基于移動網絡的鐵路施工安全報警系統的設計及應用

帥建坤，姬青杉，趙裴，陸陽

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基于移動網絡的鐵路施工安全報警系統的設計及應用

帥建坤1，姬青杉2，趙裴1，陸陽1

（1.西安航天天繪數據技術有限公司，陜西 西安 710100；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司科研技術監督所，甘肅 蘭州 730030）

綜合應用北斗/GPS定位、地理信息系統、即時通信等現有的關鍵技術，集成開發基于移動網絡的鐵路施工安全報警，提供電子圍欄監管、報警分發、通信服務等一體化的解決方案。采用先進的信息化的方法和GIS手段，充分利用北斗/GPS系統“定位+通信”的特點，實時監控檢修人員及機車動態位置，分析并實時下發命令，即時報警，滿足數字化建設、鐵路安全檢修的需求，同時，解決因信息傳遞滯后或信息阻隔對鐵路檢修人員造成的安全隱患問題。

GPS；WebGIS；鐵路檢修；高危事故

1 概述

鐵路檢修是高風險、高危事故高發的行業，尤其是機車進出施工現場時，鐵路作業人員的安全風險更大，針對鐵路局的管轄特點，在鐵路施工人員作業時，存在以下兩方面的問題。

1.1 信息傳遞時效性差

鐵路局管轄區域具有局限性，無法做到施工人員位置的實時傳遞。隨著火車位置的逼近，若無法做到實時提醒現場施工人員及機車雙方的預警，危險系數將進一步增大。

1.2 無法精確感知檢修人員的位置

鐵路局的管轄范圍較大，作業區位置分散，因此，鐵路施工人員的具體作業位置、移動軌跡等信息難以實現較為精確的監控。

進一步加強鐵路沿線施工安全防護[1]，確保作業安全，提高作業效率，是目前亟待解決的一個重要問題。基于當前問題，本文充分利用北斗[2]/GPS系統“定位+通信”的特點，通過衛星定位實時獲取鐵路施工人員及機車的位置信息，并在電子地圖上顯示，且在火車逼近時及時給鐵路施工人員及機車人員下發報警提示，有效避免減少事故的發生，同時滿足網絡化[3]、數字化建設需求。

2 總體設計

2.1 系統構成

系統由外業采集終端、報警定位終端（支持北斗定位的Android智能終端）、通信網絡、監控服務平臺組成。整個系統部署在指揮中心并顯示在大屏幕上，以GIS（地理信息系統）為基礎，通過移動網絡接收外業終端采集GIS信息，實現電子圍欄的自動繪制，報警終端進行北斗位置的上報，平臺實時進行報警分析，判斷并下發報警指令，報警終端根據接收指令進行語音報警。基于移動網絡的鐵路施工安全報警系統部署如圖1所示。

圖1 系統部署圖

2.2 系統組成

系統平臺主要包括外業采集子系統、終端位置報警子系統、GIS業務應用子系統、即時通訊子系統。平臺組成圖如圖2所示。

2.3 外業采集子系統

采集終端用于采集作業區域GIS信息，計劃工作人員沿鐵路中線進行點采集，將采集信息通過4G網絡上報給平臺，平臺接收數據，解析數據并根據相應的閾值左右擴大電子圍欄范圍進行電子圍欄繪制，作為施工現場的電子圍欄。

圖2 平臺組成圖

2.4 終端位置報警子系統

基于Android系統的北斗智能終端載入報警子系統APP，系統會根據賬號判斷角色（機車、作業人員）。登錄機車賬號的設備，作為機車終端用于機車報警。登錄作業人員的賬號作為施工作業人員終端，用于施工人員的安全報警。終端（機車、作業人員）通過4G網絡進行自動位置上報，同時，通過即時通信子系統實時接收平臺下發的報警指令，進行語音報警。

2.5 GIS業務應用子系統

包括用戶管理、機車信息管理、施工人員管理等；軌跡管理包括所有角色上報的位置信息管理、軌跡回放等；電子圍欄管理包括電子圍欄的設置、切換等；報警管理包括報警記錄的存儲、歷史報警查看等；地圖服務包括終端設備實時顯示、歷史軌跡的繪制、鐵路數據的疊加等。平臺根據機車、作業人員的實時位置及預設的電子圍欄，結合預設火車接近的報警閾值，自動判斷機車接近電子圍欄及作業人員的報警決策，平臺會通過即時通信子系統，以不同命令進行雙向報警同步下發。作業人員終端持續收到電子圍欄報警并提示聲音“火車接近，距離XX米”，直至退出電子圍欄之外，報警取消；機車終端同時收到接近報警，并提示聲音“前方施工，請注意減速慢行”，直至穿越電子圍欄報警取消。

2.6 即時通訊子系統

實現終端與平臺、終端與終端實時通信，報警信息實時收發，保證報警信息的時效性，減小通訊信息的延遲。

3 關鍵技術

我國的北斗[4]導航系統完全可以支持鐵路施工實時監控系統，做到機車和作業人員的實時位置監控，使列車在運行過程中，及時被告知前方施工狀態，處理并規避危險情況。同時，施工作業人員均能按規程正常操作，避免危險的發生。本系統利用北斗衛星系統高精度定位技術，結合地理信息系統（GIS）、移動網絡[5]、計算機網絡等多技術于一體[6]，為鐵路檢修作業人員安全預警防護應用提供技術支撐和解決方案，構建基于移動網絡的鐵路施工[8]安全報警系統。

