信息也比較多且雜，造成人員工作強度高，效率低，并且對調(diào)度人員的素質(zhì)要求都相對較高。在面對高運量、快節(jié)奏的生產(chǎn)形勢下，生產(chǎn)組織各環(huán)節(jié)的不適性日益突出，總結起來主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）人不夠用，尤其是乘務員、調(diào)車員等一線崗位結構性缺員問題突出；

（2）車不夠用，造成機車、車輛不能及時回房整備；

（3）線路不夠用，站場滿線狀態(tài)時有發(fā)生；

（4）調(diào)度崗位腦子不夠用，隨著機車使用臺數(shù)的增加，完全憑崗位經(jīng)驗、靠個人能力，不能保證調(diào)度指令的科學高效。

現(xiàn)代化的鐵路運輸組織要求調(diào)度指揮人員能及時掌控全局動態(tài)信息，并與現(xiàn)場崗位形成有效聯(lián)動，從而確保調(diào)度計劃制定的科學性、下達的及時性、執(zhí)行的高效性?；诖爽F(xiàn)狀且在發(fā)展鐵路運輸產(chǎn)業(yè)的關鍵時期，搭建一套機車車地聯(lián)控系統(tǒng)是必要的，也是迫切的。

在建設該項目前，機車上原有一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶GPS 定位功能，定位精度在正負10 米左右，只能掌握機車大體位置，無法精確定位到股道上，車地人無法有效聯(lián)動，無法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求。根據(jù)以上現(xiàn)狀及需求分析，設計了一張圖調(diào)度系統(tǒng)的相關功能，實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)指揮的管理目標。

一張圖調(diào)度主系統(tǒng)包括機車信息采集交互系統(tǒng)及調(diào)度中心。機車信息采集交互系統(tǒng)實現(xiàn)機車的精確位置、速度、設備狀況、能源消耗等信息采集，實現(xiàn)機車與調(diào)度中心、道口數(shù)據(jù)交互。運輸部調(diào)度中心與四個管控區(qū)域通過電子地圖實時顯示所有機車的位置、速度、狀況、車輛配置、物流等信息，站場的股道占用、道岔位置、信號、閉塞等信息，線路的信號信息，道口的信號狀態(tài)等信息，集成顯示物流信息系統(tǒng)、微機聯(lián)鎖系統(tǒng)相關信息，實現(xiàn)輔助調(diào)度指揮的管理目標。

3.2 技術創(chuàng)新點

通過對現(xiàn)狀及需求的多次分析，結合現(xiàn)在的技術手段，確定了一張圖調(diào)度系統(tǒng)設計方案。結合機車所處的運行環(huán)境、行駛范圍及投資成本，確定通訊不采用自建基站的方式，而是采用公網(wǎng)4G 傳輸方案，減少投資成本及工程建設周期。機車精確定位也不再選用傳統(tǒng)的建立差分基準站RTK 方式，而是采用新型的衛(wèi)星定位技術—RAC 衛(wèi)星高精度定位技術方案。機車上安裝智能終端主要功能目標是：

（1）機車精準定位（精度20-60 厘米）、速度采集上傳；

（2）機車設備狀況、能源消耗采集上傳；

（3）機車視頻集成顯示、存儲、上傳；

（4）接收顯示調(diào)度中心信息（站場信息、物流信息、作業(yè)任務等）；

（5）行車電子地圖顯示；

（6）行車安全提示（防追尾及超速報警等功能）。

機車信息采集交互系統(tǒng)包括：機車控制單元、行車電腦、RAC 定位模塊、RFID 定位模塊、交換機、4G通訊模塊、視頻模塊等。

機車精準定位，要求定位精度在60 厘米以下，因為股道寬度為1435mm 的稱標準軌距，現(xiàn)有鐵路雙線區(qū)間，兩正線中心線間的最小距離為4000mm;車站內(nèi)相鄰兩股到發(fā)線中心線間最小距離規(guī)定為5000mm。按現(xiàn)在定位技術主推RTK 差分定位技術，在RTK 差分技術上分二種實現(xiàn)方式，一種是自建RTK 差分基站，首次投入高，日后維護保養(yǎng)。另一種是網(wǎng)絡RTK 方式，由專門的運營商提供差分數(shù)據(jù)終端通過網(wǎng)絡接收，然后在終端方進行數(shù)據(jù)差分，實現(xiàn)高精定位，定位精度能達到厘米級內(nèi)。然而此次我們經(jīng)過多方咨詢、考察、測試后，確定采用新的高精度定位技術——RAC 高精度衛(wèi)星定位技術。

此新型的RAC 高精度衛(wèi)星定位接收機，其特點是不使用RTK 差分技術，僅采用普通民用單頻信號（GPS L1 或北斗B1），就能實現(xiàn)絕對定位優(yōu)于亞米/分米級，相對動態(tài)定位厘米級的定位精度。實時陣列校準RAC 定位技術是一種創(chuàng)新性的提高GNSS 定位精度的技術，與RTK、RTX 等傳統(tǒng)技術路線共存。RAC 技術通過創(chuàng)新的天線陣列設計方案和軟件算法，使得水平定位精度誤差大大降低，較大的提高了定位的精度和穩(wěn)定性。并且RAC 技術方案不需要建立基準站，減少固定投資及日常維護，同時終端選擇上也不需要與之匹配的衛(wèi)星定位芯片來為差分數(shù)據(jù)服務，終端設備的選擇更自由，開放。

