地鐵車輛檢修基地人員定位系統

楊樹旺，史時喜

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 環境與設備設計院，西安 710043）

0 引言

由于城市化進程的不斷推進，城市人口的規模迅速增加，人們對于出行工具的快速性、便捷性、安全性等需求不斷上升。城市軌道交通因其具有速度快、運量大、準點率高等特點，成為大中型城市解決城市交通問題的首選。隨著近年來計算機控制技術以及信息化技術的快速發展，城市軌道交通的全自動駕駛技術應運而生，進一步提升了軌道交通系統的運輸效率與安全性，降低了能源消耗率和工作人員的勞動強度[1]。國際公共交通聯會（Union Internationale des Transports Publics,UITP）按照自動化水平將全自動運行系統分為GOA0、GOA1、GOA2、GOA3 及GOA4 五個等級[2]，而在最高等級的全自動駕駛條件下，列車的啟動、停止等控制均在無人值守的條件下完成，所以，當地鐵列車進入檢修、庫線等軌行區時，需要對該區域的工作人員進行一定的安全防護，避免因系統或人為原因，導致安全事故發生。當前的主流方式是設置授權區，形成緊急停車區域，來保護授權區域工作人員的安全[3]。但此類防護機制通常依靠規章制度運行，依賴于工作人員的自覺性，如果工作人員因故從授權區域進入未授權區域或者在授權區域滯留，則仍然可能發生意外。通過開發室內工作人員的定位技術，實時監測軌行區內工作人員的位置信息，形成主動的動態防護區域，可進一步加強工作人員安全防護。

同時，當列車運量不斷增加，列車在運行過程中產生的磨損消耗將進一步加劇，給列車的檢修工作帶來了更大的挑戰。為了在盡可能降低運維成本的基礎上，保證列車的安全運行，以數據分析為前提的列車檢修模式和檢修技術的優化，則顯得尤為重要。

當前檢修信息大都依靠人工填表的方式進行統計，這為后續的檢修信息挖掘以及作業質量評價均造成了極大地不便。而檢修基地工作人員定位技術的成功應用，配合檢修作業評價以及室內視頻監控系統，為進一步準確采集檢修信息、改進檢修技術、降低運維成本提供了可能性。

當前的全球衛星導航系統可以在室外環境下為人們提供準確的位置信息，極大方便了人們的出行。但在室內環境中，由于建筑物的遮擋[4-5]以及室內環境的復雜性而導致的非視距傳播以及多徑效應[6]，使得以衛星導航為基礎的人員定位技術在室內的應用受到極大限制。因此，需要針對室內環境設計新的人員定位技術。當前常見的室內定位技術有無線保真（wireless fidelity, WiFi）定位、藍牙（bluetooth）定位、紫蜂（zigbee）定位、射頻識別（radio frequency identification, RFID）定位、紅外線定位、超聲波定位、超寬帶（ultra-wide band,UWB）定位等[7]。其中，紅外線與超聲波定位技術只能在視距范圍內使用，不能適用于室內環境復雜、障礙物較多的列車檢修基地；藍牙定位技術設備小、易集成，但通信距離短，容易受到噪聲干擾；WiFi 定位容易擴展，帶寬較高，但能耗大[8]，受障礙物和多徑效應影響明顯；zigbee 定位技術功耗低，可靠性高，但信息傳輸速度慢，設備成本高；RFID 定位技術利用射頻信號強度定位[9]，功耗低，并且其電子標簽信息存儲量大，抗污染、抗磨損性能好，可重復讀寫，體積形狀可多樣化，成本低，但其有效距離較短[10]；UWB 定位技術穿透性強[11-12]，傳速速率高，抗干擾性能強，定位準確[13]，但基站成本較高。各定位技術的綜合性能比較如表1 所示。

表1 定位技術綜合比較

1 檢修作業基地人員定位的技術要求

在列車檢修作業過程中，作業人員的安全是檢修作業順利開展的前提，檢修質量是檢修作業的核心。檢修作業人員進入危險區域是不可忽略的安全隱患，而作業人員在各檢修項點的工作時長，是反映列車檢修部位及檢修質量的基礎指標，對于安全、高效地開展列車檢修作業具有重要意義。針對檢修作業區域的特殊性，其人員定位技術應當滿足以下要求：

