企業鐵路可視化機車運行實時監控系統的設計與實現

劉世剛, 郭文新

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 鐵路運輸分公司，馬鞍山 243003；2 .成都勞杰斯信息技術有限公司，成都 610036）

企業鐵路可視化機車運行實時監控系統的設計與實現

劉世剛1, 郭文新2

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 鐵路運輸分公司，馬鞍山 243003；2 .成都勞杰斯信息技術有限公司，成都 610036）

本文論述了DGPS技術和基于軌道信號的MESH無線網絡在企業鐵路機車運行實時監控方面的應用。該應用將MESH無線網絡技術運用于企業鐵路機車運行實時監控，并通過將鐵路信號和機車運行前方進路（道口或貨位等）視頻回傳、DGPS亞米級高精度定位等功能帶來的各類安全預警，使得企業鐵路機車運行實時監控達到可視化。

機車運行；MESH網絡；視頻；DGPS；實時監控

在我國冶金、鋼鐵、礦山、化工等行業存在著大量專用鐵路（企業自備鐵路），專用鐵路是企業生產組織的重要環節，是我國大中型企業主要的運輸方式，在企業的生產經營活動中起著重要的作用。機車作為企業鐵路運輸生產的主要設備，它的運行和管理尤為重要和關鍵。

1 研發意義

基于MESH無線網絡和DGPS技術的企業鐵路可視化機車運行實時監控系統（簡稱可視化機車監控系統）的研發，對企業鐵路運輸生產具有重大意義。

（1）加大了作業機車的監控力度。本系統為各站行車調度（區調）提供了管轄區域內機車的位置、速度等數據，使行車調度隨時掌握各臺機車的作業進度，準確監控每臺機車的作業，從而提高了鐵路運輸保產的能力。

同時基于MESH無線網絡通信的高帶寬實時機車監控視頻的回傳及機車進路前方道口或貨位實際場景實時視頻的回傳[1]，對運輸生產調度指揮人員有極其重要的作用。

（2）提高機車的作業效率，減少機車使用臺數，降低運輸成本。本系統提供了一種嶄新的工作平臺，通過此平臺，鐵路行車總調度拓寬了監控范圍。可站在全局的角度，指揮各站行車調度，使全部運輸機車都有效地運轉起來，達到對全部機車作業實施監控的目的。另外，調度中心與機車實現了調度指令的無線傳輸，兩者結合大幅度提高了機車的作業效率。

（3）加強運輸機車作業標準化的監督，減少行車事故的發生。本系統可以使機車作業人員自覺地按標準化進行作業，從而大幅度減少行車事故，并且為事故分析提供可靠的依據。

（4）“微機聯鎖+DGPS”形成雙保險。DGPS機車衛星差分定位系統與微機信號連鎖系統結合形成了安全的雙保險，除了顯示信號和軌道狀態外，同時顯示機車在軌道的準確位置，這樣就可有效地防止上述安全事故的發生。

（5）優化鐵路行車組織。由于企業鐵路可視化機車運行實時監控系統可以對全部機車作業過程進行回放，并對每臺作業機車的作業數據進行統計和分析，從中發現機車作業過程中不合理的部分，從而改進各臺機車作業方案，實現優化行車組織的目的。

2 開發要求

2.1 對機車運行進行實時跟蹤、定位和監控

（1）在機車車載顯示屏上實時動態顯示本機車及所掛車輛在股道上的具體位置；（2）在機車車載顯示屏上實時動態顯示距離本車列行進方向最近信號機狀態和距離，系統要求距離誤差不大于3 m；（3）在機車車載顯示屏上實時動態顯示機車速度曲線。（4）機車運行動態軌跡及回放。

2.2 對機車調車作業時的安全進行預警及防護

（1）對機車冒進信號前，進行低頻和高頻兩級語音預警；（2）當車列行進前方為盡頭線時，進行語音低頻和高頻兩級語音預警；（3）當車列行進的速度超過了股道限速時，進行低頻和高頻兩級語音預警；（4）特殊區段限速控制。根據用戶使用要求，對需要限制速度的區段進行速度限制及預警；（5）測量車列長度，實時提供實際甩掛鉤驗證車輛數，實現錯誤摘掛車輛作業報警；（6）當檢測到機車出現闖紅燈、超速等情況時，可以對機車進行應急制動控制。

2.3 其它功能

（1）機車車載終端可以與機車工況測控主機進行接口（RS232），采集記錄機車運行工況信息并進行回放，記錄內容包括柴油機、制動系統等運行參數并在后臺形成曲線，可以與速度同步回放；（2）機車車載終端可以與物流跟蹤系統、調度監督系統進行數據接口，接收處理相關數據；（3）機車車載終端具有打印輸出接口；（4）電子添乘的內容可根據要求實時回傳到地面管理終端。

3 關鍵技術和要點

3.1 無線網絡的選擇

MESH無線網狀網[2]，也稱為“多跳（multihop）”網絡[3]，是一種新型的基于WiFi 技術的無線城域網解決方案。它可以動態地創建新的鏈接和其它節點相連，且組網簡單、經濟、可擴展，從而大幅度降低專網用戶或運營商網絡部署的成本和復雜程度。