4 系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)總體功能設計

如圖1 所示，系統(tǒng)由機車控制單元、行車電腦、RAC 定位模塊、RFID 定位模塊、交換機、4G 通訊模塊、視頻模塊組成。

圖1：系統(tǒng)組成

系統(tǒng)利用RAC 定位模塊獲得高精定位信息并與車載RFID 定位模塊相結合計算出準確的機車位置，傳送給中心控制單元；機車信息采集模塊負責將機車設備狀況、能源消耗等運行信息傳送給中心控制單元;中心控制單元通過4G 通訊模塊實現(xiàn)與調(diào)度中心信息交互，上位系統(tǒng)通過無人機高清正射影像飛行得到的底圖，把機車定位坐標投影于底圖之上。最終將機車的實際位置展示出來。

車載視頻系統(tǒng)通過行車電腦直接顯示車載視頻信息，同時通過交換機及4G 通訊模塊將視頻信息傳到調(diào)度中心；道口狀態(tài)、信號、視頻信息通過4G 通訊模塊采集上機車，并通過行車電腦顯示。

調(diào)度中心的調(diào)度信息、物流信息、道路信息通過4G 通訊模塊傳到行車電腦顯示。

4.2 RAC高精定位接收模塊

此次采用的高精定位接收機型號為RAC-F1，是一款類 G-MOUSE 衛(wèi)星接收器，內(nèi)置衛(wèi)星接收天線，具有全方位高精度定位功能，采用RAC 定位技術，定位精度可以達到靜態(tài)小于60cm，動態(tài)小于 20cm；能滿足機車區(qū)分所在股道的使用需要。

什么是RAC 技術，所謂RAC 即Realtime Array Calibration(實時陣列校準)一種新型的高精度衛(wèi)星定位接收機，其特點是在不使用任何差分技術、慣性導航、及任何輔助技術，僅僅采用普通民用單頻信號(GPS L1或北斗B1)，就能實現(xiàn)優(yōu)于1 米(20-60 厘米)的定位精度。此項技術的應用，使高精度衛(wèi)星定位既擺脫了對地基增強網(wǎng)的依賴，同時又大幅降低了成本，有助于推動高精度衛(wèi)星定位大規(guī)模普及應用、促進各行業(yè)信息化建設發(fā)展。RAC 衛(wèi)星定位的工作原理圖如圖2：是由安裝在機車頂端的三組普通定位接收機和處理單元組成的。

圖2：RAC 衛(wèi)星定位的工作原理圖

RAC 高精定位接收機工作原理：

（1）如原理圖所示，由三個接收機天線相位中心的所圍成的物理幾何圖形為三角形ABC；另一個是以位于頂點的接收機的觀測值（三個接收機計算出來的）所畫出的幾何圖形A′B′C′。如圖3 所示。

圖3：幾何圖形

（2）三角形幾何圖形A′B′C′與ABC 對比：各個接收機天線相位中心的坐標觀測值之間的相對位置的矢量，與已知的各個接收機天線相位中心之間的相對位置的矢量對比，就可以提取出由于各種誤差而引起的偏差矢量，形成一個偏差矢量矩陣函數(shù)。

（3）再采用收斂的算法使偏差矢量矩陣趨近于零。

（4）使三角形幾何圖形A′B′C′無限趨近于ABC。

（5）重復進行此過程，直到偏差矢量接近于零。此時三角形ABC 與A′B′C′形狀與大小相同。

（6）此時便可以解算出天線陣列幾何中心點的高精度觀測值的坐標信息。

4.3 RAC高精定位優(yōu)勢

使用范圍修改費流量費短暫遮擋天線使用操作高動態(tài)RTK（載波相位） 地基網(wǎng)絡范圍內(nèi)有有有敏感需注冊聯(lián)網(wǎng)不能RTD（偽距差分） 地基網(wǎng)絡范圍內(nèi)有有有敏感需注冊聯(lián)網(wǎng)不能RAC（單頻）開闊任何地點無無無不敏感無能

最近幾十年來，衛(wèi)星導航定位接收機必須依靠地基增強系統(tǒng)RTK的支持才能獲得厘米級的定位精度，建設、維護和使用地基增強系統(tǒng)需要的成本巨大。然而RAC定位技術不需要任何地面基準站、差分站、慣性導航、星基增強等輔助性技術，僅使用L1 或B1 頻段便可獲得亞米/分米級定位精度。并解決了RTK 使用中的二個痛點問題，不受差分站地域限制，成本大幅度下降。且具有高精度、高靈敏度、低功耗、體積小等特點。如圖4 所示。

