基于北斗卫星定位系统的铁路预警系统的分析

王毅然 吕荣斌 罗孟斐 黄政林

（石家庄铁道大学 河北石家庄 050043）

基于北斗卫星定位系统的铁路预警系统的分析

王毅然 吕荣斌 罗孟斐 黄政林

（石家庄铁道大学 河北石家庄 050043）

在中国铁路高速发展的现状下，铁路巡查检修人员的安全是一个大问题。对火车进行实时定位与预测，计算巡道工与火车之间的距离，并根据路况进行时间预警刻不容缓。针对这一情况，我们进行了理论分析并提出一些可行性计划。

北斗定位 预警 铁路

研究背景在“地球村”的现状下，中国国内的轨道交通发展的进程也飞速前进，铁路建设已经达到一个新的高度，国内道路网愈加密集。因而在轨道巡检方面的一些安全隐患也随之暴露。

众所周知，在火车行驶过程中，人们需要距离火车一定的距离才能保证安全。虽然现在一般人都很少有机会去接近运行中的火车，但是对于巡道工来说，这一情况是经常发生的。首先，我们需要对巡道工的工作背景有一个了解：巡道工的主要任务是负责巡查铁路线桥、处理故障、做好小补修，保持线路状态完好，外观整洁，保证行车安全工作。通过巡检，及时发现存在的安全隐患并加以处理，以保证铁路列车的正常运行。在巡检过程中，列车与巡道工的距离接近安全距离时，工人应及时下道避让，并且当路线上有安全隐患但无法及时处理时，应立即将信息通知给运管中心相关部门人员，但进行该行动的前提是要了解列车的实时位置、速度以及运行情况与工人自身所处的位置，然后再进行判断和选择。目前巡道工和运行列车之间的信息交流主要依靠对讲机和GPS定位等手持设备，一般通过对讲机里传来的调度指令了解自己与途经巡查区的列车相遇的时间，以便做好操作或避让准备，如果遇到线路条件恶劣如曲线和路堑较多导致通讯信号较弱或对讲机出现故障的情况，甚至在隧道内无信号，巡道工接收不到提醒信息的现象时有发生，线路巡检工作存在较大的安全隐患。例如，在以调研的赤大白铁路为例，4个工作区段中约有1万2千米的距离，其中有6处曲线，而每段曲线都在500米以上，更有一条曲线长达5880米。其中，路堑有50个，隧道有3处长约1800米，占全长的15%左右，显然，由于路堑较多，因而巡道工接收不到信息、信息发不出去的现象时有发生，安全隐患极大。

虽然铁路调度指挥系统已经很完善，但是列车的实时路况信息还不能及时的反馈给巡道工，因而有必要研究列车与巡道工间距自动监测与报警系统。通过列车与巡道工间距自动监测与报警系统，能够实时掌握巡道工与运行货车对彼此位置信息，从而保障巡道工的人身安全和货车的正常运行。

1 研究现状

目前我国既有的线路机车定位方式有好几种，比较简单的方式是通过机务段的调度员与铁路局机车调度员之间的电话网络进行联系，得知机车具体位置信息后，绘制出机车周转图，然后对其进行跟踪。但是这种方式存在着信息传递滞后、信息准确度不高等诸多弊端，致使机车使用效率比较低，无法实现集中管理。

因此运用较多的是以下两种方式：一种是采用 TDCS 系统对机车动力资源进行定位跟踪，这是目前各铁路局调度所比较普遍的作法．也就是机车运行到达某个车站后，由车站值班员将机车型号、 司机姓名、 列车车次等信息输入运输调度指挥系统（TDCS 系统） 。 铁路局机车调度员通过调取 TDCS系统信息， 绘制出机车周转图，以此掌握机车运行动态。另外一种是采用 GPRS系统对机车动力资源进行定位跟踪，机车上安装有移动终端机，利用手机将机车上列车运行监控记录器中的数据传输到指定的服务器上，数据内容包括: 机车型号、运行区间、公里、速度、司机姓名和列车编组等信息，服务器上的程序根据接收到的数据，将机车位置绘制到电子地图上，同时显示机车当前运行状态。这种工作方式的缺陷是当列车运行到移动网络信号盲区时，信息无法上传，机车将出现位置丢失的问题，这给机车定位和调度指挥带来很大麻烦。综上所述，国内既有的几种线路机车定位的方式在某些方面都存在一定的弊端，设计出一个能够将列车与巡道工间距自动监测与报警系统是大势所趋。

2 系统规划

现针对目前状况设计一列车与巡道工距离自动监测与报警系统，该系统解决的基础问题是列车与工务人员的定位。在国内目前运用比较广泛的定位导航系统主要有两种：一是美国的GPS，二是中国的北斗卫星导航系统。考虑到使用方便性，安全性，国防等各方面因素，选择国产的“北斗”比较好。并且目前我国北斗系统有了重大突破，精确度已经到达1M，已经超过市面上被广泛应用的美国GPS民码技术。并且北斗二号定位和北斗一号通信模块能够实现列车实时位置跟踪、双向短信息的传递等。它特有的通信功能在运用过程中起到了重要的作用，并且最主要的是“北斗”是我们国家拥有独立自主知识产权的卫星导航系统，在任何场景，任何时刻我们都可以信任它。

