基于北斗高精度定位的工务现场作业全过程安全监测系统研究

史小坤工程师

（中国铁路上海局集团公司 南京桥工段，江苏 南京 210000）

0 引言

近年来我国铁路发展的日新月异，特别是大量高速铁路的兴建，伴随而来的铁路运输客流、物流急速攀升，列车运行密度逐渐加大。南京桥工段作为铁路设备养修的铁路工务部门，所面临的养修任务日趋繁重。铁路设备养修单位作为劳动密集型行业，具有从业人员素质参差不齐，铁路沿线外部环境复杂多变，养护维修作业地点变化不定、天窗资源的严重缺乏、频繁的上道作业等特点，其所带来的人身安全隐患日趋显现。因此，在保障我国铁路快速发展的同时，如何确保铁路工务从业人员的人身安全是当前急需解决的一大难题，显得尤为重要。

当前国内针对上道作业人员行为安全的管控手段主要通过现场跟班、视频抽查等方式盯控，但受人员精力、抽查时段、违章行为的随机性等因素影响，使得很多违章行为不能提前做好预控，同时缺乏对作业人员的有效安全提醒，以至于现场惯性违章问题屡禁不止，人身安全伤害事件难以杜绝。

而国外铁路的行情与国内现状有着明显的不同，国外铁路运量和密度相对于国内要小得多，且对线路的养护维修作业能够全部纳入施工天窗，有作业时不行车，同时通过大量机械化、自动化养修设备的投入使用，避免了人员频繁上道潜在的安全风险，有效保障作业人员的人身安全。

针对目前国内外铁路设备养修单位对现场人员的行为安全管控还存在诸多不足，本文结合北斗高精度定位技术在此方面进行探讨研究，建立了以高精度矢量电子地图和北斗高精度差分定位技术为支撑的作业过程安全监测系统，实现对上道作业人员的准确定位、电子围栏实时盯控、安全风险语音提示等，规范其作业行为，从根源上确保每名作业人员的安全。

1 现场安全控制的新思路

随着我国北斗地基增强系统的建成，使得广域分米级、区域厘米级的精准位置服务成为可能[1]。这为铁路上道作业人员的行为安全管控提供了新的思路。

基于北斗高精度电子地图，导入每日作业计划，自动生成电子围栏区域，同时为上道作业的每名个体配备定位终端，即可实现对上道作业人员分米级的实时精确定位，对触碰电子围栏界限的个体触发安全提示，并进行实时报警。同时对安全关键处所（进出通道门、瞭望不良地段、跨越股道处所等）在所采集的高精度电子地图上进行安全提示信息录入，当佩戴定位终端设备的个体匹配上安全关键处所的定位信息时，触发安全提示信息，实现对作业人员行为安全的有效预控和安全信息提示。

通过配备集成高精度位置服务的定位终端，实现对上道作业人员的分米级定位；通过导入每日作业计划，自动精准生成电子围栏，建立安全监测系统。该监测系统具有“作业人员精准定位、移动路线追溯、电子围栏智能预警、安全风险语音提示、险情一键紧急求助、数据统计分析”等功能，能够实时掌控现场作业人员的作业行为，有效规范其行为安全，最大限度的保障从业人员的生命安全。

2 系统方案理论架构

本系统核心采用RTK定位技术。实时动态（Real-time Kinematic，RTK）即实时动态载波相位差分技术[2]。实时动态载波相位差分测量是指在运动状态下通过跟踪处理接收卫星信号的载波相位，从而获得比RTD（Real-time Ddifferential，实时动态码相位差分技术）常规差分测量高得多的定位精度，可以达到分米级。

以RTK技术为基础，在铁路人员定位终端的技术方面，选择基于CORS（利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统）基础上的实时差分定位技术。其定位技术原理是在某一区域内建立若干个GNSS基准站，对该地区构成网状覆盖，联合若干基准站数据解算或消除电离层、对流层等影响，发播GNSS改正信息，对该地区内的GNSS用户进行实时载波相位/伪距差分改正，从而提高定位精度，称为GNSS网络RTK。

3 系统方案设计

依托卫星高精度差分定位技术、物联网技术、地理信息（Geographic Information System，GIS）技术、网络通信与数据处理等技术搭建铁路作业人员精准管控系统[3]，实现对作业人员的高效动态管理，提升施工安全。系统逻辑结构图，如图1。

图1 系统逻辑结构图Fig.1 System logic structure diagram

系统由人员定位终端、高精度精准电子围栏管控平台（以下简称“平台”）组成。人员定位终端佩戴在作业人员身上，实时接收国家北斗地基增强系统地面差分站播发的差分改正信息，实现对人员的分米级精准定位，并将定位结果实时发送给平台。平台通过对终端传送数据进行分析，得到人员的具体位置，并将位置信息在地图上显示，同时判断人员是否在已设定好的施工作业区域内（电子围栏），根据判断结果进行安全区域报警，实现对人员的精准安全管控。

