基于北斗施工安全防护系统研究与开发

李养民

（京广铁路客运专线河南有限责任公司，北京 丰台 100070）

1 引言

随着铁路运营速度的提升和高速铁路的快速发展，我国铁路运营条件产生了根本性的变革，列车的行驶速度越来越快，间隔越来越短。作为铁路通信信号施工企业，承担了大部分铁路既有线路的改造与施工，在这种状况下，如果在施工工程中出现瞭望不及时，就可能出现重大的安全事故，甚至危及生命。安全防护在铁路既有线路施工中是至关重要的，因此，本文提出了基于北斗施工安全防护系统，施工人员佩戴可穿戴设备，实现对施工人员位置和活动轨迹进行实时监控，一旦越过安全区域，对施工人员进行声音和震动提醒，同时也可在移动监控平台和后台监控平台观察现场情况，实现对施工人员的安全防护。

2 基于北斗施工安全防护系统

2.1 系统构成

基于北斗施工安全防护系统，采用了可穿戴设备和北斗定位技术。施工人员佩戴的穿戴设备，把北斗定位系统提供的所处坐标，通过GPRS公网通信，传输位置坐标信息到后台数据库系统，结合系统安全施工区域的划定和RTK差分定位，对施工人员活动进行判定是否越界。实现对施工人员位置的远程监控，并根据人员位置与施工安全防护区域进行自动判断，一旦越过安全区域，对施工人员进行声音和震动提醒，同时也支持移动监控平台和后台监控平台，方便现场人员和项目部值班人员掌控现场施工情况。

施工人员可穿戴设备与防护系统建立连接，回传位置数据和接收指令信息；现场防护人员配置平板电脑，作为移动监控终端，通过APP上的移动监控平台可以管理安全区域，同时观察人员位置信息和越界告警；项目部值班人员，可通过监控电脑，登入Web端的后台监控平台，可以实现对施工人员的全过程位置监控，同时以计划管理、电子围栏监控等辅助手段，达到施工安全的监控与管理的目的。系统构成关系如图1所示。

图1 基于北斗施工安全防护系统构成图

整套系统结构，如图2所示。

图2 基于北斗施工安全防护的整体系统结构图

2.2 系统功能

基于北斗施工安全防护系统，主要功能包括：实时查看施工人员位置和活动轨迹，通过网络实时远端监控现场施工情况；一旦越出安全区域，进行声音和震动提醒。系统整体包括高精度可穿戴设备、差分站、移动监控终端、移动监测平台和后台服务器监测平台。

(1)后台监控平台和移动监控平台，功能主要包括实时监控、发布告警信息、划定安全区域、历史轨迹回放，保存历史报警信息、施工计划调度、数据服务、设备远程管理、用户权限管理、大数据处理、统计分析等，后端服务器最大并发接入量十万，处理间隔在毫秒级。

(2)可穿戴设备，采用了一款亚米级的高精度穿戴设备，采用了双星单频差分定位技术，可以实现分米级的定位精度，有效抵消星钟、星历、电离层、对流层等因素产生的误差。实现了铁路施工过程中，对线路上下行的区分，进一步强化对施工人员位置的准确定位和安全防护。

(3)差分基准站，结合高精度定位差分基准模块和移动定位技术，配合差分服务器，可以与可穿戴设备连接通信，交互差分数据，利用已知坐标和卫星星历计算出观测值的校正值，并通过公网服务器，将校正值下发给可穿戴设备，实现高精度定位功能。

(4)移动监控终端，采用大屏终端，运行安卓操作系统，采用4G通信。方便现场防护员对施工人员的位置和活动进行定位，通过公网回传和下载数据，运行移动监控平台，实现划定安全区域、人员实时位置监控、人员越界报警、人员活动轨迹回放、保存历史报警信息等主要功能。

