基于北斗衛星定位系統的鐵路預警系統的分析

王毅然 呂榮斌 羅孟斐 黃政林

（石家莊鐵道大學 河北石家莊 050043）

基于北斗衛星定位系統的鐵路預警系統的分析

王毅然 呂榮斌 羅孟斐 黃政林

（石家莊鐵道大學 河北石家莊 050043）

在中國鐵路高速發展的現狀下，鐵路巡查檢修人員的安全是一個大問題。對火車進行實時定位與預測，計算巡道工與火車之間的距離，并根據路況進行時間預警刻不容緩。針對這一情況，我們進行了理論分析并提出一些可行性計劃。

北斗定位 預警 鐵路

研究背景在“地球村”的現狀下，中國國內的軌道交通發展的進程也飛速前進，鐵路建設已經達到一個新的高度，國內道路網愈加密集。因而在軌道巡檢方面的一些安全隱患也隨之暴露。

眾所周知，在火車行駛過程中，人們需要距離火車一定的距離才能保證安全。雖然現在一般人都很少有機會去接近運行中的火車，但是對于巡道工來說，這一情況是經常發生的。首先，我們需要對巡道工的工作背景有一個了解：巡道工的主要任務是負責巡查鐵路線橋、處理故障、做好小補修，保持線路狀態完好，外觀整潔，保證行車安全工作。通過巡檢，及時發現存在的安全隱患并加以處理，以保證鐵路列車的正常運行。在巡檢過程中，列車與巡道工的距離接近安全距離時，工人應及時下道避讓，并且當路線上有安全隱患但無法及時處理時，應立即將信息通知給運管中心相關部門人員，但進行該行動的前提是要了解列車的實時位置、速度以及運行情況與工人自身所處的位置，然后再進行判斷和選擇。目前巡道工和運行列車之間的信息交流主要依靠對講機和GPS定位等手持設備，一般通過對講機里傳來的調度指令了解自己與途經巡查區的列車相遇的時間，以便做好操作或避讓準備，如果遇到線路條件惡劣如曲線和路塹較多導致通訊信號較弱或對講機出現故障的情況，甚至在隧道內無信號，巡道工接收不到提醒信息的現象時有發生，線路巡檢工作存在較大的安全隱患。例如，在以調研的赤大白鐵路為例，4個工作區段中約有1萬2千米的距離，其中有6處曲線，而每段曲線都在500米以上，更有一條曲線長達5880米。其中，路塹有50個，隧道有3處長約1800米，占全長的15%左右，顯然，由于路塹較多，因而巡道工接收不到信息、信息發不出去的現象時有發生，安全隱患極大。

雖然鐵路調度指揮系統已經很完善，但是列車的實時路況信息還不能及時的反饋給巡道工，因而有必要研究列車與巡道工間距自動監測與報警系統。通過列車與巡道工間距自動監測與報警系統，能夠實時掌握巡道工與運行貨車對彼此位置信息，從而保障巡道工的人身安全和貨車的正常運行。

1 研究現狀

目前我國既有的線路機車定位方式有好幾種，比較簡單的方式是通過機務段的調度員與鐵路局機車調度員之間的電話網絡進行聯系，得知機車具體位置信息后，繪制出機車周轉圖，然后對其進行跟蹤。但是這種方式存在著信息傳遞滯后、信息準確度不高等諸多弊端，致使機車使用效率比較低，無法實現集中管理。

因此運用較多的是以下兩種方式：一種是采用 TDCS 系統對機車動力資源進行定位跟蹤，這是目前各鐵路局調度所比較普遍的作法．也就是機車運行到達某個車站后，由車站值班員將機車型號、 司機姓名、 列車車次等信息輸入運輸調度指揮系統（TDCS 系統） 。 鐵路局機車調度員通過調取 TDCS系統信息， 繪制出機車周轉圖，以此掌握機車運行動態。另外一種是采用 GPRS系統對機車動力資源進行定位跟蹤，機車上安裝有移動終端機，利用手機將機車上列車運行監控記錄器中的數據傳輸到指定的服務器上，數據內容包括: 機車型號、運行區間、公里、速度、司機姓名和列車編組等信息，服務器上的程序根據接收到的數據，將機車位置繪制到電子地圖上，同時顯示機車當前運行狀態。這種工作方式的缺陷是當列車運行到移動網絡信號盲區時，信息無法上傳，機車將出現位置丟失的問題，這給機車定位和調度指揮帶來很大麻煩。綜上所述，國內既有的幾種線路機車定位的方式在某些方面都存在一定的弊端，設計出一個能夠將列車與巡道工間距自動監測與報警系統是大勢所趨。

2 系統規劃

現針對目前狀況設計一列車與巡道工距離自動監測與報警系統，該系統解決的基礎問題是列車與工務人員的定位。在國內目前運用比較廣泛的定位導航系統主要有兩種：一是美國的GPS，二是中國的北斗衛星導航系統。考慮到使用方便性，安全性，國防等各方面因素，選擇國產的“北斗”比較好。并且目前我國北斗系統有了重大突破，精確度已經到達1M，已經超過市面上被廣泛應用的美國GPS民碼技術。并且北斗二號定位和北斗一號通信模塊能夠實現列車實時位置跟蹤、雙向短信息的傳遞等。它特有的通信功能在運用過程中起到了重要的作用，并且最主要的是“北斗”是我們國家擁有獨立自主知識產權的衛星導航系統，在任何場景，任何時刻我們都可以信任它。

