基于網絡地圖的鐵路大機作業導航系統設計

王有能 李浩標 王 勝 鄭旭東 張獻州

(1.中國鐵路上海局集團有限公司徐州工務段,江蘇徐州 221000; 2.西南交通大學地球科學與環境工程學院,成都 611756; 3.中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200071)

1 概述

為確保線路的平順性與列車運行的安全性,需要對線路進行定期養護維修[1]。搗固車是大型養路機械中的一種,是目前我國有砟線路養護維修中的必備設備,可以用來調整軌道幾何狀態[2-3]。在進行有砟軌道大機搗固作業時,大機以出發點里程信息為基準,使用大機里程編碼推算大機當前所在線路里程位置信息。但是在使用過程中,往往存在起始里程不準確、大機里程編碼錯誤等問題,導致大機作業不能準確定位,從而造成大機實際作業段和方案段存在偏差,影響大機作業效率。另外,大機作業方案多根據現場作業里程區段人工手動生成,人為參與較多,不利于信息化管理。

近年來,隨著GIS電子地圖、GNSS定位技術以及移動智能設備的迅速發展,GNSS實時定位結果和GIS電子地圖相結合的位置服務技術逐漸從應用較為成熟的服務業領域進入工程領域。黃貝將奧維地圖應用于云南省森林資源二類調查中,提高了野外調查設計的精度及作業效率[4];王江宇等將奧維地圖應用于油氣管道勘察工程中,提高踏勘選線的工作效率[5]。在鐵路工程方面,王瑞等利用導航電子地圖技術,提高線路設計的合理性,減少實地踏勘的成本和工作量[6];駱建將GIS技術與智能電子地圖相結合,改善傳統的鐵路選線模式,節約了成本[7]。盡管GIS電子地圖、GNSS定位技術以及Android等移動智能設備在工程領域已有較多應用,但在鐵路的運營維護方面,研究應用尚不成熟。為了準確指導大機作業,將信息化平臺、Android系統和高德地圖相結合,以軌道線路基礎數據和GNSS定位信息為基礎,以期對大機方案實現自動優化。

2 關鍵技術

2.1 網絡地圖

目前,應用較為廣泛的網絡地圖有高德地圖、百度地圖、谷歌地圖等。由于高德地圖基礎數據相對豐富,且使用的是中國國家測繪局制訂的地理信息系統的坐標系統“GCJ02”坐標系,故基于高德地圖進行研究。高德地圖API是高德軟件有限公司為開發者免費提供的一套基于高德地圖的應用程序接口,包括JavaScript、iOS、Andriod、靜態地圖、Web服務等多種版本,系統使用的是Android版。高德地圖Android SDK是一套基于Android 4.0及以上版本設備的應用程序接口,使用該套SDK可以實現自定義導航或調用地圖導航。

2.2 Android系統

Android系統是基于Linux的開源操作系統,作為全球第一大移動終端平臺,它是主流智能設備的首選系統[8]。Android系統架構分為4層,從下到上分別是Linux內核、核心類庫、應用程序框架層、應用程序層;每層專注于自己提供的服務,下層為上層提供服務[9]。

2.3 移動定位

網絡地圖導航定位方式主要有GNSS定位、基站定位、WiFi定位等[10]。除此之外,在小范圍還可以利用藍牙、傳感器等進行輔助定位[11]。

(1)GNSS主要由在軌道上運行的衛星、地面監控部分和用戶設備構成[12]。用戶設備捕獲衛星信號,根據衛星信號傳播時間和導航電文計算出當前位置。GNSS定位的優勢在于不需要連接網絡,只需在戶外就可以實現高精度、高可靠的定位,其定位精度為3～10m,定位時間小于1s,可用性為80%。

(2)基站定位是一種基于數據流量的定位方式[13]。用戶設備搜索周圍的基站信號,自動從周圍信號中選擇最強連接[14]。由于信號很容易受到干擾,距離基站的遠近決定信號的強弱,一般情況下,其定位精度大致在150～200m。

