基于高精度北斗组合定位电子围栏技术研究及应用

文| 欧阳籽勃 陈云峰 宋志丹

1.中国铁道科学研究院

2.中国铁路兰州局集团有限公司

一、引言

铁路工务施工作业具有流程多、作业的区域大、施工环境条件差、现场的施工人员和车辆多等特点，目前大多还是采用视觉、听觉和集体作业防护等以人为主的管理和技术手段相结合的方式，已经难以适应高速铁路智能化、信息化发展要求。

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目前，施工人员或大型设备的设备定位精度主要采用GPS定位、超宽带（UWB）定位、北斗定位等，但在实际使用情况下，受限于人员移动和现场环境的遮挡，定位效果在5～10m，少数情况能够超过30m。在通信方面由于铁路沿线情况复杂，对于西部铁路，公网覆盖情况相对较差，一旦公网信号缺失，将会失去对人员和大型设备的位置跟踪功能，在紧急情况出现时，不能及时通知现场施工人员或车辆，从而导致事故的发生。

综上，本文提出基于高精度北斗组合定位施工防护电子围栏技术，利用我国北斗卫星导航定位系统，融合惯导信息和物联网通信技术，对铁路工务施工人员或大型设备进行精准定位和监控，通过设置围栏警戒，及时对施工人员或大型设备进行预警，实现铁路施工安全防护[1]。

二、方案概述

1.应用目标

基于高精度北斗组合定位施工防护电子围栏技术的研究及应用，主要通过高精度北斗组合定位并采集工程测量、监测、检测等项目需要用到的位置坐标，替代传统的人工采集，进而能够大大提高测量精度和准确性，同时结合通信技术，将位置信息、围栏信息以及惯导等信息上传到网络管理平台、预警信息传递到施工作业现场，以达到对铁路工务施工的远程监控和现场预警，通过设置围栏警戒，确保铁路工务施工安全防护的目的。

2.总体构成

方案总体由无线传感器基础应用平台和网络管理应用平台构成，总体框图如图1所示。

基于高精度北斗组合定位电子围栏技术研究及应用的无线传感器基础平台主要由感知层面与通信层面组成。

感知层面主要利用北斗组合定位、毫米波雷达等技术对轨道车、施工人员、防护点等采集关键数据，进而实现施工人员定位、电子围栏防护、列车接近预警等应用。

图1 方案总体框图

通信层面用无线电台、3G/4G公网无线传输，预留窄带物联网（NB-loT）接口，组建基于高精度北斗组合定位电子围栏技术应用的通信网络。

高精度北斗组合定位终端嵌入式软件实现将终端与列车、网络管理平台进行交互如图2所示，实现列车接近报警、人员高精度位置实时采集及显示、围栏预警等功能[2]，具体功能如下。

图2 网络管理应用平台

（1）人员定位器亚米级定位功能

带灯按钮：开关机、围栏指示；

（2）电子围栏功能

2)基地在建设过程中，社会服务能力还有待加强和提高。目前主要承接的是合作企业的各项培训任务，希望经过校企的共同努力，能够扩大基地在区域经济的影响力度，能够扩充业务承接范图和业务的多样性，更好地服务于区域经济的发展。

当高精度北斗组合定位终端设置电子围栏功能时，人员在进入围栏和出围栏时，可分别进行入围栏报警和出围栏报警，人员定位器电子围栏生成有两种方式：网络管理平台利用数传电台模块将电子围栏数据点文件传输给人员定位器，人员高精度北斗组合定位终端将电子围栏信息存储在Flash并自动生成电子围栏；人员高精度北斗组合定位终端具有电子围栏打点功能，人员携带终端在需要生成电子围栏的区域进行关键节点位置采集并打点，生成电子围栏的位置信息并存储在Flash。

中国水利：《意见》明确提出要建立水资源管理责任和考核制度，考虑到我国南北方水资源条件有较大差异，下一步如何进行责任分解和考核？

教学目标的确定是教学活动的首要工作，是实施教学的主导环节。学习目标一方面是学生学习过程中前进的目标，另一方面是教师组织课堂教学内容的基础，是评价学生学习效果的标准。在BOPPPS模型中强调教学目标必须是具体的、明确的描述，包括谁是教学对象、要学什么、在什么情况下学、如何学，从而使教学目标更具可操作性。

（3）列车接近预警

明确划分各级护理人员的职责以及工作标准,并将具体的职责层层分解具体到个人,术前完善器械以及仪器相关检查,术前1d集中访视患者,并于术日护理人员在手术室门口做好迎接、交接工作,根据手术内容护理做好相应的配合,术后常规管理,手术全程中需进行质量监控。