在2016年6月，國務院發布了《中國北斗衛星導航系統》白皮書，并指出北斗是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設獨立運行的衛星導航系統。該系統將同時擁有GIS地圖顯示功能。GIS是英文Geographic Information System的縮寫，即地理信息系統，是包含攝影測量學、測繪學及城市規劃等學科的一門新的學科，廣泛應用于許多領域。GIS地圖能直觀地體現車輛行駛的位置，在GIS地圖上，可以對列車的狀態一目了然。

因此，首先需要建立GIS電子地圖數據庫，先用北斗二號采集數據形成標記點的電子地圖，這些數據包括經緯度、海拔高度等。這些數據可以分為3部分：列車數據、路線數據以及標記點數據。大致軌道可以直接采用現有的地圖，之后在此基礎上建立路段標記之。這樣當要測量列車位置坐標與鐵路地圖匹配時，較容易計算，并且對距離的計算有一定的幫助。

但是在隧道等北斗衛星信號盲區地段，會有信息的缺少。這里可用DR技術。DR是英文Dead Reckoning的縮寫，它可以利用列車的運行方向和位移來推算列車行駛的軌跡。而鐵路軌道路線可以看作是平面上的二維運動。列車的實時位置可以由平面上的北向和東向位置確定。DR的原理如下圖1所示：

由圖1可知，列車的位置:

圖1 DR的原理示意圖

系統將會用到速度等運動參數，因此，會采用慣性測量單元（IMU）作為DR的傳感器。但是由于列車的速度、里程、航位推算的方向均是由積分所得，因此DR系統不能長時間使用，因為這樣會使里程產生誤差累積。

其中，要注意標記點數據要大于北斗的識別精度，以前是20米，但是由于近前北斗有了精確的提高，已經可以精確到1米。因此，整個系統的精確度會比以前有明顯的提升。

圖2 系統的總體架構

系統的總體架構及通信協議如圖2所示 。系統由車載智能定位預警機、巡道工定位預警智能機和信息管理中心三部分組成，信息管理中心主要由GPS信息交換服務器和數據庫服務器組成。中心服務器以RESTful Web 服務形式完成預警機、工務人員手持機的數據交換，存儲，計算功能。

在巡查工作中，工務人員的手持預警智能機上將會顯示一定范圍內的或一定時間內可能經過公務人員周邊的列車位置信號。這時中心服務器會計算各列車可能到達工務人員所處地的距離和時間。當距離和時間小于一定數值時，中心服務器會將信息，如列車預計到達時間，當前所在位置發送到工務人員手持機上，提醒工務人員準備撤離，而當距離和時間小于臨界時，手持機將會發出警報，要求工務人員立即撤離，以免發生危險。這里中心服務器以Restful Web服務形式完成預警機,工務人員手持機的交換,儲存計算機能。使用時運用大數據將各列車運行的各種運動信息如經過某些地點的速度，所用時長，經過某路段的具體時刻，以及路段容易出現的安全隱患，工人處理這些故障所用時間。當系統運行時間達一定時長后，數據達到一定規模時，中心服務器便可以整合歷史數據，更準確的做出決斷。

3 結語

通過對一些原理的分析并結合實際情況和需求給出了基于北斗系統/DR的列車與巡道工間距自動監測與報警系統的可行方案。該系統主要運用了北斗衛星導航系統，GIS地圖顯示，航位推算系統，可實現終端機（即巡道工手持智能機和車載智能機）的位置顯示，列車的運行狀態如速度，到達時間等參數的計算以及在信號盲區路段的預計情形。同時能計算、分析、存儲數據，并在情況達到一定程度時給出提醒和警告。

[1]劉憲軍,張志榮,李真,劉軍.基于北斗導航定位系統的機車動力資源定位系統研[A].大連交通大學學報.2015,36(2):101-105.

[2]孫永梅,王富章.基于GPS/DR的現代有軌電車定位方法研究[A].鐵道標準設計,2016,60(9):137-140.

[3]唐金元.北斗衛星導航區域系統發展應用綜述[A].全球定位系統.2013,38(5):47-52.

[4]扈永順.中國北斗走向世界北斗[J].瞭望新聞周刊,2016-1-09:56-57.

Analysis of the Railway Early Warning System Based on the Orientation System of Beidou Satellite

WANG Yi-ran LV Rong-bin LUO Meng-fei HUANG Zheng-lin
(Shijiazhuang Tiedao University Shijiazhuang Hebei 050043 China)

The safety of railway trackwalkers is an urgent issue with the fast development of railway in China. Taking real-time location and prediction for trains, calculating the distance between the railway trackwalkers and the trains, and taking early time warning according to the real-time railway condition admits no delay. In response to this situation, we conducted a theoretical analysis and put forward some feasibility plans.

Beidou orientation early warning railway

A

1673-1816(2017)03-0049-04

2016-06-18

王毅然（1996-），男，漢，湖北潛江人。