1）要克服庫內洗車、高壓斷供電以及探傷鏇修等大型作業項目對定位結果的影響；

2）設備的使用需簡單便捷、不能額外增加作業人員的工作負擔；

3）人員定位結果要實時高效，便于檢修作業的安排調度；

4）定位精度要滿足對作業人員檢修位置的準確采集，便于實現檢修作業的高效管理。

通過綜合比較，考慮到檢修庫內作業環境的復雜性，根據現場的實際定位需求，本文采用RFID和UWB 定位技術相結合的方式，可以在不增加作業人員負擔的情況下，有效解決復雜環境產生的干擾問題，實現人員精準定位的效果，并與列檢綜合管控系統相融合，為檢修作業過程的精細化管理提供信息支撐。

2 系統的組成及工作流程

2.1 定位系統的組成

定位系統主要由RFID 定位單元、UWB 定位單元、供電及通訊單元，信息處理及顯示單元組成，如圖1 所示。

圖1 定位系統組成示意圖

圖1 中，RFID 定位單元包括電子標簽和手持機。電子標簽設置于作業區域進出口位置，用于標記作業區域范圍；手持機由作業人員隨身攜帶，通過掃描電子標簽，用于檢測作業人員是否進、出該作業區域。

UWB 定位單元包括目標標簽和定位基站。目標標簽由作業人員隨身攜帶，采用紐扣電池供電，發射非正弦波窄脈沖；定位基站設置在檢修庫平臺股道兩側的固定位置，用于接收所述目標標簽發射的脈沖信號，完成作業人員在股道內的準確定位。

供電及通訊單元包括前端光端機、后端光端機和核心交換機。前端機設置在檢修庫股道兩側的設備箱內，通過網線與定位基站相連，用于定位基站供電和數據交換，同時通過WiFi 與手持機保持通訊；后端光端機設置在信息機房內，用于與前端機的數據交換；核心交換機設置在信息機房內，通過網線與后端光端機、服務器以及上位機連接，用于數據交換。

信息處理及顯示系統包括服務器和上位機。服務器設置在信息機房內，用于接收RFID 以及UWB定位單元的數據，并進行計算和存儲；上位機設置在控制室內，用于接收服務器計算出的位置信息并在顯示界面實時顯示和記錄作業人員那的位置信息和運動軌跡。系統設備組成示意圖如圖2 所示。

圖2 系統設備組成示意

2.2 定位系統的硬件布置

檢修庫內每個作業股道分為一、二兩列位，每個列位又分為地溝和地溝左右兩側三個作業區域，在每個作業區域進、出口位置分別安裝RFID 電子標簽，用于檢測作業人員是否進入該作業區域。系統設備布置圖如圖3 所示。

圖3 系統設備布置

2.3 定位系統的工作流程

檢修作業人員在手持終端上接收車輛段控制中心的派班作業任務后，持含有RFID 標簽的手持機在規定時間進入規定的作業區域進行檢修作業。系統根據作業計劃，將檢修作業當班的人員信息提前下發至手持機，配合智能門禁系統，防止作業人員誤入非授權區域。作業人員進入錯誤作業區域或者超時進入預定作業區域，上位機及手持機將顯示提示信息。

作業人員進入檢修區域后，隨身攜帶的目標標簽發射脈沖信號，由股道兩側的定位基站接收后，實時傳送至服務器，通過計算得到作業人員的實時位置信息，并記錄作業人員的行動軌跡。通過與服務器內預置的標準作業路線進行比對，可以實現檢修作業路線的標準化檢測預警功能。

當檢修人員完成該區域的檢修作業后，在作業區域末端，掃描電子標簽后離開。系統將自動記錄作業時間，并對重點作業位置的作業時間進行自動統計，為作業質量評價提供參考。定位系統的工作流程如圖4 所示。

圖4 定位系統的工作流程

3 系統基站部署測試

檢修基地每股道含兩列位，約320 m；單個車輛長度約為120 m，股道間距4.6 m，車身寬度約為3 m；軌道橋高度-1.2 m，地溝深度-1.5 m（以軌頂標高為±0.0 m 計）。軌道橋立柱為400 mm×400 mm的鋼筋混凝土立柱，間距 1 200 mm，地溝寬度1.1 m，檢修基地模型示意圖如圖5 所示。

圖5 檢修基地模型示意

當列車進入檢修庫開始作業后，每個作業區域的寬度不超過2 m，作業人員僅在地面移動。故在利用RFID 確定作業人員所在的作業區域后，僅需要一維坐標就可實現檢修人員位置信息的確定。

由于檢修庫屋頂較高，且長期有高壓電，不便于基站的安裝調試和維護，故將UWB 基站布置在軌道橋立柱兩側。基于UWB 的定位技術主要有飛行時間測距法（time of flight, TOF）和到達時間差定位法（time difference of arrival, TDOA）兩種方式[14]。由于TDOA 的定位方法需要三角形的基站布局[15-16]，現場條件不允許，故選擇TOF 定位方法。