3.1 高精度电子围栏管控平台

该监测系统平台采用B/S（Browser/Server，浏览器/服务器模式）和SOA（面向服务的架构）并且预留统计分析相关接口，确保系统具有良好的可扩展性。

平台是整个系统的神经中枢，集中实现服务、调度、接收/处理报警和其他信息服务，并对整个系统的软硬件进行协调、管理。其总体架构，如图2。

图2 平台总体架构图Fig.2 Overall architecture of the platform

3.2 高精度个体定位终端

高精度人员定位终端作为前端信息采集设备，具有实时数据采集和记录功能，能够将人员的位置、移动速度等信息通过通讯模块发送到平台[4]。

本系统的设计选用自主研发的人员高精度终端NND902，如图3。

NND902北斗高精度人员定位器技术参数如下，见表1。

3.3 高精度矢量电子地图

由于铁路线路图分布较为复杂，系统采取以高精度地图为基础的，基于地图矢量化对铁路线路按里程进行均分处理，通过发布地图服务为平台应用，尤其是自动化电子围栏提供服务。对采集的高清电子地图根据铁路设备的类型进行准确定义划分，线路采用带状定义划分，道岔采用块状定义划分，同时在对应位置输入铁路公里标信息，如图4。

图3 高精度个体终端外形图Fig.3 High-precision individual terminal contour diagram

表1 北斗高精度人员定位器技术参数Tab.1 Technical parameters of high precision beidou personnel positioner

系统使用开源的GIS处理软件QGIS进行地图矢量化处理。主要步骤如下：

（1）加载高清影像地图。

（2）设置WGS84坐标系进行坐标转换。

（3）以铁路线路的初始位置坐标、末尾位置坐标为基准，通过添加点线面图层操作，对铁路线路赋予公里标并标注，从而为导入作业计划，自动生成电子围栏埋下伏笔。

图4 基于高精度电子地图的铁路设备定义划分Fig.4 Railway equipment de fi nition division based on high-precision electronic map

（4）通过添加矢量化图元对重要场所进行标注。

（5）发布地图服务，如图5。

图5 基于矢量地图生成电子围栏效果图Fig.5 Electronic fence rendering based on vector map

3.4 抗复杂作业环境的高精度算法

考虑到铁路工务作业的复杂度，系统在设计层面进行算法创新，以最小影响因素为基础提出了抗复杂作业环境的高精度算法[5]，解决人员定位数据偶尔漂移、丢失等问题。

有很多种因素会影响到北斗的准确率，以下是一个北斗误差引入表，见表2。

表2 影响北斗定位误差因素Tab.2 Factors aあecting beidou positioning error

3.5 基于移动模型预判的动态预测修正算法

系统根据上道作业人员的移动模型，提前预判人员的移动轨迹，结合卫星信号状态、移动速率、北斗基准站差分数据等，动态修正、调整人员定位精准度。动态预测修正算法，如图6。

图6 动态预测修正算法Fig.6 Dynamic prediction correction algorithms

4 方案特点

基于北斗高精度的精准电子围栏管控方案具有以下特点，可以概括为：

（1）优于0.5m级精度：精度高于传统定位方式几十倍。

（2）20000+容量：系统内可容纳人员定位终端数量无限可扩展。

（3）自主知识产权算法设计：系统集成多种自主知识产权的算法对作业人员及施工作业过程的精准管控，关键地段的安全风险语音提示。

（4）高性价比、可快速部署。

（5）可根据特殊需求进行二次定制开发。

5 系统研究数据及成果

5.1 系统研究数据

本系统主要对铁路上道作业人员的行为安全进行监测管控，研究的数据包括：作业人员高精度差分定位数据及行走轨迹数据；施工区域高清地图数据；施工作业计划及作业区域、作业时间数据。

通过对以上数据的研究，结合算法的处理、可视化的分析展现，能够较为精准的实现对作业人员的行为安全管控；通过数据的分析研判能够为作业计划的制定和人员管理的科学决策提供有力支撑。

5.2 监测系统应用效果

基于采集某站区的高精度铁路电子地图，结合工务现场作业全过程安全监测系统。根据当日作业计划导入监测系统后自动生成作业区域电子围栏，由作业个体携带高精度智能单兵设备进入作业区域，当作业个体超出作业区域或触碰电子围栏界线时，立即触发监测报警信息，作业个体前端触发安全提示信息，同时对作业个体行走轨迹实时追踪。同一地点的应用效果，如图7、8。

图7为在安全或规定的作业期间内携带终端人员进入作业区域，作业区域（图中黑色阴影区域）未发生告警（作业区域颜色未变，右下角无告警窗口）。

图8为在非安全或非规定的作业期间内携带终端人员进入作业区域，作业区域（图中黑色阴影区域）发生告警（作业区域颜色改变，右下角显示告警窗口）。

图7 作业个体在作业区域内未触发报警Fig.7 Alarm is not triggered by individual assignment in the assignments area

图8 作业个体超出作业区域触发报警Fig.8 The alarm is triggered when the job individual exceeds the job area

6 结论

通过高精度定位的工务现场全过程安全监测系统的研究，实现了对现场人员从进入作业通道门到撤出作业通道门全过程的安全控制，具备以下功能：实现对作业人员优于0.5m级的高精度实时定位；能够根据每日作业计划，自动生成当日作业相对应的电子围栏；对电子地图上的安全关键处所（进出通道门、瞭望不良地段、跨越股道处所等）植入安全信息，作业人员经过时自动触发终端安全风险语音提示；对提前进入范围、延迟下道、超范围作业等违章行为，实时进行安全报警。

目前的高精度定位终端还不具备图像实时传输功能，下一步将对高精度定位终端与实时录像定位设备的融合进行研究，通过实时画面与高精度定位信息的匹配验证，实现对作业现场作业行为更直观的管控，进一步保障工务上道作业人员的人身安全。