移动定位技术在铁路生产中的应用探讨

■ 彭为

移动定位技术在铁路生产中的应用探讨

■ 彭为

阐述几种主流的移动定位技术，分析铁路生产关于移动定位的需求，结合生产实际讨论铁路移动定位系统的结构设计、关键技术，介绍移动定位技术系统的应用成果。

移动定位；卫星定位；铁路巡检

1 移动定位技术简介

移动定位技术是一种通过对无线网络中信号的参数、信息进行测量，并根据特定的算法测定移动终端地理位置的技术，可为移动终端用户提供相关的位置信息服务，或进行实时监测和跟踪。按照工作原理，移动定位大致可分为两类：基于移动网络的定位技术和基于移动终端的定位技术，还有的把这两者的混合定位作为第三种定位技术。

1.1基于移动网络的定位技术

该定位技术的原理是：移动终端向基站发射信号，基站接收到这些信号后将其转换为终端与本基站之间的几何位置关系，并提交后台根据相关算法对终端位置进行定位估算。

目前已提出的基于移动网络的定位技术主要包括：基于小区标识（Cell-ID）的定位技术、到达时间（Time of Arrival，TOA）定位技术、到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位技术、增强型观测时间差（Enhanced-Observed Time Difference，E-OTD）定位技术、角度达到（Arrival of Angle，AOA）定位技术等。

这种技术需要建立专门的无线网络系统，定位范围限定在无线网络覆盖范围以内，建网成本高，而且精度不高。

1.2基于移动终端的定位技术

该定位技术的原理是：多个已知位置的基站发射信号，所发射信号携带有与基站位置有关的特征信息，当移动终端接收到这些信号后，确定其与各基站之间的几何位置关系，并根据相关算法对其自身位置进行定位估算，从而得到自身的位置信息。具有较高的定位精度，但定位信息要借助另外的通信网络实现上传。

目前已提出的基于移动终端的定位技术主要包括：下行链路观测到达时间差（OTDOA）方法、基于卫星的定位技术等。OTDOA方法需要在地面部署大功率、高密度基站，而且信号受地形、天气等干扰较大，而卫星定位因其大覆盖、低成本、高精度，已成为移动定位的主流技术。

目前卫星定位技术主要采用差分定位法，其原理是：在地面设立基准接收机（差分站），对自己实施定位，得到的定位结果与自己确知的地理位置相比较得到差值，该差值被用作公共误差修正值，对与基准接收处于同一区域且共用4颗（及以上）卫星进行定位的移动终端来说，它们显然具有相同的公共误差。因此借助公共误差修正值可以修正移动终端的定位结果，从而提高定位精度。

目前世界上投入应用的卫星定位系统有4家，分别是美国的GPS卫星定位系统、欧洲的伽利略卫星定位系统、俄罗斯的俄罗斯格洛纳斯卫星定位系统和中国的北斗卫星定位系统。美国的GPS系统是目前应用最广泛的定位系统，而中国的北斗系统逐步扩展为全球卫星导航系统，已成为我国国家战略发展的重要组成部分。

2 铁路生产对移动定位技术的需求分析

铁路生产是一项以保障列车安全运动为中心任务的生产系列活动，既有大量移动设备在线路上同时运行，也有大量人员在铁路沿线开展规定的生产活动。如能通过先进的移动定位和通信、信息处理技术，使得指挥机关能及时准确地掌握铁路沿线设备设施的运行情况、人员的位置分布等信息，将在优化运输组织、提高指挥精度、加快救援速度等许多方面都有极大的促进作用。

2.1铁路移动设备的定位需求分析

移动设备指在铁路线路上运行的列车，保障列车安全高效地运行是铁路生产的核心所在。每列列车的位置、运行速度是列车调度员必须掌握的信息，只有基于此信息才能作出最有力的调度决策，既保障所有列车的安全，又保证运输效率。

多年来，列车位置的获取都是通过铁路信号系统实现，其基本原理是列车压上接通某段区间轨道电路后反应出列车占用信息，速度信息无法直接获取。基于此的列车调度策略就必须要求后车与前车至少保持两个区间的距离以保证行车安全，这个距离多半远远大于两车的安全距离，而且与两车的相对速度并没有关系，无疑对运输效率有较大影响。

如果每列列车精确的位置和速度数据能实时传送到列车调度指挥，列车调度完全可以安排后车以安全范围内的最高速度运行，即列车动态追踪可以大大提高运输效率，所以列车移动定位很有可能引发铁路运输生产组织的革命性变化，具有广阔的应用前景。由于铁路列车运行速度快，而且涉及国家安全，所以系统建设对实时性、安全性的要求非常高。

2.2铁路工作人员的定位需求分析

在铁路生产活动中，每时每刻都会有大量人员在铁路沿线开展工作以保障运输的安全畅通。大部分工作要求人员在规定时间到达指定位置，因而会产生移动定位的需求，例如巡检、施工防护等。这种需求对实时性、精度要求不高，但要求稳定可靠，可促进管理水平的提高。

3 铁路移动定位系统的结构设计

铁路移动定位系统应由以下几部分构成：

（1）定位信号源：即产生定位信号的设备装置，作为应用一般采用既有系统，如GPS、北斗等卫星定位系统，没有必要自己建造。

（2）定位终端：接收定位信号实现定位的设备装置，可根据应用需要研制开发或采用现成产品。

（3）通信网络：定位终端与后台设备通信的网络，可以是铁路专网，也可以是民用网络。

（4）数据交互安全平台：控制对终端数据的收集、分析、整理和对终端指令的下达等数据交互工作。如果数据需要通过民用网络（外网）和铁路专用网（内网）交互，则按照规定必须设置内外网交互安全平台。