在本系統中選擇Strix OWS產品系列，它具備如下特點：保證機車視頻監控雙向傳輸所需的網絡帶寬；機車高速移動和無線網絡快速切換；鐵路沿線Mesh基站具有極強的自愈能力；企業鐵路的惡劣環境要求極強的抗干擾性；網絡的可管理性。

3.2 GPS的定位精度

通常GPS的定位精度為5 m～10 m，而在企業專用鐵路的站場，5 m～10 m往往可以橫跨3～4條鐵路線路，并且線路軌間距為1.435 m，因此普通GPS的定位精度達不到機車運行監控的要求。本項目利用差分全球定位系統（Differential Global Positioning System，簡稱 DGPS 或差分GPS），它是一種應用于全球定位系統中用以提高民用定位精度的技術，可以提高局部范圍內用戶的定位精度，利用這一方法可以將用戶的實時單點定位精度提高到亞米級。 本項目定位精度可達到0.45 M（CEP），完全適用于企業機車運行監控。

3.3 工作原理

本系統不僅需要其各分系統間協同工作，還需要與計算機網絡系統、MESH網絡有機集成。系統主要工作原理如下：

DGPS基準站分系統的GPS接收天線架設在已知坐標的基準點（在調度中心樓頂）上，根據接收到的GPS信號及預先測定的基準點坐標解算出差分改正數，并實時地將差分改正數據通過MESH無線網絡系統向車載分系統播發。實現GPS衛星定位子系統精確定位的基礎。

車載分系統中的GPS接收機接收GPS差分改正數據和GPS衛星信號，進行實時差分處理，得到所測機車的精確位置。

利用MESH網絡，不僅實現差分信息的播發和機車位置信息的回傳，同時還通過數據處理中心的中心處理軟件實現調度指令的雙向報文通信，并實現調度指令及相關視頻在各個機車、站場、調度中心間的轉發和存儲。

3.4 開發環境

本系統采用C/S 模式結構，選擇了基于GIS組件的集成二次開發方法，GIS組件選用MapX，高級語言選用Microsoft Visual Studio 2008，數據庫管理系統利用Microsoft SQL Server 2008。

3.5 主要數據處理流程

DGPS數據處理流程圖如圖1所示。

微機聯鎖、調車作業數據處理流程圖如圖2所示。

圖1 DGPS數據處理流程圖

圖2 微機聯鎖、調車作業數據處理流程圖

4 系統設計

系統設計分為3個部分：地面設備、傳輸網絡、機車車載終端。地面設備包括DGPS基站、數據庫服務器、應用服務器、接口工控機、視頻服務、現場網絡攝像機等。傳輸網絡包括企業局域網、MESH無線網絡。機車車載終端包括GPS接收機、車載電腦、車載視頻監控攝像機、MESH網絡通信單元。企業鐵路可視化機車運行實時監控系統拓撲圖如圖3所示。

5 應用效果

2012年10月，馬鞍山鋼鐵集團鐵路運輸公司對企業內53臺機車陸續安裝了機車運行實時監控系統，完成了開發要求的所有功能，實現了對機車運行及司乘人員的安全作業監控；機車動態軌跡記錄及回放；機車運行安全預警（信號和DGPS雙控模式）；機車運用統計；機車油耗管理等功能，達到了為企業鐵路運輸生產保駕護航的目的。

6 結束語

企業鐵路可視化機車運行實時監控系統是應用無線網絡、差分GPS、鐵路信號、視頻監控、智能控制等技術開發的，該系統的開發應用帶來全新的管理理念。其中部分成果已成功運用于馬鞍山鋼鐵集團、河北鋼鐵唐山分公司等大型企業，取得了良好的應用效果。

[1] 何明明，李立軍，劉 鋼. 機車電子添乘裝置在鐵路管理中的應用[J]. 科技創 新導報， 2011（29）： 50-51.

圖3 企業鐵路可視化機車運行實時監控系統拓撲圖

[2] 方旭明. 無線Mesh 網絡[M]. 北京：人 民郵電出版社，2006.

[3] Mario Botsch. Polygon Mesh Processing[M]. AK Peters, Ltd, 2010.

[4] 潘云松，沈 濤. 行車和調車作業綜合信息遠程監控系統的設計與實現[J]. 鐵路計算機應用，2009，18（7）：48-50.

[5] 郭文新，張曉峰.專用鐵道可視化調車系統[J].鐵路計算機應用，2007，16（2）：24-25.

責任編輯 陳 蓉

Visual Locomotive Running Real Time Monitoring System for enterprise railway

LIU Shigang1, GUO Wenxin2
( 1. Railway Transport Branch, Maanshan Iron&Steel CO.,LTD, Ma,anshan 243003, China; 2. Chengdu Logistics Information Technology Co.,LTD, Chengdu 610036, China )

This paper discussed the application of DGPS technology and wireless MESH network to enterprise railway in locomotive running real time monitoring on the basis of track signal in detail. In this application, the MESH wireless network technology was used in locomotive running real time monitoring for enterprise railway. Through track signal and video of locomotive front route (crossing or location, etc), DGPS sub-meter precision positioning function, it was implemented the visual locomotive running real time monitoring for enterprise railway.

locomotive running; MESH network; video; DGPS; locomotive-ground joint control

U260.42∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0033-04

2014-06-19

劉世剛 , 工程師；郭文新，高級工程師。