基于高精度北斗联合定位的铁路施工安全预警系统的设计及应用

张楠 姬青杉 何琦 赵裴 帅建坤

摘 要

针对目前铁路施工人员采用传统视觉、听觉防护的防护方式效果较差，抑或定位设备精度不高、位置偏移量大、定位预警不及时等状况，难以实时跟踪人员位置，对施工人员人身安全存在较大安全风险的现状，本文基于高精度北斗联合定位并融合物联网信息传输和电子围栏警戒技术，提出铁路施工安全报警平台，解决列车接近作业区域和人员、设备越界的实时预警，有效降低铁路工务施工作业时的安全风险，极大提高工务作业效率和智能化工务施工安全的防控设备应用。

关键词

北斗/ GPS;铁路施工;预警;多星联合定位

中图分类号： U215.8               文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.073

Abstract

In view of the present railway construction personnel in traditional visual， auditory protection way of protective effect is poorer，or positioning precision is not high，the position offset，such as positioning warning is not timely status，hard real-time tracking personnel position，there is a big security risk of the personal safety of construction personnel of the status quo，this article is based on high precision and joint beidou positioning of the integration of Internet information transmission and the technology of electronic fence alert，railway construction safety warning platform，put forward to solve the train close to the work area and personnel，equipment，cross-border real-time warning，effectively reduce the railway works the construction work of security risks，Greatly improve the efficiency of public works and intelligent public works construction safety prevention and control equipment application.

Key Words

Beidou/GPS;Railway maintenance;Alarm;Multi-star joint positioning

0 引言

铁路施工作业具有流程多、作业区域大、施工环境安全性低的特点[1]。施工人员采用传统的视觉防护及听觉防护效果较差，易疏忽发生安全事故[2]。此外，目前也有采用GPS定位设备对施工人员进行实时防护的安全策略，但是受到定位精度不高，位置偏移严重的局限，电子围栏难以精确到单根铁轨，电子围栏区域过大导致报警频繁会直接影响施工人员的工作状态及效率[3]。

基于此，结合北斗技术在各行业的应用，迫切需要研发一套基于高精度北斗联合定位的铁路施工安全预警系统，集成应用卫星定位[4]、GIS[5]、无线数据通信[6]、Web-终端双向即时通讯[7]等技术，克服环境因素影响，提供施工人员、机车的实时定位及人车安全位置预警信息，为现场作业人员提供实时防护安全策略，为铁路建设和检修维护提供重要安全保障[8]。

1 系统功能需求

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動轨迹;一旦进入有火车逼近的电子围栏，进行定制标准语音提醒。系统整体包括高精度定位设备、差分服务器、移动终端和后台服务器监测平台。

（1）后台监控平台，功能主要包括实时监控、电子围栏绘制及管理、发布预警信息、历史轨迹回放，保存历史报警信息、用户管理等。

（2）定位设备，遴选亚米级高精度穿戴设备，采用三星联合定位技术，可实现分米至厘米级的定位精度，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）差分服务器，结合高精度定位差分基准模块和移动定位技术，配合千寻差分服务器，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，通过公网回传和接收数据，装载语音芯片，可实现定制保准语音报警。运行移动监控平台，实现划定电子围栏标注、人员实时位置显示、人员越界报警、人员活动轨迹回放等主要功能。

2 基于高精度北斗联合定位预警系统总体框架及实施流程

人员亚米级定位功能实现方案总体框架图：

安全预警实现步骤如下：

第一步：铁路施工人员在终端设置位置上报时间间隔，移动设备根据该值间隔相应时间给后台上报终端位置信息;每次位置上报后，平台做以下算法。

第二步：每次位置上报后，平台根据终端上报的经纬度数据和地图信息计算得到所在的轨道线路地图，判断该位置点是否位于电子围栏内。若处于电子围栏内，判断该围栏所在轨道是否有火车接近，若有，则后台给终端发送指令进行语音避险提醒。否则退出计算进而处理下一条位置信息。

第三步：当人车相对速度V>0时，根据在轨列车和施工人员的实时位置，可分为两种：

（1）距离足够时，即S>S0，系统判断安全模式，即使施工人员位于电子围栏内也不会报警;

（2）距离紧张时，即S≤S0，系统判断人车危险模式，提醒施工人员迅速离开，司机采取减速措施，为工人避险争取足够时间。

S0为安全距离阈值，初始值设定为100m。

3 铁路施工安全报警系统关键技术探究

3.1 北斗高精度联合定位技术

俄罗斯GLONASS此前失去维护，2019年7月欧洲Galileo卫星持续掉线117个小时。而中国的北斗卫星导航系统，提前一年完成全球覆盖，并且支持双向通讯报文服务[9]。

本方案定位终端采用嵌入式Linux操作系统，主机性能和工作效率明显优于android、ios等常见终端系统，平台运行效率高，其独特的内核处理机制可同时响应多条命令，启动更快，响应更及时，系统稳定性更高[10]。基于北斗等多星系的高精度定位，采用高精度解算定位主板，支持北斗﹑GPS﹑GLONASS等多星系融合算法，内置高品质螺旋天线，具有完善的多路径抑制技术和抗干扰技术。同时搭载全星座北斗GNSS定位高速传输网络，数据瞬时即达，支持NMEA-0183标准协议和TSIP数据格式。