圖4：RAC 高精定位優(yōu)勢

將RAC 定位技術運用于此次機車定位中，終端定位芯片不再需要單獨定制，也無須再單獨安裝定位天線，此RAC 衛(wèi)星接收機是集定位芯片及天饋于一體，安裝方便，操作簡單，只需要提供電源便能返回所在位置的定位坐標值。提供的定位值經(jīng)過簡單的代碼處理就能應用于實際，相比于原來的RTK 方式，方便且節(jié)省投資。

4.4 RAC實施效果測試

RAC 定位接收裝置是要求安裝于頂部無遮擋的部位，遠離高壓設備裝置，且高于平面一定高度水平的位置，在名種型號的機車上安裝位置略有不同，最終測試安裝于機車車頂中央大燈上，位置最優(yōu)。

測試第一步為檢測定位接收機的信號接收能力。通過通道數(shù)與衛(wèi)星跟蹤能力測試信號接收性能，通過接收機返回語句查看接收機收到衛(wèi)星信號的通道數(shù)及跟蹤衛(wèi)星個數(shù)。所測試的RAC 衛(wèi)星定位接收機有22 個跟蹤通道，56 個捕獲通道，測試時選用NMEA0183 協(xié)議以方便觀察衛(wèi)星的信息。測試過程中發(fā)現(xiàn)在空曠地帶時，接收機星數(shù)能滿足實際需求，在通過有遮擋的位置時，星數(shù)及通道數(shù)欠佳。在從有遮擋到無遮擋能夠快速的搜星并重新定位。

第二是靜態(tài)定位精度測試，測試RAC 定位技術在終端上應用的定位精度。按以下公式計算定位精度。

Xi,Yi——被測設備解算出的第i 個數(shù)據(jù)的水平坐標值；

X0,Y0——已知坐標點的水平坐標值。

測試時機車速度為0，測試時長為10min，同時記錄被測設備與手持RTK 接收機的定位輸出結果，將被測設備解算的位置與同一時刻RTK 接收機輸出的位置值相比較。

第三為動態(tài)定位精度測試，計算公式如下：

XiD,YiD——被測設備解算出的第i 個數(shù)據(jù)的水平坐標值

Xi0,Yi0——RTK 接收機輸出的水平坐標值

采用動態(tài)定位精度測試RAC 技術在終端上應用的定位精度時，將機車速度控制在30km/h 范圍內(nèi)，測試時長為10min，同時記錄被測設備與RTK 接收機的定位輸出結果，將被測設備解算的位置與同一時刻RTK 接收機輸出的位置值相比較。

截取部分運動中的定位坐標數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最終轉換成為WGS84 坐標系下的數(shù)據(jù)，通過GIS 投影在無人機飛行的高清底圖上，軌跡如圖5 顯示，二者在動態(tài)下重合度很高，但是在靜態(tài)下RTK 優(yōu)于RAC。

圖5：解算對比

通過對記錄的數(shù)據(jù)進行解算對比，在開闊地域衛(wèi)星搜星正常的情況下，定位精度值PDOP 的值在小于3 范圍內(nèi)，與RTK 所得到的位置信息有相應的偏差，能滿足實際使用需求。其中RAC 定位在運動過程中能把定位精度控制在20CM 內(nèi)，在靜態(tài)時表現(xiàn)欠佳，長時間靜止時靜態(tài)漂移大，靜態(tài)漂移偏差最高能達90CM 左右。

在一張圖調(diào)度系統(tǒng)中，系統(tǒng)與原來的軌道電路相結合將軌道形成路網(wǎng)，系統(tǒng)中實時顯示機車所在股道位置及前方信號燈情況，道口視頻。在定位坐標投影在地圖上前，首先將定位數(shù)據(jù)進行處理，對靜態(tài)漂移數(shù)據(jù)進行算法過濾、結合軌道路網(wǎng)、RFID 軌道標簽信息的輔助、對偏移出股道的機車加偏移量進行修正補償，始終保證機車能正確實時顯示在所在股道上，完成機車精確定位股道的功能。如圖6 所示，機車在站場停車后，在靜止狀態(tài)下也能綁定機車到正確的股道上，達到設計使用需求。

圖6：機車股道定位

5 結論

運輸部一張圖系統(tǒng)的成功應用極大提高了站場調(diào)度人員的工作效率和機車定位準確度，改變了傳統(tǒng)的靠調(diào)度人員經(jīng)驗調(diào)派車輛的現(xiàn)象，降低了調(diào)度人員的勞動強度，減少了各站場調(diào)度人員的電話溝通。通過系統(tǒng)就能實時顯示所有運行機車的指令信息，位置信息。提升機車運行效率。通過實施智能化車地聯(lián)控，使地面調(diào)度人員與機車乘務人員之間形成高效聯(lián)動，達到“一張圖調(diào)度指揮”的管理目標，為打造現(xiàn)代化的鐵路運輸物流產(chǎn)業(yè)奠定基礎。該項目的實施應用，具備較好的經(jīng)濟效益、管理效益及社會效益。同時也對RAC 高精度定位技術在鐵路運輸行業(yè)的應用提供了研究價值，在其定位性能下輔助以其它算法功能，是能夠滿足設計使用需求，具備可運用價值，具有推廣使用的可行性。