基于移动网络的铁路施工安全报警系统的设计及应用

2019-02-19帅建坤姬青杉赵裴陆阳

科技与创新 2019年3期

帅建坤，姬青杉，赵裴，陆阳

帅建坤1，姬青杉2，赵裴1，陆阳1

（1.西安航天天绘数据技术有限公司，陕西西安 710100；2.中国铁路兰州局集团有限公司科研技术监督所，甘肃兰州 730030）

综合应用北斗/GPS定位、地理信息系统、即时通信等现有的关键技术，集成开发基于移动网络的铁路施工安全报警，提供电子围栏监管、报警分发、通信服务等一体化的解决方案。采用先进的信息化的方法和GIS手段，充分利用北斗/GPS系统“定位+通信”的特点，实时监控检修人员及机车动态位置，分析并实时下发命令，即时报警，满足数字化建设、铁路安全检修的需求，同时，解决因信息传递滞后或信息阻隔对铁路检修人员造成的安全隐患问题。

GPS；WebGIS；铁路检修；高危事故

1 概述

铁路检修是高风险、高危事故高发的行业，尤其是机车进出施工现场时，铁路作业人员的安全风险更大，针对铁路局的管辖特点，在铁路施工人员作业时，存在以下两方面的问题。

1.1 信息传递时效性差

铁路局管辖区域具有局限性，无法做到施工人员位置的实时传递。随着火车位置的逼近，若无法做到实时提醒现场施工人员及机车双方的预警，危险系数将进一步增大。

1.2 无法精确感知检修人员的位置

铁路局的管辖范围较大，作业区位置分散，因此，铁路施工人员的具体作业位置、移动轨迹等信息难以实现较为精确的监控。

进一步加强铁路沿线施工安全防护[1]，确保作业安全，提高作业效率，是目前亟待解决的一个重要问题。基于当前问题，本文充分利用北斗[2]/GPS系统“定位+通信”的特点，通过卫星定位实时获取铁路施工人员及机车的位置信息，并在电子地图上显示，且在火车逼近时及时给铁路施工人员及机车人员下发报警提示，有效避免减少事故的发生，同时满足网络化[3]、数字化建设需求。

2 总体设计

2.1 系统构成

系统由外业采集终端、报警定位终端（支持北斗定位的Android智能终端）、通信网络、监控服务平台组成。整个系统部署在指挥中心并显示在大屏幕上，以GIS（地理信息系统）为基础，通过移动网络接收外业终端采集GIS信息，实现电子围栏的自动绘制，报警终端进行北斗位置的上报，平台实时进行报警分析，判断并下发报警指令，报警终端根据接收指令进行语音报警。基于移动网络的铁路施工安全报警系统部署如图1所示。

图1 系统部署图

2.2 系统组成

系统平台主要包括外业采集子系统、终端位置报警子系统、GIS业务应用子系统、即时通讯子系统。平台组成图如图2所示。

2.3 外业采集子系统

采集终端用于采集作业区域GIS信息，计划工作人员沿铁路中线进行点采集，将采集信息通过4G网络上报给平台，平台接收数据，解析数据并根据相应的阈值左右扩大电子围栏范围进行电子围栏绘制，作为施工现场的电子围栏。

图2 平台组成图

2.4 终端位置报警子系统

基于Android系统的北斗智能终端载入报警子系统APP，系统会根据账号判断角色（机车、作业人员）。登录机车账号的设备，作为机车终端用于机车报警。登录作业人员的账号作为施工作业人员终端，用于施工人员的安全报警。终端（机车、作业人员）通过4G网络进行自动位置上报，同时，通过即时通信子系统实时接收平台下发的报警指令，进行语音报警。

2.5 GIS业务应用子系统

包括用户管理、机车信息管理、施工人员管理等；轨迹管理包括所有角色上报的位置信息管理、轨迹回放等；电子围栏管理包括电子围栏的设置、切换等；报警管理包括报警记录的存储、历史报警查看等；地图服务包括终端设备实时显示、历史轨迹的绘制、铁路数据的叠加等。平台根据机车、作业人员的实时位置及预设的电子围栏，结合预设火车接近的报警阈值，自动判断机车接近电子围栏及作业人员的报警决策，平台会通过即时通信子系统，以不同命令进行双向报警同步下发。作业人员终端持续收到电子围栏报警并提示声音“火车接近，距离XX米”，直至退出电子围栏之外，报警取消；机车终端同时收到接近报警，并提示声音“前方施工，请注意减速慢行”，直至穿越电子围栏报警取消。

2.6 即时通讯子系统

实现终端与平台、终端与终端实时通信，报警信息实时收发，保证报警信息的时效性，减小通讯信息的延迟。

3 关键技术

我国的北斗[4]导航系统完全可以支持铁路施工实时监控系统，做到机车和作业人员的实时位置监控，使列车在运行过程中，及时被告知前方施工状态，处理并规避危险情况。同时，施工作业人员均能按规程正常操作，避免危险的发生。本系统利用北斗卫星系统高精度定位技术，结合地理信息系统（GIS）、移动网络[5]、计算机网络等多技术于一体[6]，为铁路检修作业人员安全预警防护应用提供技术支撑和解决方案，构建基于移动网络的铁路施工[8]安全报警系统。

3.1 定位精度可靠性

鉴于北斗卫星导航系统具有开放、独立自主、可兼容性、稳定和覆盖广的特点并可在全天候、全天时为用户提供高精度、高可靠性服务，定位精度优于10 m，授时精度优于20 ns[7]等特点，定位终端采用内设高精度定位北斗移动Android终端，采集机车、人员、电子围栏的高精度定位信息，提高定位的可靠性。

3.2 外业采集系统

利用高精度的北斗卫星定位技术[9]，设计基于GIS的外业采集子系统，存储并处理相关GIS属性信息。实现与平台网络通信协议传输，实现电子围栏的自动绘制，提高电子围栏精准度。

3.3 GIS应用

GIS应用[9]是整个系统展示分析的核心模块之一，功能主要有二维Web地图模块、用户管理、报警分析模块、空间辅助报警模块等。其中，二维Web地图模块主要提供电子地图的快速定位、检索、铁路数据的叠加、终端位置实时显示、轨迹回放等。报警分析模块提供报警智能决策等。GIS业务应用子系统功能图如图3所示。

图3 GIS业务应用子系统功能图

3.4 即时通信

即时通信系统是整个系统的核心模块，是一种基于现代计算机网络的通信技术，能够及时发送和接收互联网信息的一种交互方式，应用于报警终端与平台，位置报警终端与位置报警终端间的数据传输与接收，确保机车接近报警及电子围栏报警双向报警的同步性，尽量减少通讯网络的延迟。

3.5 应用实例

基于移动网络的铁路施工安全报警系统在兰州铁路段进行试验，主要功能可分为外业、监管和报警。

外业采集子系统将采集的电子围栏信息上报给监管平台。监管平台可以通过接入网关适配接入的不同协议的终端，并采集处理已接入终端的实时位置与状态信息，将终端位置状态信息以内部协议格式通过即时通信的方式，以设置的自定义的时间间隔推送至GIS业务应用子系统进行空间辅助报警分析，比如火车接近报警、电子围栏报警等。

GIS业务应用子系统处理后的数据通过即时通信推送至终端报警、前端Web地图报警展示，并调用相应的数据服务引擎进行数据持久化及缓存。