基于廣域?qū)崟r(shí)精密定位的鐵路作業(yè)車(chē)管理系統(tǒng)

許士敏， 黃榮星

（1.解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037；2.上海鐵路局 合肥供電段，合肥 230037）

基于廣域?qū)崟r(shí)精密定位的鐵路作業(yè)車(chē)管理系統(tǒng)

許士敏1， 黃榮星2

（1.解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037；2.上海鐵路局 合肥供電段，合肥 230037）

針對(duì)鐵路作業(yè)車(chē)安全生產(chǎn)和高效管理的需求，提出了綜合應(yīng)用GPS、GIS、3G/GPRS等先進(jìn)技術(shù)的作業(yè)車(chē)信息化管理方案，提高作業(yè)車(chē)的管理效率。利用廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)提高作業(yè)車(chē)的定位精度，測(cè)試結(jié)果表明能夠達(dá)到分米級(jí)的定位精度。

精密定位；實(shí)時(shí)；作業(yè)車(chē)；管理

當(dāng)前，我國(guó)鐵路對(duì)作業(yè)車(chē)安全控制的主要技術(shù)手段是安裝運(yùn)行監(jiān)控裝置（GYK），GYK側(cè)重對(duì)作業(yè)車(chē)的安全操縱情況進(jìn)行記錄，通過(guò)導(dǎo)出GYK數(shù)據(jù)并上傳到管理部門(mén)，由專人負(fù)責(zé)分析。作業(yè)車(chē)的安全運(yùn)行和標(biāo)準(zhǔn)化操縱靠管理人員分析，此方式效率低、成本高且容易出錯(cuò)。未來(lái)作業(yè)車(chē)安全管理是鐵路供電段行車(chē)安全的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新作業(yè)車(chē)安全控制措施。

鐵路具有明顯的地理分布特征，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的鐵路空間數(shù)據(jù)，包括線路、列車(chē)、車(chē)站、橋梁、隧道、通信信號(hào)設(shè)備等，引入地理信息系統(tǒng)對(duì)這些空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理能夠有效提高鐵路生產(chǎn)管理水平。通過(guò)在作業(yè)車(chē)上安裝GPS/北斗定位裝備就能得到作業(yè)車(chē)在線路上的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可以在作業(yè)車(chē)上安裝其它的傳感器，例如作業(yè)車(chē)工作狀態(tài)采集裝備、視音頻采集器等獲得所需的各種工作參數(shù)。同時(shí)，高速鐵路沿線基本實(shí)現(xiàn)了 3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸將作業(yè)車(chē)工作參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到指揮調(diào)度中心，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與指揮管理，實(shí)現(xiàn)管理部門(mén)全天候?qū)崟r(shí)掌握作業(yè)車(chē)運(yùn)行動(dòng)態(tài)情況，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)視作業(yè)車(chē)司機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，提高管理效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)保障鐵路高效建設(shè)與科學(xué)管理有著十分重要的意義。

1 廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)

根據(jù)作業(yè)車(chē)管理的需要，作業(yè)車(chē)的定位精度要求優(yōu)于50 cm，普通的GPS定位方法達(dá)不到要求，必須采用廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)來(lái)滿足精度要求。

廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)在廣域差分和精密單點(diǎn)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成了先進(jìn)的GNSS 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、Internet 和衛(wèi)星通信等技術(shù)，建立服務(wù)范圍覆蓋中國(guó)區(qū)域、實(shí)時(shí)定位精度優(yōu)于1 m的試驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)以提高中國(guó)區(qū)域用戶 GPS 定位精度為主，通過(guò)對(duì)基于GEO衛(wèi)星的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，形成覆蓋中國(guó)區(qū)域的高精度導(dǎo)航和綜合信息服務(wù)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)在中國(guó)及周邊區(qū)域陸地、海洋和空中優(yōu)于1 m精度的無(wú)縫導(dǎo)航定位服務(wù)。

廣域?qū)崟r(shí)精密定位與示范系統(tǒng)由8部分組成： GNSS基準(zhǔn)站、廣域數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、精密信息融合及增值服務(wù)系統(tǒng)、技術(shù)支持及備份數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、衛(wèi)通信息播發(fā)系統(tǒng)、北斗信息播發(fā)系統(tǒng)、用戶終端和數(shù)據(jù)傳輸鏈路，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 廣域?qū)崟r(shí)精密定位示范系統(tǒng)組成圖

2 基于廣域?qū)崟r(shí)精密定位的作業(yè)車(chē)管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要包括作業(yè)機(jī)車(chē)終端設(shè)備、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和供電段指揮調(diào)度中心等部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)車(chē)定位與監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)通過(guò)在作業(yè)機(jī)車(chē)上安裝GPS定位及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并利用廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)提高作業(yè)車(chē)實(shí)時(shí)定位精度，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將作業(yè)車(chē)工作狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到調(diào)度中心，管理人員在調(diào)度時(shí)能實(shí)時(shí)掌握鐵路檢修機(jī)車(chē)的位置信息，分辨其所在的軌道，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的準(zhǔn)確定位與實(shí)時(shí)調(diào)度功能。

2.2 作業(yè)機(jī)車(chē)終端設(shè)備

作業(yè)機(jī)車(chē)定位終端設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)車(chē)自身的高精度定位功能，并將定位結(jié)果上報(bào)給調(diào)度中心。主要設(shè)備包括GPS定位終端（含GPS接收機(jī)、GPS天線、GPRS/3G數(shù)據(jù)通信模塊、處理器及電源模塊等）。每個(gè)作業(yè)機(jī)車(chē)須配備一套，以實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的自定位。

