基于高精度北斗聯(lián)合定位的鐵路施工安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張楠 姬青杉 何琦 趙裴 帥建坤

摘 要

針對目前鐵路施工人員采用傳統(tǒng)視覺、聽覺防護(hù)的防護(hù)方式效果較差，抑或定位設(shè)備精度不高、位置偏移量大、定位預(yù)警不及時(shí)等狀況，難以實(shí)時(shí)跟蹤人員位置，對施工人員人身安全存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)狀，本文基于高精度北斗聯(lián)合定位并融合物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸和電子圍欄警戒技術(shù)，提出鐵路施工安全報(bào)警平臺(tái)，解決列車接近作業(yè)區(qū)域和人員、設(shè)備越界的實(shí)時(shí)預(yù)警，有效降低鐵路工務(wù)施工作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，極大提高工務(wù)作業(yè)效率和智能化工務(wù)施工安全的防控設(shè)備應(yīng)用。

關(guān)鍵詞

北斗/ GPS;鐵路施工;預(yù)警;多星聯(lián)合定位

中圖分類號： U215.8 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.073

Abstract

In view of the present railway construction personnel in traditional visual， auditory protection way of protective effect is poorer，or positioning precision is not high，the position offset，such as positioning warning is not timely status，hard real-time tracking personnel position，there is a big security risk of the personal safety of construction personnel of the status quo，this article is based on high precision and joint beidou positioning of the integration of Internet information transmission and the technology of electronic fence alert，railway construction safety warning platform，put forward to solve the train close to the work area and personnel，equipment，cross-border real-time warning，effectively reduce the railway works the construction work of security risks，Greatly improve the efficiency of public works and intelligent public works construction safety prevention and control equipment application.

Key Words

Beidou/GPS;Railway maintenance;Alarm;Multi-star joint positioning

0 引言

鐵路施工作業(yè)具有流程多、作業(yè)區(qū)域大、施工環(huán)境安全性低的特點(diǎn)[1]。施工人員采用傳統(tǒng)的視覺防護(hù)及聽覺防護(hù)效果較差，易疏忽發(fā)生安全事故[2]。此外，目前也有采用GPS定位設(shè)備對施工人員進(jìn)行實(shí)時(shí)防護(hù)的安全策略，但是受到定位精度不高，位置偏移嚴(yán)重的局限，電子圍欄難以精確到單根鐵軌，電子圍欄區(qū)域過大導(dǎo)致報(bào)警頻繁會(huì)直接影響施工人員的工作狀態(tài)及效率[3]。

基于此，結(jié)合北斗技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用，迫切需要研發(fā)一套基于高精度北斗聯(lián)合定位的鐵路施工安全預(yù)警系統(tǒng)，集成應(yīng)用衛(wèi)星定位[4]、GIS[5]、無線數(shù)據(jù)通信[6]、Web-終端雙向即時(shí)通訊[7]等技術(shù)，克服環(huán)境因素影響，提供施工人員、機(jī)車的實(shí)時(shí)定位及人車安全位置預(yù)警信息，為現(xiàn)場作業(yè)人員提供實(shí)時(shí)防護(hù)安全策略，為鐵路建設(shè)和檢修維護(hù)提供重要安全保障[8]。

1 系統(tǒng)功能需求

基于北斗施工安全防護(hù)系統(tǒng)，主要功能包括：實(shí)時(shí)查看施工人員位置和活動(dòng)軌跡;一旦進(jìn)入有火車逼近的電子圍欄，進(jìn)行定制標(biāo)準(zhǔn)語音提醒。系統(tǒng)整體包括高精度定位設(shè)備、差分服務(wù)器、移動(dòng)終端和后臺(tái)服務(wù)器監(jiān)測平臺(tái)。

（1）后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)，功能主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、電子圍欄繪制及管理、發(fā)布預(yù)警信息、歷史軌跡回放，保存歷史報(bào)警信息、用戶管理等。

（2）定位設(shè)備，遴選亞米級高精度穿戴設(shè)備，采用三星聯(lián)合定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)分米至厘米級的定位精度，有效抵消星鐘、星歷、電離層、對流層等因素產(chǎn)生的誤差。實(shí)現(xiàn)鐵路施工過程中，對線路上下行的區(qū)分，進(jìn)一步強(qiáng)化對施工人員位置的準(zhǔn)確定位和安全防護(hù)。