人员高精度北斗组合定位终端与列车进行交互[3]，通过在施工区域外提前放置预警雷达，获取列车接近信息，通过人员与列车的位置计算，实时判断列车与人员的距离，当超过安全距离时，系统将产生报警信息，边界处设置的警戒雷达、人员佩戴的定位器都将产生声光报警。

（4）标准语音报警

人员高精度北斗组合定位终端配备扬声器，将铁路标准语音烧写到语音芯片中，根据不同场景调取不同的标准语音。

3.基于高精度北斗组合定位电子围栏技术研究及应用的安全策略

图3 系统应用安全策略

施工人员终端首先通过打点功能自动生成以自我为中心的圆形围栏进行警戒，也可通过接收网络管理平台下发的电子围栏区域坐标进行存储，当施工人员或者大型设备移动时，将实时的北斗高精度组合定位坐标信息与电子围栏警戒区域信息进行对比，当判断坐标在电子围栏警戒区域外时，将立刻向网络管理平台进行报警，同时网络管理平台将接收到的围栏预警信息与自身判断的围栏预警进行判断对比分析，确定为预警信息时显示预警信息，实现对工务的远程监控和管理。

徐宏勋算了一笔账，经过多年的发展，特别是2013年长沙绕城高速公路开通后，浔龙河村的交通优势凸显出来。从浔龙河村到长沙绕城高速公路长龙收费站8公里，车程8分钟，走黄兴大道到长沙县城星沙15分钟车程，到黄花国际机场、长沙市区、长沙高铁南站车程均在30分钟以内。

4.系统应用指标及硬件设计

高精度北斗组合定位终端指示灯及功能：

在施工人员利用高精度北斗组合定位终端进行作业时，需要达到以下总体技术指标，如表1所示。

表1 技术总体指标

施工人员或者大型设备的终端具有自身打点功能并将自身的位置上传到网络管理平台，生成以自身为中心的圆形围栏，但网络管理平台没有下发多边形围栏指令时，施工人员或者大型设备将依据自身的圆形围栏进行预警，当网络管理平台下发多边形指令时，施工人员或者大型设备终端将自动生成多边形围栏进行预警[6]。

依据上述的总体技术指标要求，高精度北斗组合定位终端硬件系统包括：微控制单元（MCU）处理器、高精定位模块、数据传输模块、惯导模块、外挂实时时钟（RTC）、外挂Flash、电源管理模块、语音模块、按键。

三、关键技术应用

1.高精度北斗定位技术

高精度北斗定位技术主要利用北斗地基增强系统播出的差分信息进行高精度定位解算[4]，主要为用户计算差分改正数等数据，利用网络解算获取覆盖范围地区和该时间段的局域精密星历及其他改正参数，同时能够连续不间断对导航卫星的完好性监测，对卫星精密星历、卫星精密钟差、大气层传播延迟等误差[5]进行确定和播送，大大克服导航卫星系统在可靠性、可用性方面的脆弱性。

Electric Field Distribution of AC Transmission Lines Considering Vertical Sag GUO Linxia,GONG Youjun(103)

2.电子围栏生成技术

（2）人员终端硬件设计

在自身圆形围栏或者网络管理平台设定区域（矩形、多边形等）多边形围栏时，由网络管理平台将区域的拐点坐标信息通过WiFi链路传导，并通过组网电台传输到施工人员终端或者大型设备终端上，确保对施工区域实施实时警戒，一旦有人员或者设备越界或侵限，将触发报警并上传到网络管理平台。通过警戒雷达传递的列车接近信息，对列车运行趋势进行判断，结合围栏信息，及时给出列车接近预警[7]。

基于高精度北斗组合定位电子围栏技术研究及应用的安全要求较高，必须确保信息的完整性、安全性和真实性，其中重点在物理安全、信息传输安全等方面，结合无线电台传输等模式，采用分层安全策略处理，如图3所示。

3.列车接近雷达预警技术

对于列车接近，需要重点区分两种情况：列车与施工区域的相对位置，是在施工区域股道上，还是相邻股道上；列车与施工区域的运动趋势，是接近施工区域还是远离施工区域。

通过与信号系统接口连接，可以获得股道区段的占用信息，从而提前获得列车与施工区域的相对位置及运动趋势。在没有数据接口的情况下，通过设置预警雷达，可以有效解决上述两个问题。

同样因为经济原因，成绩出色的她，拿着由美国战地服务团提供的留美奖学金，只身一人前往美国马里兰州的女校学习。虽然并不情愿年轻轻就背井离乡，但这段经历带给了她出色的英语水平和美国人的思维方式。高中毕业后，拉加德在美国国会议员、即后来的国防部部长威廉·科恩办公室做实习生。这段早年经历影响了拉加德的一生：“反性格、反周期，你要的什么都相反。”拉加德这样评价自己的成长轨迹。