(3)WiFi定位是將WiFi設備的MAC地址發送到位置服務器,服務器計算出設備的地理位置并返回到用戶設備[15]。WiFi熱點的覆蓋范圍僅有幾十米,可其定位精度范圍為1～5m,定位時間在1s以內,可用性為99.8%[16-17]。

由于目前部分鐵路線路周邊缺少基站和WiFi設備,故綜合考慮各方面因素,GNSS定位適用于大機作業導航系統。

2.4 大機作業方案搭接

目前,大機作業在一個天窗內只能作業很小區段,所以每次作業前都需根據現場作業里程區段,人工手動生成指定區間局部方案。為實現大機作業方案信息化管理,需要將不同區段的作業方案進行全線統一化搭接,其搭接的算法流程具體如下。

(1)將新入數據排序后,找到搭接起點和搭接終點,小里程方向第一個點為前搭接點,大里程方向最后一個點為后搭接點。

(2)遍歷原有數據,分別找前、后搭接點。若只找到前搭接點或只找到后搭接點,則對數據一側進行搭接處理;若同時找到前、后搭接點,則數據兩側都需要搭接處理。

(3)只需要一邊進行搭接時,判斷D×Ci>0是否滿足,如果滿足,則前計算點的橫向偏差修正后的值為A+Ci,并順序繼續下一個點的計算;如果D×Ci≤0,則自動退出,后續點不再進行修正。其中,導入數據起點(起道量B)搭接到前搭接點(起道量A)或導入數據最后一個點(起道量B)搭接到后搭接點(起道量A),則修正值D=A-B,其他點修正值Ci=D±P×|K-K0|(D≤0取正,D>0取負),P為平順性變化率,通常取值P=1/600000,K為當前搭接點里程,K0為搭接起點里程。

(4)如果兩邊同時需要搭接,從前搭接點開始,按照步驟(3)進行計算;如果未到后搭接點計算退出,則需要從后搭接點開始向前搭接點開始進行計算。只有兩邊搭接計算都合格后退出計算。

其主要搭接處理方法如下。

(1)替換搭接:在所有需要替換搭接的數據中,使用“后入為主”進行數據搭接處理。重復區段使用新入數據替換原有數據,新增區段直接使用新入數據。

(2)平順搭接:不能直接替換需要搭接部分,需要按一定規則進行平順處理。若新入數據與一側數據存在搭接,則根據平順比例自動向前或向后順接;若新入數據與原有兩側數據存在搭接,則根據平順比例先從前搭接點向后搭接點平順,若未平順到后搭接點時需要從后搭接點向前搭接點平順,直至滿足平順性要求。若新入數據里程范圍較大,部分區段數據已經使用,則單側搭接和雙側搭接同時存在,需根據實際情況拆分數據進行搭接操作。

3 系統設計

基于網絡地圖的大機作業導航系統基本結構如圖1所示,分為外網和內網兩個網段。內外業分別對應內業大機方案制作人員和外業大機搗固操作人員,承擔不同的功能任務。內網主要用于方案制作人員需要將線路基礎數據和方案數據上傳到服務器并定期維護數據;外網主要用于現場操作人員根據自己作業需求,將所需作業基本情況發送到服務器,服務器根據作業線路、作業里程區段等信息自動生成方案,將數據下載至移動終端,再將方案拷貝到搗固車上指導大機作業。

圖1 系統基本結構

系統由Web服務器、數據庫服務器、通信服務器三大服務器和web客戶端、C/S客戶端、Andoroid移動端三部分客戶端組成。其主要功能如表1所示。

表1 系統組成與功能

3.1 系統數據結構設計

系統以java為開發語言,以MVP+Dagger2+RxAndroid+Retrofit+Butterknife為開發框架,采用json對象進行數據傳輸[18],其數據庫由用戶信息、線路信息、線路點信息和作業基本信息組成。用戶信息分為用戶名、密碼、開始時間和結束時間等。線路信息分為鐵路線標識ID、鐵路線編碼、鐵路線名稱、線路行別和線路長度。線路點信息分為線路編碼、分帶ID、貫通里程、點運營里程、經度和緯度。作業基本信息分為作業名稱、作業編碼、作業行別、作業用戶、起始貫通里程、終止貫通里程、起始運營里程、終止運營里程、作業起始時間、作業結束時間和備注。系統本地緩存線路數據,當線路數據保存超過期限后自動刪除。