3 关键技术

本系统采用多项关键技术，实现对施工人员的安全防护和精准管理：

(1)多平台转换

本系统采用了跨平台的监控平台的设置，采用B/S框架，可以实现在中控室的PC机的Web端的监控平台，方便多台设备的远端登入，同时查看。同时，开发安卓平台的APP，可以在移动平板和手机上安装APP，实现现场的人员管理。

(2)通用协议应用

本系统可穿戴设备与后台服务器之间的协议采用通用的JT808协议，应用于轨道交通运输领域，采用JT808协议，可以方便对数据进行解析，可以实现对位置、时间、方向等数据的提取，同时也对高精度设备进行指令的下发，实现告警功能，声音和震动提醒。

(3)数据库管理

本系统是针对全国范围内的施工区域进行管理，通信量和处理量巨大，在数据库配置方面，针对不同的业务，配置了通信服务器、处理服务器、web服务器、分析服务器和存储服务器，满足服务器记录工作日志、人员活动数据、告警和警示信息、告警警示推送和确认信息，记录数据保留30天。实时对告警信息、警示信息、操作日志、人员活动轨迹等数据的统计分析。

(4)安全区域判定算法

对于区域判定算法，采用引射线法，从待判定点出发作一条射线，计算射线与安全区域封闭边界的交点数目。如果交点个数为偶数，则为区域内部，如果有奇数数个交点，则说明在区域外部。

判断两线相交的公式如下：

(xi,yi),(xi+1,yi+1)为边界两侧的点；(x0,y0)为边界的点。

4 应用场景

本系统利用北斗卫星系统定位技术和可穿戴设备，为铁路施工中施工人员的安全防护配套应用场景。

(1)轨旁设备施工安全预警应用

施工人员佩戴可穿戴设备，把北斗定位系统提供的所处坐标，通过GPRS公网通信，传输坐标信息到后台数据库系统，结合系统安全施工区域的划定和RTK差分定位，对施工人员活动进行判定是否越界。当越界，后台服务器向手环发起警示，提醒佩戴手环的施工人员手环。同时现场平板和远端后台，都可查看现场情况，显示人员位置和信息，追踪人员行动轨迹和保存历史报警信息。

(2)轨迹回放应用

施工人员佩戴可可穿戴设备，每秒向服务器上报一次位置。服务器对人员定位数据进行处理，结合位置和时间，可通过查询人员轨迹，回放施工人员在施工过程中的位置和运动速度，方便对施工人员的施工进度和运动路线进行统计，能够实现对施工人员的精确监督和管理。

(3)人员心率监控应用

施工人员佩戴可穿戴设备，向服务器上报心跳监测信息，服务器接收心跳监测信息并进行处理。若心跳信息异常，则将告警信息发送给可穿戴设备和管理终端，设备接收到报警信息，进行告警提醒，管理终端显示报警状态并进行声音和震动提示；心跳信息恢复正常后，服务器发出告警取消指令，设备接收告警取消命令，停止告警提醒，管理终端消除报警状态。

5 结束语

在铁路线施工中，采用北斗定位技术、可穿戴设备和后台服务器数据处理。后台服务器用北斗定位坐标，划定电子围栏。施工人员佩戴可穿戴设备，可穿戴设备把北斗定位系统提供的所处坐标，通过公网通信，传输坐标信息到后台数据库系统，结合系统安全施工区域的划定，对施工人员活动进行判定是否越界。移动管理终端接收可穿戴设备位置信息，并在屏幕上显示人员分布，同时后台监控平台也显示人员信息和位置信息。服务器实时处理可穿戴设备的位置信息，若可穿戴设备位置超出工作区域，则向可穿戴设备和管理终端发出告警信息，管理终端显示报警状态并进行声音和震动提示，可穿戴设备接收服务器发出的告警信息，进行告警提示。监控平台界面，如图3。基于北斗施工安全防护系统的开发，可增强铁路通信信号施工过程中的安全性、可靠性、可控性，有效地解决现有铁路施工过程中施工人员的安全防护，为铁路既有线施工人员安全提供科学的保障。

图3 后台监控平台界面