基于運統1 電子化傳遞系統的列車運行追蹤與安全預警系統研究

周 通

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

實時、準確地追蹤運行列車的位置，是鐵路行車指揮最為關心的工作之一，也是保障運輸安全、提高運輸效率、改善服務質量的關鍵。

中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）開展了運統1 電子化傳遞系統項目（簡稱：運統1 項目）的實施，該項目為機車乘務員配備了支持移動通信和衛星定位功能的手持終端。為此，本文提出一套列車運行追蹤與安全預警系統（簡稱：列車追蹤預警系統）方案，在無需增加硬件投入的前提下，通過機車乘務員手持終端獲取列車運行位置的準實時信息，再結合由運統1 項目提供的車站與線路地理坐標數據鋪畫而成的全國鐵路路網圖，實現全國鐵路列車運行追蹤的可視化監控；并依據列車有效制動距離確定安全預警級別，實現列車追蹤運行安全預警。

1 國內列車運行追蹤相關信息系統研究現狀

在保證列車安全運行的前提下，如何更為有效地提高列車運行效率、提高線路能力利用率一直是鐵路調度面臨的重要難題[1]，實現列車運行追蹤和安全預警對于保證鐵路行車安全具有重要意義[2]。

為解決列車運行追蹤和安全預警問題，國內已開展了不少研究。劉敏提出列車輔助追蹤預警系統[3]，利用ATP 獲取運行列車定位信息，通過TDMA 實現運行列車位置信息的傳輸；馬騰云提出鐵路列車追蹤預警系統[4]，采用多種定位方式（GPS 差分+慣導）和多模通信（GSM-R+450 MHz無線通信）實現運行列車定位信息的采集和傳輸；余顏麗等人提出鐵路列車定位與輔助預警系統[5]，利用北斗衛星系統實現列車定位，通過GSM-R 傳輸運行列車的位置信息。但由于成本、技術等原因，上述研究成果均未形成覆蓋全路列車運行追蹤的成熟解決方案。

2 列車運行追蹤與安全預警系統方案

2.1 系統架構

列車運行追蹤與安全預警系統的網絡結構如圖1 所示，由移動物聯網、國鐵集團外部服務網、國鐵集團安全生產網3 部分組成。

圖1 列車運行追蹤與安全預警系統網絡構成

（1）機車乘務員手持終端和移動物聯網：運統1 項目為全國鐵路所有機車乘務員配備了手持終端和移動物聯網SIM 卡，手持終端上安裝有該系統的移動終端運統1App，要求所有機車乘務員在出勤時必須登錄運統1App，并在出勤過程中始終保持在線。本系統在運統1App 中增加了實時位置上報插件，當機車乘務員登錄運統1App 后，該插件會自動獲取手持終端中定位芯片所采集到的位置經緯度和速度信息，通過移動物聯網將該信息傳送至國鐵集團的外部服務網。

（2）國鐵集團外部服務網服務器：接收全國鐵路機車乘務員手持終端上報的列車運行位置、速度信息，并通過國鐵集團安全平臺，傳送至國鐵集團安全生產網內。

（3）國鐵集團安全生產網服務器：接收國鐵集團外部服務網服務器傳輸過來的數據，完成列車運行追蹤與安全預警計算處理，包括：車站位置字典、線路字典等鐵路線路圖基礎數據的讀寫、更新處理；將機車乘務員手持終端上報的列車運行位置和速度信息與鐵路線路圖基礎數據進行融合，計算生成全國鐵路列車運行追蹤數據；提供全國鐵路列車運行追蹤過程的可視化監控畫面，并以網頁形式提供給調度人員查詢；接收調度人員下達的指令，傳遞給機車乘務員手持終端。

2.2 技術架構

列車運行追蹤與安全預警系統的數據量大，覆蓋全路客貨列車，實時性要求較高。該系統采用微服務技術架構，如圖2 所示，總體上劃分為應用層和基礎設施層。

圖2 列車運行追蹤與安全預警系統技術架構示意

2.2.1 應用層

應用層是列車追蹤預警系統實現數據處理和業務處理各類模塊。

（1）后臺：完成基礎數據管理與維護、數據讀寫等。

（2）中臺：完成鐵路路網鋪畫的數據計算、列車位置與速度數據處理、坐標轉換計算等邏輯處理。

（3）前臺：完成用戶界面展示、應用交互頁面處理等功能。

2.2.2 基礎設施層

基礎設施層提供列車追蹤預警系統的應用層所依賴的運行環境。

（1）物理設備層：包括服務器、存儲、網絡、信息安全設備等。

（2）虛擬化層：提供硬件虛擬化服務，便于管理硬件設備資源，并可隔離硬件設備對上層服務的影響。

（3）平臺即服務層（PaaS 層）：采用K8s 系統作為PaaS 平臺，為基于微服務架構的應用提供容器運行時，使之具備自動化信息生命周期管理和水平擴展能力。

（4）Spring Cloud 微服務組件：包括Eureka、Ribbon、Hystrix、Zuul 等，具有良好的可移植性。

3 主要算法及模型

3.1 基于地理坐標的鐵路路網鋪畫模型

為實現全國鐵路列車運行追蹤和安全預警功能，需要建立基于精確坐標的全路路網模型。運統1 電子化傳遞系統可提供車站經緯度字典、全國鐵路運營線路字典等基礎數據，車站地理坐標精確到到發線警沖標的地理位置，可以利用這些基礎數據完成全國鐵路路網的鋪畫。由于地理坐標為球面坐標，需要進行地圖投影后，才能在平面圖上精確顯示。

