鐵路編組站現場作業人員高精度定位系統

樂建煒，王曉強，黎 斌

（1. 中國鐵路信息科技集團有限公司，北京 100844；2. 中鐵信弘遠（北京）軟件科技有限責任公司，北京 100038）

隨著我國鐵路運營里程不斷增加，運輸安全面臨的風險也不斷加大。積極推進北斗衛星導航系統在鐵路中的應用，充分發揮其在定位、高精度測量、通信方面的技術優勢，符合國家發展戰略和安全要求[1]，對于完善鐵路技術體系、促進鐵路技術發展、增強鐵路運輸戰略安全性，有著十分重要的意義。

國內關于實時動態（RTK，Real-time Kinematic）定位技術的研究已取得不少成果。袁正午等采用3G無線通信技術基于嵌入式平臺在流動站與連續運行參考站（CORS，Continuously Operating Reference Stations）中心建立數據鏈，以提高數據傳輸穩定性和定位精度[2]。在算法方面，祝會忠等提出僅用一個歷元的觀測數據確定RTK 中距離參考站間的雙頻載波相位整周模糊度單歷元解算方法[3]；李昕改進GPS/BDS 常規RTK 和中長距離RTK 及室內偽衛星RTK 高精度定位算法，可滿足多種應用環境下高精度定位需求[4]；高星偉等提出改進的中性大氣模型及定性與定量分析方法，以消除中性大氣對信號延時的影響[5]；王世進等提出一種可使GPS/BDS RTK 定位在短基線的情況下獲得更佳聯合定位的方法[6]。在應用方面，仲躋煒等結合城市交通信息平臺建設，實現車輛智能調度管理、監控與跟蹤[7]；軒志偉等設計了一種基于北斗差分定位技術的站場數字化系統，用于列車安全防護、作業監控等[8]。

借鑒已有研究成果和成功經驗，結合鐵路編組站實際狀況，研究開發鐵路編組站作業人員高精度定位系統（簡稱：系統），應用“北斗+RTK”高精度復合定位和動態坐標系轉換等技術，實時獲取現場作業人員的高精度定位數據，在此基礎上實現現鐵路編組站作業安全預警。

1 系統構成

系統主要由北斗+RTK”復合定位終端、“北斗+RTK”復合定位增強基站、數據差分服務器、代理服務器、應用服務器和實現內外網通信的鐵路移動數據傳輸統一平臺（MTUP，Unified Mobile Data Transmission Platform for Railway）組成，系統構成見圖1 所示。

圖1 系統構成示意

現場作業人員佩戴的復合定位終端，經過北斗衛星定位和數據差分服務器處理，獲得的編組站作業人員實時定位數據的精度可達到厘米級；高精度的現場作業人員定位數據通過MTUP 實時傳輸到鐵路內網，供鐵路內網中各類應用使用。系統采用“北斗+RTK”復合定位增強基站，有效覆蓋范圍約為方圓5 km，鐵路編組站大部分作業區域一般都處于其有效范圍內。

1.1 北斗衛星導航系統的優勢

北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統，具有開放兼容、技術先進、穩定可靠和覆蓋全球的特點。與全球定位系統（GPS，Global Positioning System）等其它衛星導航系統相比，北斗系統具有以下優點：（1）混合星座定位，高軌衛星多，抗遮擋能力強；（2）三頻信號單點定位，定位精度高；（3）具備短報文通信服務；（4）自主研發，獨立自主，安全可靠。

1.2 “北斗+RTK” 復合定位增強基站

復合定位增強基站負責向“北斗+RTK”復合定位終端發送基準數據和誤差修正數據，結合獲取的衛星觀測數據進行計算，修正和消除終端位置誤差，獲得較高定位精度。

1.3 “北斗+RTK”復合定位終端

復合定位終端主要由定位模塊和通信模塊2 部分組成。定位模塊負責接收衛星信號和基站信號，計算定位終端所處位置的坐標；通信模塊通過3G、4G、北斗短報文等方式，將定位模塊計算得到的定位終端坐標等信息發送至系統主服務器。