3.2 平臺功能模塊設計

(1) 數據搭接模塊

一般情況下,一條線路的大機作業方案是整條線路或者一定長度區間一次性生成的。為了避免每個作業都需要人工生成方案后再下發到大機段進行實施,根據實際工程將以線路區段命名生成的線路基礎數據和方案數據上傳至服務器。平臺保存并顯示區段基本信息,然后根據上傳數據讀取導入數據區間,自動進行區段數據搭接處理,其流程如圖2所示。

圖2 數據搭接處理流程

(2)信息管理模塊

為便于區間信息基本管理,在平臺上可對各條線路按名稱或里程的方式進行相應的進度查詢、方案上傳與查詢、方案拼接結果圖形化展示。在首頁中展示方案拼接范圍和已經作業范圍數據數據進度信息(包括CPⅢ、曲線、方案數據)。查詢方案表和工程表對應視圖得到已經上傳方案進度,查詢作業區間展示已經完成區間圖,查詢結果如圖3所示。根據工程上傳方案數據,顯示每次區段數據記錄,記錄每次上傳數據基本信息,并可以查詢上傳區間表,如圖4所示。平臺能實現整條線路的搭接方案拼接,并進行可視化展示,結果如圖5所示。

圖3 作業進度展示

圖4 作業方案查詢

圖5 方案拼接結果

3.3 APP功能模塊設計

(1) 用戶登錄模塊

用戶登錄模塊是系統的入口。訪問系統前,用戶需要輸入已注冊的用戶名和密碼進行身份驗證[19]。如果驗證失敗,系統會進行相應提示;如果驗證通過,系統會根據當前登錄用戶的權限顯示對應的權限菜單[20]。為了統一管理訪問線路數據用戶信息,保證線路數據安全性,系統需要儲存用戶訪問數據日志信息。

(2) 數據下載模塊

當線路進行大機作業前,用戶登錄移動終端,根據當前作業線路下載線路搗固方案所有數據到本地,系統將以圖形化形式顯示下載的起、撥道量數據,如圖6所示。根據所需作業區段和現場線路實際情況,進行局部區域方案優化后重新生成方案。當作業完成后上傳作業完成情況,系統記錄已搗固區間信息,第二次進行區間作業時不能再次下載該區間數據。

圖6 數據下載模塊

(3)線路展示模塊

默認情況下高德、百度等第三方地圖提供商提供的地圖都是經過一定加密偏移,線路和其真實位置存在較大偏差,并且第三方地圖上的鐵路線數據是矢量化的數據,不是根據線路設計數據計算生成得到。為此,系統使用鐵路LKJ數據中線路基礎數據、線路分帶數據計算到經緯度后加密將線路展示在地圖中,使用自定義數據導航。如圖7所示,自定義生成線路數據的平滑性更符合實際線路情況。

圖7 自定義生成鐵路線路

(4)線路導航模塊

用戶選擇線路目標點和起始點(默認情況下視為當前GNSS定位位置),系統自動生成當前點到線路目標點的導航線路。其具體流程是以GNSS定位位置為起點,用戶選擇點為目標點,下載的整條線路為導航線路參照,查找整條線路上離GNSS定位位置最近的第一個點,將GNSS點和該點相連,然后連接查找的最近線路點到線路目標點,則生成整個導航線路。根據GNSS定位數據實時更新導航線路,到達線路目標點附近位置時提示大機位置離線路目標點的距離,導航過程可開啟語音播報功能,導航結束后彈出提示,退出導航頁面。

4 結語

大機作業導航系統是集Android移動終端與信息化平臺于一體,使用高德地圖API設計而成。該系統包括實時定位、地圖展示、大機作業方案搭接、數據管理和導航等功能。系統實現了大機作業方案的自動化搭接與線路里程的準確定位,減少了人工犯錯,提高了在有限天窗時間內鐵路線路快速維護的作業效率與精度,降低了線路維護成本,具有較強的實用價值。