基于北斗施工安全防護系統研究與開發

李養民

（京廣鐵路客運專線河南有限責任公司，北京 豐臺 100070）

1 引言

隨著鐵路運營速度的提升和高速鐵路的快速發展，我國鐵路運營條件產生了根本性的變革，列車的行駛速度越來越快，間隔越來越短。作為鐵路通信信號施工企業，承擔了大部分鐵路既有線路的改造與施工，在這種狀況下，如果在施工工程中出現瞭望不及時，就可能出現重大的安全事故，甚至危及生命。安全防護在鐵路既有線路施工中是至關重要的，因此，本文提出了基于北斗施工安全防護系統，施工人員佩戴可穿戴設備，實現對施工人員位置和活動軌跡進行實時監控，一旦越過安全區域，對施工人員進行聲音和震動提醒，同時也可在移動監控平臺和后臺監控平臺觀察現場情況，實現對施工人員的安全防護。

2 基于北斗施工安全防護系統

2.1 系統構成

基于北斗施工安全防護系統，采用了可穿戴設備和北斗定位技術。施工人員佩戴的穿戴設備，把北斗定位系統提供的所處坐標，通過GPRS公網通信，傳輸位置坐標信息到后臺數據庫系統，結合系統安全施工區域的劃定和RTK差分定位，對施工人員活動進行判定是否越界。實現對施工人員位置的遠程監控，并根據人員位置與施工安全防護區域進行自動判斷，一旦越過安全區域，對施工人員進行聲音和震動提醒，同時也支持移動監控平臺和后臺監控平臺，方便現場人員和項目部值班人員掌控現場施工情況。

施工人員可穿戴設備與防護系統建立連接，回傳位置數據和接收指令信息；現場防護人員配置平板電腦，作為移動監控終端，通過APP上的移動監控平臺可以管理安全區域，同時觀察人員位置信息和越界告警；項目部值班人員，可通過監控電腦，登入Web端的后臺監控平臺，可以實現對施工人員的全過程位置監控，同時以計劃管理、電子圍欄監控等輔助手段，達到施工安全的監控與管理的目的。系統構成關系如圖1所示。

圖1 基于北斗施工安全防護系統構成圖

整套系統結構，如圖2所示。

圖2 基于北斗施工安全防護的整體系統結構圖

2.2 系統功能

基于北斗施工安全防護系統，主要功能包括：實時查看施工人員位置和活動軌跡，通過網絡實時遠端監控現場施工情況；一旦越出安全區域，進行聲音和震動提醒。系統整體包括高精度可穿戴設備、差分站、移動監控終端、移動監測平臺和后臺服務器監測平臺。

(1)后臺監控平臺和移動監控平臺，功能主要包括實時監控、發布告警信息、劃定安全區域、歷史軌跡回放，保存歷史報警信息、施工計劃調度、數據服務、設備遠程管理、用戶權限管理、大數據處理、統計分析等，后端服務器最大并發接入量十萬，處理間隔在毫秒級。

(2)可穿戴設備，采用了一款亞米級的高精度穿戴設備，采用了雙星單頻差分定位技術，可以實現分米級的定位精度，有效抵消星鐘、星歷、電離層、對流層等因素產生的誤差。實現了鐵路施工過程中，對線路上下行的區分，進一步強化對施工人員位置的準確定位和安全防護。

(3)差分基準站，結合高精度定位差分基準模塊和移動定位技術，配合差分服務器，可以與可穿戴設備連接通信，交互差分數據，利用已知坐標和衛星星歷計算出觀測值的校正值，并通過公網服務器，將校正值下發給可穿戴設備，實現高精度定位功能。

(4)移動監控終端，采用大屏終端，運行安卓操作系統，采用4G通信。方便現場防護員對施工人員的位置和活動進行定位，通過公網回傳和下載數據，運行移動監控平臺，實現劃定安全區域、人員實時位置監控、人員越界報警、人員活動軌跡回放、保存歷史報警信息等主要功能。