3.1 定位精度可靠性

鑒于北斗衛星導航系統具有開放、獨立自主、可兼容性、穩定和覆蓋廣的特點并可在全天候、全天時為用戶提供高精度、高可靠性服務，定位精度優于10 m，授時精度優于20 ns[7]等特點，定位終端采用內設高精度定位北斗移動Android終端，采集機車、人員、電子圍欄的高精度定位信息，提高定位的可靠性。

3.2 外業采集系統

利用高精度的北斗衛星定位技術[9]，設計基于GIS的外業采集子系統，存儲并處理相關GIS屬性信息。實現與平臺網絡通信協議傳輸，實現電子圍欄的自動繪制，提高電子圍欄精準度。

3.3 GIS應用

GIS應用[9]是整個系統展示分析的核心模塊之一，功能主要有二維Web地圖模塊、用戶管理、報警分析模塊、空間輔助報警模塊等。其中，二維Web地圖模塊主要提供電子地圖的快速定位、檢索、鐵路數據的疊加、終端位置實時顯示、軌跡回放等。報警分析模塊提供報警智能決策等。GIS業務應用子系統功能圖如圖3所示。

圖3 GIS業務應用子系統功能圖

3.4 即時通信

即時通信系統是整個系統的核心模塊，是一種基于現代計算機網絡的通信技術，能夠及時發送和接收互聯網信息的一種交互方式，應用于報警終端與平臺，位置報警終端與位置報警終端間的數據傳輸與接收，確保機車接近報警及電子圍欄報警雙向報警的同步性，盡量減少通訊網絡的延遲。

3.5 應用實例

基于移動網絡的鐵路施工安全報警系統在蘭州鐵路段進行試驗，主要功能可分為外業、監管和報警。

外業采集子系統將采集的電子圍欄信息上報給監管平臺。監管平臺可以通過接入網關適配接入的不同協議的終端，并采集處理已接入終端的實時位置與狀態信息，將終端位置狀態信息以內部協議格式通過即時通信的方式，以設置的自定義的時間間隔推送至GIS業務應用子系統進行空間輔助報警分析，比如火車接近報警、電子圍欄報警等。

GIS業務應用子系統處理后的數據通過即時通信推送至終端報警、前端Web地圖報警展示，并調用相應的數據服務引擎進行數據持久化及緩存。

3.6 現場試驗

針對項目的真實性，本次試驗采用蘭州鐵路蘭州西站到蘭州站往返車次進行試驗，如表1所示。

表1 試驗工作表

試驗序號試驗對象試驗計劃說明 1定位，電子圍欄定位及電子圍欄設置定位精度驗證 2報警電子圍欄報警報警功能驗證 3報警火車接近報警報警功能驗證

步驟：①平臺設置電子圍欄，采集終端沿鐵路沿線采集數據，上傳平臺，驗證電子圍欄設置功能；②施工人員選取施工角色用戶登錄報警終端，圍繞電子圍欄設置區域進行環繞行走，測試人員定位的準確度。

3.7 報警功能

步驟：①設置機車接近報警閾值（該范圍內，機車接近報警）；②施工人員登錄施工角色APP，在指定電子圍欄區域內施工活動；③機車人員登錄機車角色APP，并乘坐蘭州西站—蘭州站往返列車，列車接近施工人員，測試電子圍欄和機車接近雙向報警功能。

3.8 現場試驗分析

本次試驗的實施檢測在經過數次測試修改迭代的基礎上，功能點達到預研要求。人員定位經過數次的試驗能達到誤差范圍在5 m內；火車接近預警及電子圍欄報警均能達到預期的可接受的理想范圍內。

此應用為鐵路檢修應急指揮提供實時定位及即時通信保障服務，建立基于定位及即時通信于一體的鐵路安全施工指揮調度系統，能有效地避免或減少事故發生，降低施工危險性。

4 結論

本系統針對現有施工維修計劃、管理模式、組織結構及流程等進行了詳細分析，并結合我國鐵路具體路情和現代組織管理學理論，設計了施工維修計劃管理方式，加入施工管控功能，使其滿足實際工作需求。

經過現場及模擬場景的測試、定位，電子圍欄的繪制、報警決策等功能均能達到預期效果。在鐵路檢修時，利用該系統提供的輔助報警決策功能，實現電子圍欄報警及火車接近報警，對機車和作業人員進行實時的雙向報警，有效避免或減少鐵路施工事故的發生，達到了高效、安全施工的目的。

［1］蔡金，高自友.鐵路安全預警系統的研究和實現［J］.中國安全科學學報，2003（03）：18-21.

［2］甄德印，許建國.北斗高精度定位人機碰撞預警系統研究［J］.鐵道技術監督，2017（02）：43-46.

［3］肖維斯.物聯網在鐵路安全監控領域應用研究［D］.北京：北京交通大學，2012.

［4］陳子葉.基于北斗的編組站作業監控管理系統研究與實現［D］.北京：中國鐵道科學研究院，2018.

［5］杜錦程，薛軍興.基于移動通訊網絡的提速列車接近報警系統研究［J］.鐵道機車車輛，2008（03）：34-36.

［6］李養民.基于北斗施工安全防護系統研究與開發［J］.電腦與電信?應用技術與研究，2018（08）.

［7］姜文超，馮仲偉，朱宏偉.北斗衛星導航系統在鐵路工務工程中的應用探討［J］.鐵道建筑，2015（09）：128-130.

［8］宋修德，鄧衛東，李用，等.基于物聯網的鐵路施工安全綜合防護系統設計及應用［J］.鐵路計算機應用，2017（11）：36-40.

［9］秦健.基于北斗的鐵路施工作業人員和車輛安全預警防護系統方案研究［J］.計算機應用，2017（09）：11-14.

2095－6835（2019）03－0141－03

U215.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.141

〔編輯：張思楠〕