（5）系统中心（分中心）管理平台：设置通信、地图、Web发布、数据库等服务器实现数据的收集入库、分析发布等功能。

（6）基于生产网的应用软件：相关用户可根据自己的权限通过铁路生产网使用系统，查看管理指定范围内的数据。

系统结构示意见图1。

4 铁路移动定位系统的关键技术

铁路生产具有点多线长、地形复杂、列车速度快等特点，所以它对移动定位的技术要求与其他民用定位系统会有很大的不同。

4.1数据通信技术

无论采用哪种定位技术，都需要一个稳定的无线通信网才能将定位数据传送到上端设备，某些实时性要求较高的应用对传输速度有较高要求。但铁路沿线的无线通信建设还很落后，只有电台对讲系统实现了全路覆盖，GSM-R技术只在部分线路投入运营，速率带宽也很低，所以沿线无线通信的滞后是目前制约铁路移动定位系统建设的一个瓶颈；实时性要求不高的一般应用，如人员定位可租用民用通道，但要实现列车定位必须考虑建设配套的无线通信系统。

4.2定位盲区的数据处理技术

铁路沿线地形复杂，经过许多山区、隧道，无论哪种定位技术都可能产生定位盲区。加建信号基站实现盲区覆盖是一种方法，但投资大，效果未必好，所以应当考虑应用的特点，结合定位盲区既有设备、移动终端行进特性等设计合适的“惯导”处理算法。

图1 铁路移动定位系统结构设计

4.3数据安全技术

铁路是国民经济的大动脉，铁路生产是半军事化的，所以生产中的数据安全要求极高。移动定位都是在无线环境下实现，而且可能要租用民用线路通道，所以必须采用多级加密、稳定可靠的数据安全技术，才能使系统数据安全符合铁路部门的规定。

4.4专用地图的制作技术

目前市场上免费地图由于各种原因根本无法满足铁路生产对移动定位的要求，某些所谓的付费地图数据也并不准确，所以如果希望移动定位系统达到较高的精度，必须按照应用要求制作专用地图，实现经纬度座标与线路里程对应，所有的距离计算应基于线路里程进行。

5 广铁工务巡检系统的实现技术

广铁工务巡检系统是广州铁路（集团）公司根据铁路工务巡检工作特点，由广州铁路（集团）公司工务处、科研所、信息所、海华电子企业（中国）有限公司共同建设开发。系统遵循“统一系统、统一设备、耐用便管”的原则，采用图1所示的结构，并在开发过程中着重解决专用终端、行业地图、数据安全等关键技术，满足了工务巡检工作的需求。

5.1定位信号源

采用GPS卫星定位方式。

5.2定位终端

按照业务部门对终端设备提出的“耐用便管”要求开发了专门的定位终端，采用GPS+GSM/GPRS方式实现定位及通信，主要实现了迹记录及补偿、设备自检及状态提示、通信备份、低功耗模式及低电压保护、远程参数设置和程序升级、远程关机控制等功能，主要技术指标见表1。

5.3通信网络

采用中国移动GSM/GPRS网络。

表1 定位终端主要技术指标

5.4数据交互安全平台

系统在广州铁路（集团）公司信息机房外网防火墙内、安全平台外部署了两台服务器，一台可称为“系统外网数据服务器”，部署系统本身的数据处理软件，通过中国移动GSM/GPRS网络与定位终端通信，并通过“系统安全平台服务器”的软件与内网服务器通信；另一台可称为“系统安全平台服务器”，部署由广州铁路（集团）公司信息所开发的通过铁路信息安全平台软件，将系统数据组织成符合要求的格式通过铁路信息安全平台，达到了铁路信息安全的要求。

5.5系统中心（分中心）管理平台

系统在广州铁路（集团）公司信息机房设置了两台服务器作为系统的应用及数据中心，其中一台为虚拟服务器，实现数据通信、地图、Web发布、数据入库和分发等功能；另一台为系统的数据库服务器。在每个工务段设置一台服务器，接收中心服务器分发的数据，部署本段的地图及统一的Web应用，使本段人员可以在段网内使用系统，尽量减少网速慢对系统的影响。

5.6基于生产网的应用软件

针对铁路巡检工作的要求，开发的行业专用地图（见图2），实现了座标到里程的自动转换、作业区间地点的标注等，为直观准确地反映巡检作业过程奠定了基础。

系统的应用软件采用B/S架构、．Net技术开发，在铁路内网中运行。

系统根据业务要求建立了广州铁路（集团）公司（工务处）、工务段、车间、工区的四级监管模式，实现了“上级监管下级，同级数据保密”的功能，用者可根据自己的权限通过铁路生产网使用系统，查看管理指定范围内的数据；为方便检查，系统预设了各种违章条件（超速、偏离等），结合作业规定，把可能违章的点自动、直观地呈现给检查者，大大方便了用户。工务巡检系统实时监控界面见图3，工务巡检系统结合巡回图的考核界面见图4。

图2 广铁巡检系统专用地图

图3 广铁工务巡检系统实时监控界面

图4 广铁工务巡检系统结合巡回图的考核界面

该系统利用多项现代信息技术，提高了铁路巡检工作质量，对降低安全隐患、减少事故发生有良好的促进作用。

6 结束语

铁路生产对移动定位技术有很强的应用需求，但在建设实施过程中应充分考虑铁路行业特点（尤其是信息安全），结合其他技术和现有设备设施，解决生产中的实际问题，才能取得较好的应用效果。随着我国北斗卫星系统的日臻成熟和国家对此的战略扶持，北斗定位技术正在快速进入民用领域，契合铁路半军事化、信息安全保密要求高的特点，有着广阔的应用前景。

彭为：广州铁路（集团）公司科学技术研究所，教授级高级工程师，广东 广州，510100

责任编辑陈晓云

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