（3）差分服務(wù)器，結(jié)合高精度定位差分基準(zhǔn)模塊和移動(dòng)定位技術(shù)，配合千尋差分服務(wù)器，可以與可穿戴設(shè)備連接通信，交互差分?jǐn)?shù)據(jù)，利用已知坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷計(jì)算出觀測值的校正值，并通過公網(wǎng)服務(wù)器，將校正值下發(fā)給可穿戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高精度定位功能。

（4）移動(dòng)監(jiān)控終端，采用大屏終端，運(yùn)行安卓操作系統(tǒng)，采用4G通信。方便現(xiàn)場防護(hù)員對施工人員的位置和活動(dòng)進(jìn)行定位，通過公網(wǎng)回傳和接收數(shù)據(jù)，裝載語音芯片，可實(shí)現(xiàn)定制保準(zhǔn)語音報(bào)警。運(yùn)行移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)劃定電子圍欄標(biāo)注、人員實(shí)時(shí)位置顯示、人員越界報(bào)警、人員活動(dòng)軌跡回放等主要功能。

2 基于高精度北斗聯(lián)合定位預(yù)警系統(tǒng)總體框架及實(shí)施流程

人員亞米級定位功能實(shí)現(xiàn)方案總體框架圖：

安全預(yù)警實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步：鐵路施工人員在終端設(shè)置位置上報(bào)時(shí)間間隔，移動(dòng)設(shè)備根據(jù)該值間隔相應(yīng)時(shí)間給后臺(tái)上報(bào)終端位置信息;每次位置上報(bào)后，平臺(tái)做以下算法。

第二步：每次位置上報(bào)后，平臺(tái)根據(jù)終端上報(bào)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和地圖信息計(jì)算得到所在的軌道線路地圖，判斷該位置點(diǎn)是否位于電子圍欄內(nèi)。若處于電子圍欄內(nèi)，判斷該圍欄所在軌道是否有火車接近，若有，則后臺(tái)給終端發(fā)送指令進(jìn)行語音避險(xiǎn)提醒。否則退出計(jì)算進(jìn)而處理下一條位置信息。

第三步：當(dāng)人車相對速度V>0時(shí)，根據(jù)在軌列車和施工人員的實(shí)時(shí)位置，可分為兩種：

（1）距離足夠時(shí)，即S>S0，系統(tǒng)判斷安全模式，即使施工人員位于電子圍欄內(nèi)也不會(huì)報(bào)警;

（2）距離緊張時(shí)，即S≤S0，系統(tǒng)判斷人車危險(xiǎn)模式，提醒施工人員迅速離開，司機(jī)采取減速措施，為工人避險(xiǎn)爭取足夠時(shí)間。

S0為安全距離閾值，初始值設(shè)定為100m。

3 鐵路施工安全報(bào)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探究

3.1 北斗高精度聯(lián)合定位技術(shù)

俄羅斯GLONASS此前失去維護(hù)，2019年7月歐洲Galileo衛(wèi)星持續(xù)掉線117個(gè)小時(shí)。而中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提前一年完成全球覆蓋，并且支持雙向通訊報(bào)文服務(wù)[9]。

本方案定位終端采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主機(jī)性能和工作效率明顯優(yōu)于android、ios等常見終端系統(tǒng)，平臺(tái)運(yùn)行效率高，其獨(dú)特的內(nèi)核處理機(jī)制可同時(shí)響應(yīng)多條命令，啟動(dòng)更快，響應(yīng)更及時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高[10]?；诒倍返榷嘈窍档母呔榷ㄎ?，采用高精度解算定位主板，支持北斗﹑GPS﹑GLONASS等多星系融合算法，內(nèi)置高品質(zhì)螺旋天線，具有完善的多路徑抑制技術(shù)和抗干擾技術(shù)。同時(shí)搭載全星座北斗GNSS定位高速傳輸網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)瞬時(shí)即達(dá)，支持NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和TSIP數(shù)據(jù)格式。

集成高精度GNSS主板、專業(yè)高靈敏衛(wèi)星天線、4G全網(wǎng)通模塊﹑WIFI模式操控及數(shù)據(jù)傳輸、通用雙向通訊藍(lán)牙、高頻電源板等于一體，且無縫接駁各平臺(tái)的GNSS手持接收機(jī)本身具備分米級定位精度，通過對接千尋服務(wù)可以向厘米級定位精度優(yōu)化，采用千尋知寸服務(wù)提供的偽距差分結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK定位，擴(kuò)大差分服務(wù)范圍，可將定位精度提升至厘米級。

3.3 多電子圍欄生成技術(shù)