2 系統功能

系統通過現場終端設備獲取定位數據，根據現場通信網絡狀況，選擇通過北斗地面基站或直接與無線網絡基站建立通信，將定位數據發送至系統主服務器，主服務器接收和存儲現場終端采集的定位數據；調度中心從主服務器獲取定位數據，在地圖上顯示，提供現場作業人員實時定位、作業活動軌跡追蹤、作業區電子圍欄設置等功能。

2.1 現場作業人員實時定位

編組站現場作業人員佩戴的復合定位終端與定位基站之間完成雙差模糊度的求解、基線向量的解算、坐標的轉換，將定位數據上傳至系統主服務器，由后臺程序進行校驗和解析后存儲。現場作業人員實時定位過程如圖2 所示。

圖2 現場作業人員的實時定位過程示意

系統采用北斗衛星定位和RTK 技術，精確定位編組站現場作業人員佩戴的復合定位終端，并從鐵路貨檢安全監控與管理系統獲取作業計劃，經匹配得到現場作業人員的作業安排信息，將現場作業人員位置信息與作業內容實時展現在站場二維電子地圖上，如圖3 所示。

圖3 站場電子地圖顯示的現場作業人員實時定位

2.2 作業活動軌跡追蹤

系統可顯示編組站現場作業人員在站場內從起點至終點的活動軌跡，提供軌跡回放開始、停止、加速、減速功能，如圖4 所示。

圖4 現場作業活動軌跡追蹤

2.3 作業區電子圍欄

系統可為鐵路編組站站場作業區設置電子圍欄，在電子地圖上顯示現場作業人員的作業活動和行動軌跡，將現場作業人員的定位數據與電子圍欄進行比對，若出現作業人員越出指定作業區，立即進行告警，如圖5 所示。

3 關鍵技術

3.1 北斗定位與基于載波相位的RTK 定位技術

系統將北斗定位與基于載波相位的RTK 定位技術相結合，通過實時處理2 個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基站采集的載波相位發給復合定位終端，進行求差解算坐標；載波相位差分算法流程見圖6 所示。

圖5 站場作業區電子圍欄設置

圖6 載波相位差分算法流程

3.2 經緯度坐標與像素坐標的轉換

系統以可縮放的矢量圖形（SVG，Scalable Vector Graphics）作為底圖，向右為x軸正方向，向下為y軸正方向，單位為像素。（1）從底圖中找出緯度的最大值和經度的最小值的點，得到最接近西北方向的參照點，將其作為顯示屏幕的原點；（2）參照點的經緯度轉化為弧度，計算得出該參考點距離x軸和y軸的距離。

參照點經緯度轉化成弧度的計算公式為：

其中， φ1為 參考點緯度； φ1為 參考點經度； θφ1為參考點緯度的弧度值； θφ1為參考點經度的弧度值。

參考點距離X 軸和Y 軸距離的計算公式為：

其中，Pr為極半徑；Er為 赤道半徑；MY為參考點距離y軸的距離；MX為參考點距離x軸的距離。

計算目標點到參照點X 軸Y 軸的實際物理距離，目標點經緯度轉換成弧度的公式為：

其中， φ2為目標點緯度； φ2為 目標點經度；θφ2為目標點緯度的弧度值； θφ2為目標點經度的弧度值。

實際物理位置上參照點到x軸和y軸的距離的計算公式為：

其中，DX為距離x軸方向實際物理位置的距離；DY為距離y軸方向實際物理位置的距離。

將式（7）和（8）計算得出的實際物理距離DXDY換算成SVG 底圖上對應的像素點，換算公式為：

其中，R為實際物理位置距離和屏幕像素點距離之間的比例系數，PX為目標點距x軸的像素距離，PY為目標點距y軸的像素距離。

4 結束語

系統采用北斗衛星定位、通信和RTK 定位技術，利用鐵路編組站現場作業人員佩戴的復合定位終端，實現對現場作業人員的高精度定位，并提供作業活動軌跡追蹤和作業區電子圍欄設置等功能；系統定位準確、使用便捷、可靠性高，通過強化對現場作業人員的監控，規范鐵路編組站作業流程，促進關鍵崗位工作流程的標準化，有助于提高現場作業效率，保障作業安全。

隨著系統在應用中不斷積累數據，今后通過數據分析還可實現更多增值應用，如通過分析各作業區不同時段作業人員的分布和作業情況，幫助提高編組站的管理水平。