3 關鍵技術

本系統采用多項關鍵技術，實現對施工人員的安全防護和精準管理：

(1)多平臺轉換

本系統采用了跨平臺的監控平臺的設置，采用B/S框架，可以實現在中控室的PC機的Web端的監控平臺，方便多臺設備的遠端登入，同時查看。同時，開發安卓平臺的APP，可以在移動平板和手機上安裝APP，實現現場的人員管理。

(2)通用協議應用

本系統可穿戴設備與后臺服務器之間的協議采用通用的JT808協議，應用于軌道交通運輸領域，采用JT808協議，可以方便對數據進行解析，可以實現對位置、時間、方向等數據的提取，同時也對高精度設備進行指令的下發，實現告警功能，聲音和震動提醒。

(3)數據庫管理

本系統是針對全國范圍內的施工區域進行管理，通信量和處理量巨大，在數據庫配置方面，針對不同的業務，配置了通信服務器、處理服務器、web服務器、分析服務器和存儲服務器，滿足服務器記錄工作日志、人員活動數據、告警和警示信息、告警警示推送和確認信息，記錄數據保留30天。實時對告警信息、警示信息、操作日志、人員活動軌跡等數據的統計分析。

(4)安全區域判定算法

對于區域判定算法，采用引射線法，從待判定點出發作一條射線，計算射線與安全區域封閉邊界的交點數目。如果交點個數為偶數，則為區域內部，如果有奇數數個交點，則說明在區域外部。

判斷兩線相交的公式如下：

(xi,yi),(xi+1,yi+1)為邊界兩側的點；(x0,y0)為邊界的點。

4 應用場景

本系統利用北斗衛星系統定位技術和可穿戴設備，為鐵路施工中施工人員的安全防護配套應用場景。

(1)軌旁設備施工安全預警應用

施工人員佩戴可穿戴設備，把北斗定位系統提供的所處坐標，通過GPRS公網通信，傳輸坐標信息到后臺數據庫系統，結合系統安全施工區域的劃定和RTK差分定位，對施工人員活動進行判定是否越界。當越界，后臺服務器向手環發起警示，提醒佩戴手環的施工人員手環。同時現場平板和遠端后臺，都可查看現場情況，顯示人員位置和信息，追蹤人員行動軌跡和保存歷史報警信息。

(2)軌跡回放應用

施工人員佩戴可可穿戴設備，每秒向服務器上報一次位置。服務器對人員定位數據進行處理，結合位置和時間，可通過查詢人員軌跡，回放施工人員在施工過程中的位置和運動速度，方便對施工人員的施工進度和運動路線進行統計，能夠實現對施工人員的精確監督和管理。

(3)人員心率監控應用

施工人員佩戴可穿戴設備，向服務器上報心跳監測信息，服務器接收心跳監測信息并進行處理。若心跳信息異常，則將告警信息發送給可穿戴設備和管理終端，設備接收到報警信息，進行告警提醒，管理終端顯示報警狀態并進行聲音和震動提示；心跳信息恢復正常后，服務器發出告警取消指令，設備接收告警取消命令，停止告警提醒，管理終端消除報警狀態。

5 結束語

在鐵路線施工中，采用北斗定位技術、可穿戴設備和后臺服務器數據處理。后臺服務器用北斗定位坐標，劃定電子圍欄。施工人員佩戴可穿戴設備，可穿戴設備把北斗定位系統提供的所處坐標，通過公網通信，傳輸坐標信息到后臺數據庫系統，結合系統安全施工區域的劃定，對施工人員活動進行判定是否越界。移動管理終端接收可穿戴設備位置信息，并在屏幕上顯示人員分布，同時后臺監控平臺也顯示人員信息和位置信息。服務器實時處理可穿戴設備的位置信息，若可穿戴設備位置超出工作區域，則向可穿戴設備和管理終端發出告警信息，管理終端顯示報警狀態并進行聲音和震動提示，可穿戴設備接收服務器發出的告警信息，進行告警提示。監控平臺界面，如圖3?；诒倍肥┕ぐ踩雷o系統的開發，可增強鐵路通信信號施工過程中的安全性、可靠性、可控性，有效地解決現有鐵路施工過程中施工人員的安全防護，為鐵路既有線施工人員安全提供科學的保障。

圖3 后臺監控平臺界面