數(shù)據(jù)通信模塊上電后即主動(dòng)連接調(diào)度中心的服務(wù)器，建立通信鏈路。GPS接收機(jī)上電后即工作，輸出相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)。廣域?qū)崟r(shí)精密定位系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星軌道與鐘差，并與廣播星歷計(jì)算的軌道和鐘差進(jìn)行差分，生成的差分?jǐn)?shù)作為精密產(chǎn)品通過(guò)通信鏈路發(fā)播給實(shí)時(shí)用戶，車(chē)載終端設(shè)備接收差分?jǐn)?shù)據(jù)，用于高精度定位解算，并把高精度定位數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度中心。

2.3 供電段指揮調(diào)度中心

接收各作業(yè)機(jī)車(chē)定位終端送來(lái)的高精度GPS定位數(shù)據(jù)，將結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)軟件上。擬采用固定IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，調(diào)度中心作業(yè)服務(wù)器，各作業(yè)機(jī)車(chē)定位終端設(shè)備作為客戶端，終端上電后主動(dòng)連接調(diào)度中心作業(yè)服務(wù)器，建立網(wǎng)絡(luò)連接，連接成功后主動(dòng)將作業(yè)車(chē)終端定位結(jié)果數(shù)據(jù)上報(bào)給調(diào)度中心。

供電段指揮調(diào)度中心要開(kāi)發(fā)基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的指揮管理軟件。車(chē)載計(jì)算機(jī)與供電段指揮調(diào)度中心計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用TCP/IP通信協(xié)議。車(chē)載計(jì)算機(jī)作為客戶端，供電段指揮調(diào)度中心計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器端，這樣機(jī)車(chē)車(chē)載系統(tǒng)就可以通過(guò)固定IP和服務(wù)端口連接到服務(wù)器軟件上。

3 系統(tǒng)定位精度測(cè)試

作業(yè)機(jī)車(chē)終端設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)及GPS天線實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的自定位。GPS接收機(jī)采用OEM628模塊。

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

測(cè)試精度從收斂后開(kāi)始統(tǒng)計(jì)（即從觀測(cè)20 min后開(kāi)始進(jìn)行統(tǒng)計(jì)精度）；平面精度統(tǒng)計(jì)公式為95%置信區(qū)間為兩倍的RMS值。RMS的統(tǒng)計(jì)公式為中x為樣本的數(shù)值。

3.2 測(cè)試結(jié)果

收斂時(shí)間分析：平面精度在5 min內(nèi)收斂到分米級(jí)精度,如圖3所示。定位結(jié)果時(shí)間序列圖如圖4所示。

圖3 收斂時(shí)間序列圖

圖4 定位結(jié)果時(shí)間序列圖

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表

測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：本系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定接收精密定位信號(hào)，定位精度滿足定位指標(biāo)要求，且實(shí)時(shí)定位結(jié)果精度穩(wěn)定，測(cè)試指標(biāo)合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鐵路作業(yè)車(chē)安全生產(chǎn)和高效管理的需求，提出了綜合應(yīng)用GPS、GIS、3G/GPRS等先進(jìn)技術(shù)的作業(yè)車(chē)管理系統(tǒng)方案，建立以供電段調(diào)度為中心，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)車(chē)為管理對(duì)象的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全天候跟蹤定位作業(yè)車(chē)位置，不斷提高作業(yè)車(chē)的管理效率，保障鐵路的高效建設(shè)與科學(xué)管理。該成果已于2013年8月通過(guò)上海鐵路局科技成果鑒定，并已陸續(xù)在上海鐵路局南京供電段和合肥供電段推廣應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

該項(xiàng)目得到了武漢大學(xué)國(guó)家衛(wèi)星定位系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心施闖、宋偉偉和易文婷等各位老師的指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝。

[1] 施 闖，樓益棟，等. 廣域?qū)崟r(shí)精密定位原型系統(tǒng)及初步結(jié)果[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，34（11）：1271-1274.

[2] 馮 煒，邵佳妮，等. 廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].地理空間信息，2010，8（2）：67-69.

[3] 施 闖，李 敏，等. 利用區(qū)域基準(zhǔn)站進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星近實(shí)時(shí)精密定軌研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，33（7）：697-700.

[4] 李海濱. 用于高速鐵路的快速接觸網(wǎng)綜合作業(yè)車(chē)[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛, 2013，33（3）：117-122.

[5] 顏治平. 基于WebGIS的高速鐵路線路展示系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué), 2013.

[6] 田 寧.調(diào)度指揮中心中央控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2012.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Railway Operating Vehicle Management System with Wide Area real time precise positioning technique

XU Shimin1, HUANG Rongxing2
( 1. PLA Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China；2. Hefei Supply Depot, Shanghai Railway Administration, Hefei 230037, China )

In allusion to the demand of safety production and efficient management, it was proposed the information based management project for operating vehicle by integrated application of GPS, GIS and 3G/ GPRS, etc. The precise position of operating vehicle could be enhanced by using Wide Area real time precise position technique. The testing result showed that the positioning precise could be reached at level decimeter.

precise positioning; real time; operating vehicle; management

U285.24∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0027-03

2014-07-13

許士敏，副教授； 黃榮星，高級(jí)工程師。