集成高精度GNSS主板、专业高灵敏卫星天线、4G全网通模块﹑WIFI模式操控及数据传输、通用双向通讯蓝牙、高频电源板等于一体，且无缝接驳各平台的GNSS手持接收机本身具备分米级定位精度，通过对接千寻服务可以向厘米级定位精度优化，采用千寻知寸服务提供的伪距差分结合网络RTK定位，扩大差分服务范围，可将定位精度提升至厘米级。

3.3 多电子围栏生成技术

警戒区域电子围栏生成采用建立缓冲区的方式，平台可以自由设定缓冲区类型，圆形电子围栏通过设置圆心和缓冲区半径生成，线性电子围栏通过输入中心线坐标（或直接在地图上绘制折线）及缓冲区半径生成，多边形电子围栏描述边界坐标即可生成面状缓冲区。可同时设定多个电子围栏以满足业务需求。

根据国际铁路协会标准轨距1.435米，加上轨道两边各留出30厘米安全距离，则每条铁轨生成缓冲区半径为1米的线性电子围栏，围栏宽度约2米。

3.4 火车接近报警

利用多星联合定位和4G传输技术，对运行中的列车和作业人员进行定位，当作业人员处于轨道电子围栏内且该轨道有列车接近作业地点时，后台系统同时向机车和作业点发送语音报警信息，提醒机车乘务人员及时采取措施做好安全防护，提醒施工人员火车接近立即下道躲避，能够有效避免施工作业中的行车和人身安全事故。若监测到施工人员下道躲避，即做出响应越出电子围栏后系统即刻解除报警。

基于北斗的联合定位精度为亚米级，定位条件和卫星状况良好时可达厘米级，加之轨道电子围栏宽度约2m，本方案定位精度足够支撑人员所在列车轨道有火车接近时报警，人员处于相邻轨道则判断安全不会报警。

3.5 Socket即时通讯

设计并编码实现基于socket的Android移动终端实时即时通信系统，方便局域网、互联网下的铁路工作人员内部联络，为通信双方的数据提供了传输通道。实现施工员与施工员之间的通讯联络，以及管护员与现场施工人员的双向联动和通信，并能够及时上报并处理位置信息。Android终端实时传输到服务器， 服务器接收并保存。终端使用emit函数向服务器发送数据，使用on函数对接收的数据进行监听。socket初始化后，使用connect函数进行连接，断开网络重连后socket会自动重连。

4 系统性能指标

5 系统测试与应用

研发团队联系机组人员在兰州北站对本系统进行现场测试，确认达到以下目标：

（1）采集基准数据，利用GNSS接收机定位终端，采集施工路段每条铁轨的位置信息，并快速生成专用电子地图和相应轨道的电子围栏;

（2）一旦有携带定位装置的人员进入铁路线路区域立刻进行监测报警，并将人员位置、姓名、职名、单位等信息发送至监控中心;同时实现对人员厘米级定位和行动轨迹的实时追踪。

（3）定位监测列车与电子围栏内的作业人员处于同一轨道且距离接近到一定阈值时，终端循环播放报警语音，直至后台检测到作业人员已下道躲避，解除报警。

（4）通过轨迹回放、历史数据查询等功能为规范管理上道作业人员提供技术支持或对事故分析提供重要参考和依据。

基于高精度北斗联合定位的铁路施工安全预警系统目前应用于铁路工务现场，为铁路施工应急指挥提供实时定位和即时通信保障服务，能够有效减少或避免铁路施工现场人员与机车的冲突事故。

參考文献

[1]He Z，Zhang J，Li W H，et al.Improved Fault-Location System for Railway Distribution System Using Superimposed Signal[J].IEEE Transactions on Power Delivery， 2010， 25（3）：0-1911.

[2]Lin B.The Location-Allocation Model for Multi-Classification-Yard Location Problem in a Railway Network[J].2017.

[3]佚名.铁路卫星定位数据的智能处理[M].2014.

[4]肖维斯.物联网在铁路安全监控领域应用研究[D].2012.

[5]陈子叶.基于北斗的编组站作业监控管理系统研究与实现[D].2018.

[6]欧阳籽勃，陈云峰，宋志丹.基于高精度北斗组合定位电子围栏技术研究及应用[J].卫星应用，2019，85（01）：34-35+38-41.

[7]李养民.基于北斗施工安全防护系统研究与开发[J].电脑与电信 ·应用技术与研究，2018.

[8]洪世宽，黄泽志，赵一鹏，等.高精度定位手持终端的研发[J].中国新通信，2018， 20（12）：55-56.

[9]宋修德，邓卫东，李用，范虹，等.基于物联网的铁路施工安全综合防护系统设计及应用[J].铁路计算机应用，2017，第11期：36-40.

[10]秦健.基于北斗的铁路施工作业人员和车辆安全预警防护系统方案研究[J].计算机应用，2017，第9期：11-14.