常用的地圖投影算法有高斯-克呂格投影和墨卡托投影算法。本文采用基于墨卡托投影算法[6]，設車站經緯坐標為（λ，Φ），對應的平面投影坐標為（x，y），R為地球半徑，則投影坐標和經緯坐標的換算關系為：

3.2 列車運行位置的計算模型

本文采用的鐵路路網模型中，相鄰兩個車站之間（區間）的線路采用直線表示（即圖3 中所示的虛線）；然而，區間內線路往往不是直線，造成列車上報的位置數據（即圖3 中所示的各點）無法顯示在區間直線上。因此，采用如下算法將列車位置投影到區間直線上。

圖3 區間列車運行位置顯示示例

（1）計算列車所在運行區間的起點站和終點站之間的直線距離LCss：

其中，JDs是該區間起點站的經度，JDd是該區間終點站的經度，WDs是該區間起點站的緯度，WDd是該區間終點站的緯度。

（2）計算這兩個車站的實際站間線路距離XCss，此距離可根據線路字典中這兩個車站的警沖標位置相減計算得到。

（3）計算列車在該區間內第n次上報位置時與區間起點站的實際距離XCt，如圖3 所示，該值可分段計算后累加求得：

其中，JDi是列車在該區間內第i次上報位置的經度，JDi-1是列車前一次上報位置的經度，WDi是列車第i次上報位置的緯度，WDi-1是列車前一次上報位置的緯度；當i=1 時，JD0取該區間始發站的經度，WD0取該區間始發站位置的緯度。

（5）計算列車運行位置在區間直線上的投影長度LCt：

按照上述算法，可將列車當前運行位置較為精確地投影至區間直線上。

3.3 列車追蹤運行安全預警級別的確定

在實現準實時列車運行追蹤的基礎上，可以進一步準確估算同一條線路上追蹤運行列車間的距離。系統監控同一條線路上追蹤運行列車之間的距離，當低于安全距離時予以預警。同一條線路上追蹤運行列車之間的安全距離由列車有效制動距離。列車有效制動距離[7]的計算公式為：

其中，v1、v2分別為列車制動過程的初始速度和終止速度（緊急制動時，v2終止速度可取值為0，v1取值為機車乘務員手持終端的上報的當前速度）；ψh為閘瓦換算摩擦系數，θh為列車換算制動率，βc為常用制動系數，w0為列車單位基本阻力，ij為制動地段的加算坡度千分數；這些系數可由列車的牽引機車機型以及列車當前的所在位置確定。

根據式（5）計算得到各列車的有效制動距離Se，然后再根據列車經緯度信息計算前后相鄰列車的間距X，根據Se和X之間的關系，定義列車追蹤運行安全預警級別，如表1 所示。

表1 列車追蹤運行安全預警級別對照表

4 系統應用效果

目前，已經實現列車運行追蹤與安全預警系統的基本核心功能，可生成全國鐵路路網圖，并根據車站的經緯度數據，在全國鐵路路網圖上準確地顯示線路上的車站位置。

圖4 是某條線路上多列列車追蹤運行的監控畫面，調度員可以直觀地監視運行列車目前所在區間的具體位置和運行速度。機車乘務員手持終端每隔10 s 報告一次位置信息，按時速300 km 計算，運行列車實時位置的最大誤差約為830 m，基本可以滿足列車追蹤運行安全預警的要求。

圖4 同一線路上列車追蹤運行監控畫面

目前，列車追蹤預警系統已經覆蓋全路除動車組外的所有客、貨列車，日均追蹤列車約16 000 列，該系統注冊機車乘務員約15 萬人，每日共有約24 000位出勤機車乘務員通過手持終端實時上報位置、速度信息。經系統試運行期間收集的數據分析，機車乘務員手持終端通過移動物聯網與安全生產網的日均信息交互請求約為1 524 萬次，系統處理請求時間平均為412 ms。該系統能夠支撐全路列車運行追蹤與安全預警應用，實現準實時列車運行位置追蹤。

5 結束語

列車運行追蹤與安全預警系統通過機車乘務員手持終端實時采集全路在線列車運行位置和速度信息，利用移動物聯網實現車地信息傳輸；結合運統1 電子化傳遞系統提供的線路和車站基礎數據，利用計算模型完成鐵路路網圖鋪畫和列車位置動態更新顯示，以可視化方式在全國鐵路路網圖上實現列車運行追蹤監控與安全預警。與以往的列車追蹤系統方案相比，系統充分利用既有資源，硬件投入少，覆蓋面廣。

下一步擬將結合鐵路行車管理業務的創新，考慮向機車乘務員手持終端推送語音、消息等提醒服務信息。例如，將某列車本線前后相鄰的列車及相鄰線路上交會列車的相關信息及時發送到該列車機車乘務員手持終端上，使機車乘務員能夠隨時掌握相關列車運行情況，支持機車乘務員更好地執行安全行車任務。

此外，由于全國鐵路路網列車運行環境復雜多樣，當列車在某些特定環境（如深山、隧道）的線路上運行時，機車乘務員移動終端往往無法實時采集和傳輸定位信息。對于這類情況，下一步將研究利用移動物聯網基站位置信息，來解決機車乘務員移動終端暫時中斷上報位置信息的問題，以保證列車追蹤的連續性。