在2016年6月，国务院发布了《中国北斗卫星导航系统》白皮书，并指出北斗是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设独立运行的卫星导航系统。该系统将同时拥有GIS地图显示功能。GIS是英文Geographic Information System的缩写，即地理信息系统，是包含摄影测量学、测绘学及城市规划等学科的一门新的学科，广泛应用于许多领域。GIS地图能直观地体现车辆行驶的位置，在GIS地图上，可以对列车的状态一目了然。

因此，首先需要建立GIS电子地图数据库，先用北斗二号采集数据形成标记点的电子地图，这些数据包括经纬度、海拔高度等。这些数据可以分为3部分：列车数据、路线数据以及标记点数据。大致轨道可以直接采用现有的地图，之后在此基础上建立路段标记之。这样当要测量列车位置坐标与铁路地图匹配时，较容易计算，并且对距离的计算有一定的帮助。

但是在隧道等北斗卫星信号盲区地段，会有信息的缺少。这里可用DR技术。DR是英文Dead Reckoning的缩写，它可以利用列车的运行方向和位移来推算列车行驶的轨迹。而铁路轨道路线可以看作是平面上的二维运动。列车的实时位置可以由平面上的北向和东向位置确定。DR的原理如下图1所示：

由图1可知，列车的位置:

图1 DR的原理示意图

系统将会用到速度等运动参数，因此，会采用惯性测量单元（IMU）作为DR的传感器。但是由于列车的速度、里程、航位推算的方向均是由积分所得，因此DR系统不能长时间使用，因为这样会使里程产生误差累积。

其中，要注意标记点数据要大于北斗的识别精度，以前是20米，但是由于近前北斗有了精确的提高，已经可以精确到1米。因此，整个系统的精确度会比以前有明显的提升。

图2 系统的总体架构

系统的总体架构及通信协议如图2所示 。系统由车载智能定位预警机、巡道工定位预警智能机和信息管理中心三部分组成，信息管理中心主要由GPS信息交换服务器和数据库服务器组成。中心服务器以RESTful Web 服务形式完成预警机、工务人员手持机的数据交换，存储，计算功能。

在巡查工作中，工务人员的手持预警智能机上将会显示一定范围内的或一定时间内可能经过公务人员周边的列车位置信号。这时中心服务器会计算各列车可能到达工务人员所处地的距离和时间。当距离和时间小于一定数值时，中心服务器会将信息，如列车预计到达时间，当前所在位置发送到工务人员手持机上，提醒工务人员准备撤离，而当距离和时间小于临界时，手持机将会发出警报，要求工务人员立即撤离，以免发生危险。这里中心服务器以Restful Web服务形式完成预警机,工务人员手持机的交换,储存计算机能。使用时运用大数据将各列车运行的各种运动信息如经过某些地点的速度，所用时长，经过某路段的具体时刻，以及路段容易出现的安全隐患，工人处理这些故障所用时间。当系统运行时间达一定时长后，数据达到一定规模时，中心服务器便可以整合历史数据，更准确的做出决断。

3 结语

通过对一些原理的分析并结合实际情况和需求给出了基于北斗系统/DR的列车与巡道工间距自动监测与报警系统的可行方案。该系统主要运用了北斗卫星导航系统，GIS地图显示，航位推算系统，可实现终端机（即巡道工手持智能机和车载智能机）的位置显示，列车的运行状态如速度，到达时间等参数的计算以及在信号盲区路段的预计情形。同时能计算、分析、存储数据，并在情况达到一定程度时给出提醒和警告。

[1]刘宪军,张志荣,李真,刘军.基于北斗导航定位系统的机车动力资源定位系统研[A].大连交通大学学报.2015,36(2):101-105.

[2]孙永梅,王富章.基于GPS/DR的现代有轨电车定位方法研究[A].铁道标准设计,2016,60(9):137-140.

[3]唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[A].全球定位系统.2013,38(5):47-52.

[4]扈永顺.中国北斗走向世界北斗[J].瞭望新闻周刊,2016-1-09:56-57.

Analysis of the Railway Early Warning System Based on the Orientation System of Beidou Satellite

WANG Yi-ran LV Rong-bin LUO Meng-fei HUANG Zheng-lin
(Shijiazhuang Tiedao University Shijiazhuang Hebei 050043 China)

The safety of railway trackwalkers is an urgent issue with the fast development of railway in China. Taking real-time location and prediction for trains, calculating the distance between the railway trackwalkers and the trains, and taking early time warning according to the real-time railway condition admits no delay. In response to this situation, we conducted a theoretical analysis and put forward some feasibility plans.

Beidou orientation early warning railway

A

1673-1816(2017)03-0049-04

2016-06-18

王毅然（1996-），男，汉，湖北潜江人。