通过使用预警雷达，可以对多达4个股道区域进行雷达照射，区分人员和机车，并对其位置和运动趋势进行跟踪，通过设置防区，在列车进入预设防区或与报警终端通信中断时，产生告警信息。

四、系统应用

依据基于高精度北斗组合定位电子围栏技术研究及应用需求，在城市进行模拟测试。

（三）住房改造尚有差距。一是危房识别较难。有关区县对D级危房尚没有具体的认定标准，各乡镇、村把握的尺度不一致。二是D级危房改造、农房“四改”、风格风貌改造进度较慢。因大部分贫困户居住在条件比较差的地方，住房普遍为土木结构的穿斗房，改造成本高，上级补助少，自筹资金多，导致部分农户积极性不高，“等靠要”思想严重，住房改造进度普遍较慢。

1.高精度定位组合定位终端设计及实际设备

高精度定位组合定位终端如图4所示。

（1）系统应用指标

报警灯：高亮报警灯；

高精度北斗组合定位终端嵌入式软件利用数传电台，实时接收北斗连续运行参考站（CORS）差分信息并传输给定位模块，实现亚米级定位精度，并将位置通过数传电台或者公网传输到网络管理平台。

LED1：定位指示；

从中或可窥知，虽然由于每支“昆唱”的长度均受板则之制约，昆曲多节型过腔的节数不可能无限制地增加，但过腔的这种结构，却足以表明昆曲基因性构架之宏大。事实上，昆曲对于这一基因性构架功能的利用率，恐怕百分之一都不到，应该说，其间还有着很大的发展空间，这是一块既完全可以丝毫无损昆曲固有传统的一切品性，又能充分发挥其作用的，亟待探索、开发和利用的新大陆。

LED2：高精度定位状态指示；

LED3：充电显示；

语音报警喇叭设计。

高精度北斗组合定位终端功能：

自身设置圆形围栏；

图4 高精度定位组合定位终端

接收上位机的多边形围栏点生成围栏；

判断进出围栏状态并报警；

吸引一批文化工作者、黄河文化演艺人员、手工艺者扎根黄河景区，提升景区文化活力；吸引旅游经营和管理类人才、创新型人才进行旅游创业，完善本地居民参与黄河全域旅游的发展机制；培养一批景区专业讲解人员；目的地建设还要本着全域生态优先的原则，保护旅游生态环境，推动全域旅游可持续发展。

将自身的位置实时上传到平台客户端。

2.实际现场应用测试

图5 圆形围栏实际测试动静态测试精度分析

圆形围栏实际测试动静态测试精度分析如图5所示。依据高精度北斗组合定位终端当前的位置点信息，打点设置半径可调的圆形围栏，测试时半径设置为25m，通过测试可以看出实际的测试精度为3cm以内并且语音报警。

如图6所示为动静态测试精度分析。在高精度北斗组合定位终端长时间静止状态下，测试精度至少在1m内，后续通过分析可看出测试精度在20cm，在动态测试的时候，并且没有差分信息时，其定位精在5m以内。

图6 动静态测试精度分析（上图为动态测试精度分析，下图为静态测试精度分析）

五、结束语

基于高精度北斗组合定位施工防护电子围栏技术研究，可以实时采集工程测量、监测、检测等项目需要用到的位置坐标，替代传统人工采集，极大地提高施工人员和大型设备的定位精度和准确性，能够实时对工务施工人员或大型设备远程监控[8]。

在使用机械化进行水稻插秧过程中，如果机械处于较为稀烂的田块会导致插秧机过深的陷入到田间，机械设备在向前行进过程中，秧苗直立状态较差，常常东倒西歪，缺苗率和漏苗率较高。在机械操作过程中，一旦操作人员技术不熟练，缺苗、漏苗现象将更为严重。当农机手遇到秧苗土壤薄厚不均匀的情况，需要结合秧苗的实际情况对秧苗器进行调节，降低作业效率。

通过设置电子围栏警戒，配合列车接近预警雷达技术，能够实时对人员和设备越界或侵限、列车或大型设备接近施工区域和现场的列车接近进行预警，统筹运用人防、物防、技防等措施，确保人员和大型设备的安全，为铁路工务施工安全提供坚强的技术保障。

近年来，中央及各地政府机构加大财政投入，加强资源整合，在农村地区开展卫生治理、村庄环境建设、道路修建等一系列基础建设工作，使得乡村呈现出天蓝、水绿、村民安居乐业的美好景象。