3.1 穩定測距的基站間距測試

采取略微超過車輛長度半程20%的間距作為測試距離。軌道橋立柱間距為1.2 m，在間隔60 個立柱處部署基站。將基站水平放置在立柱頂端的鋼軌外側面，基站天線安置在立柱拐角處，豎直指向地面。測試人員手持目標標簽以2 km/h 速度沿檢修區域步行時，路徑軌跡顯示測距狀態良好，如圖6 中L1 段所示。當測試人員將目標標簽放置到褲兜中，以相同速度步行時，信號受到明顯影響，如圖6 中L2 段所示。當重新手持標簽步行時，信號恢復良好狀態，如圖6 中L3 段所示。當手持標簽，速度為3.6 km/h以上時，定位能力下降明顯，如圖6 中L4 段所示。

圖6 75 m 基站間距信號測試結果

從圖6 可以看到，L2 及L4 段的定位點間距已經明顯大于軌道橋立柱之間的間距（1 200 mm），不能滿足小于1 m 的定位精度需求。

將基站間距調整為40 m 后，標簽在身體的部位、步行速度等對軌跡的影響已經大大降低，雖然仍有差異，但兩定位點之間的間距均明顯小于相鄰軌道橋立柱的間距，已經達到系統可以容忍的地步，如圖7 所示。

圖7 40 m 基站間距的信號測試結果

3.2 信號穿越立柱能力測試

UWB 基站仍然以40 m 間距部署，但測試人員改為在地溝和股道另一側檢修區域步行。基站安裝位置及測試情況如圖8 所示。

圖8 40 m 間距信號穿越立柱測試

測試人員在距離1#基站5 m 以內的位置不能正常定位；人員在基站中間行走時定位狀態不穩定。造成此類現象的原因是，當人員與基站之間有立柱阻擋時，標簽信號經過立柱的多次反射后被基站接收，用于測距計算的信號“飛行”時間不穩定，導致定位結果產生偏差。可以得出結論，UWB基站需在軌道橋兩側單獨部署。

通過上述測試，在每個列位的檢修路徑上要達到小于1 m 的定位精度，需要在立柱兩側至少間隔40 m 部署UWB 基站。

4 定位系統的應用

定位系統的應用，使得原列車檢修基地自動駕駛區的作業人員管理主要依靠人工的方式得以改變，有效避免了作業人員誤入或滯留作業區域等諸多風險，進一步保障了檢修人員的作業安全。

定位系統實時獲取檢修人員的作業位置及時間，傳輸至服務器，與視頻監控系統相結合，使檢修寫實視頻拼接軟件能夠選擇合適的攝像頭視頻片段進行拼接，可極大提高檢修視頻拼接的效率和質量。

通過人員定位技術，可以實現檢修人員作業路線的時長統計及提示功能。主要包括按人員統計作業時長、按班組統計作業時長、按作業位置統計作業時長，如圖9 所示。

圖9 作業時長統計界面

通過與作業評價系統中預置的標準作業時間及路徑進行比對，若超過標準時間或路徑范圍，系統會實時給出預警提示信息，便于檢修人員及時調整作業進度，實現對檢修作業標準化管理的目的；還可以結合當前檢修作業的進度和待完成的檢修任務信息以及所處的股道信息，使系統更加合理、高效地安排作業人員的檢修任務。

利用作業位置的時長統計結果，通過數據挖掘，將列車檢修時需要關注的易損部位及可能存在的安全風險給予不同等級的預警提示。通過大量的檢修數據的統計，使系統及管理人員能夠針對每一步檢修工序進行作業效率分析，為檢修作業工序的優化決策提供數據支撐。

5 結束語

本文通過對比多種人員定位技術的性能特點，選擇了以RFID 與UWB 技術相結合的方法，有效解決了在檢修基地復雜室內環境情況下的人員定位問題。通過現場測試發現，在基站天線的中心頻率為3 994 MHz 的條件下，將UWB 基站分布于軌道橋立柱兩側，并至少間隔40 m 布置時，可有效降低軌道橋混凝土立柱對于信號的遮擋與反射，達到了檢修基地人員的定位精度目標。結合車輛基地安全管控系統、作業質量評價等系統，在有效保障檢修人員作業安全的同時，通過優化作業流程、減少人員配置以及改善維修策略等方式，提高了列車檢修的科學性和經濟性，進一步完善了全自動駕駛車輛基地自動駕駛區綜合管控系統的功能，為軌道交通系統安全、高效地運行提供了保障。