警戒區(qū)域電子圍欄生成采用建立緩沖區(qū)的方式，平臺(tái)可以自由設(shè)定緩沖區(qū)類型，圓形電子圍欄通過設(shè)置圓心和緩沖區(qū)半徑生成，線性電子圍欄通過輸入中心線坐標(biāo)（或直接在地圖上繪制折線）及緩沖區(qū)半徑生成，多邊形電子圍欄描述邊界坐標(biāo)即可生成面狀緩沖區(qū)。可同時(shí)設(shè)定多個(gè)電子圍欄以滿足業(yè)務(wù)需求。

根據(jù)國際鐵路協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)軌距1.435米，加上軌道兩邊各留出30厘米安全距離，則每條鐵軌生成緩沖區(qū)半徑為1米的線性電子圍欄，圍欄寬度約2米。

3.4 火車接近報(bào)警

利用多星聯(lián)合定位和4G傳輸技術(shù)，對運(yùn)行中的列車和作業(yè)人員進(jìn)行定位，當(dāng)作業(yè)人員處于軌道電子圍欄內(nèi)且該軌道有列車接近作業(yè)地點(diǎn)時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)同時(shí)向機(jī)車和作業(yè)點(diǎn)發(fā)送語音報(bào)警信息，提醒機(jī)車乘務(wù)人員及時(shí)采取措施做好安全防護(hù)，提醒施工人員火車接近立即下道躲避，能夠有效避免施工作業(yè)中的行車和人身安全事故。若監(jiān)測到施工人員下道躲避，即做出響應(yīng)越出電子圍欄后系統(tǒng)即刻解除報(bào)警。

基于北斗的聯(lián)合定位精度為亞米級，定位條件和衛(wèi)星狀況良好時(shí)可達(dá)厘米級，加之軌道電子圍欄寬度約2m，本方案定位精度足夠支撐人員所在列車軌道有火車接近時(shí)報(bào)警，人員處于相鄰軌道則判斷安全不會(huì)報(bào)警。

3.5 Socket即時(shí)通訊

設(shè)計(jì)并編碼實(shí)現(xiàn)基于socket的Android移動(dòng)終端實(shí)時(shí)即時(shí)通信系統(tǒng)，方便局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)下的鐵路工作人員內(nèi)部聯(lián)絡(luò)，為通信雙方的數(shù)據(jù)提供了傳輸通道。實(shí)現(xiàn)施工員與施工員之間的通訊聯(lián)絡(luò)，以及管護(hù)員與現(xiàn)場施工人員的雙向聯(lián)動(dòng)和通信，并能夠及時(shí)上報(bào)并處理位置信息。Android終端實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器， 服務(wù)器接收并保存。終端使用emit函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，使用on函數(shù)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽。socket初始化后，使用connect函數(shù)進(jìn)行連接，斷開網(wǎng)絡(luò)重連后socket會(huì)自動(dòng)重連。

4 系統(tǒng)性能指標(biāo)

5 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)系機(jī)組人員在蘭州北站對本系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，確認(rèn)達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）采集基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用GNSS接收機(jī)定位終端，采集施工路段每條鐵軌的位置信息，并快速生成專用電子地圖和相應(yīng)軌道的電子圍欄;

（2）一旦有攜帶定位裝置的人員進(jìn)入鐵路線路區(qū)域立刻進(jìn)行監(jiān)測報(bào)警，并將人員位置、姓名、職名、單位等信息發(fā)送至監(jiān)控中心;同時(shí)實(shí)現(xiàn)對人員厘米級定位和行動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)追蹤。

（3）定位監(jiān)測列車與電子圍欄內(nèi)的作業(yè)人員處于同一軌道且距離接近到一定閾值時(shí)，終端循環(huán)播放報(bào)警語音，直至后臺(tái)檢測到作業(yè)人員已下道躲避，解除報(bào)警。

（4）通過軌跡回放、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能為規(guī)范管理上道作業(yè)人員提供技術(shù)支持或?qū)κ鹿史治鎏峁┲匾獏⒖己鸵罁?jù)。

基于高精度北斗聯(lián)合定位的鐵路施工安全預(yù)警系統(tǒng)目前應(yīng)用于鐵路工務(wù)現(xiàn)場，為鐵路施工應(yīng)急指揮提供實(shí)時(shí)定位和即時(shí)通信保障服務(wù)，能夠有效減少或避免鐵路施工現(xiàn)場人員與機(jī)車的沖突事故。

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