基于网络地图的铁路大机作业导航系统设计

王有能 李浩标 王 胜 郑旭东 张献州

(1.中国铁路上海局集团有限公司徐州工务段,江苏徐州 221000; 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院,成都 611756; 3.中国铁路上海局集团有限公司,上海 200071)

1 概述

为确保线路的平顺性与列车运行的安全性,需要对线路进行定期养护维修[1]。捣固车是大型养路机械中的一种,是目前我国有砟线路养护维修中的必备设备,可以用来调整轨道几何状态[2-3]。在进行有砟轨道大机捣固作业时,大机以出发点里程信息为基准,使用大机里程编码推算大机当前所在线路里程位置信息。但是在使用过程中,往往存在起始里程不准确、大机里程编码错误等问题,导致大机作业不能准确定位,从而造成大机实际作业段和方案段存在偏差,影响大机作业效率。另外,大机作业方案多根据现场作业里程区段人工手动生成,人为参与较多,不利于信息化管理。

近年来,随着GIS电子地图、GNSS定位技术以及移动智能设备的迅速发展,GNSS实时定位结果和GIS电子地图相结合的位置服务技术逐渐从应用较为成熟的服务业领域进入工程领域。黄贝将奥维地图应用于云南省森林资源二类调查中,提高了野外调查设计的精度及作业效率[4];王江宇等将奥维地图应用于油气管道勘察工程中,提高踏勘选线的工作效率[5]。在铁路工程方面,王瑞等利用导航电子地图技术,提高线路设计的合理性,减少实地踏勘的成本和工作量[6];骆建将GIS技术与智能电子地图相结合,改善传统的铁路选线模式,节约了成本[7]。尽管GIS电子地图、GNSS定位技术以及Android等移动智能设备在工程领域已有较多应用,但在铁路的运营维护方面,研究应用尚不成熟。为了准确指导大机作业,将信息化平台、Android系统和高德地图相结合,以轨道线路基础数据和GNSS定位信息为基础,以期对大机方案实现自动优化。

2 关键技术

2.1 网络地图

目前,应用较为广泛的网络地图有高德地图、百度地图、谷歌地图等。由于高德地图基础数据相对丰富,且使用的是中国国家测绘局制订的地理信息系统的坐标系统“GCJ02”坐标系,故基于高德地图进行研究。高德地图API是高德软件有限公司为开发者免费提供的一套基于高德地图的应用程序接口,包括JavaScript、iOS、Andriod、静态地图、Web服务等多种版本,系统使用的是Android版。高德地图Android SDK是一套基于Android 4.0及以上版本设备的应用程序接口,使用该套SDK可以实现自定义导航或调用地图导航。

2.2 Android系统

Android系统是基于Linux的开源操作系统,作为全球第一大移动终端平台,它是主流智能设备的首选系统[8]。Android系统架构分为4层,从下到上分别是Linux内核、核心类库、应用程序框架层、应用程序层;每层专注于自己提供的服务,下层为上层提供服务[9]。

2.3 移动定位

网络地图导航定位方式主要有GNSS定位、基站定位、WiFi定位等[10]。除此之外,在小范围还可以利用蓝牙、传感器等进行辅助定位[11]。

(1)GNSS主要由在轨道上运行的卫星、地面监控部分和用户设备构成[12]。用户设备捕获卫星信号,根据卫星信号传播时间和导航电文计算出当前位置。GNSS定位的优势在于不需要连接网络,只需在户外就可以实现高精度、高可靠的定位,其定位精度为3～10m,定位时间小于1s,可用性为80%。

(2)基站定位是一种基于数据流量的定位方式[13]。用户设备搜索周围的基站信号,自动从周围信号中选择最强连接[14]。由于信号很容易受到干扰,距离基站的远近决定信号的强弱,一般情况下,其定位精度大致在150～200m。

(3)WiFi定位是将WiFi设备的MAC地址发送到位置服务器,服务器计算出设备的地理位置并返回到用户设备[15]。WiFi热点的覆盖范围仅有几十米,可其定位精度范围为1～5m,定位时间在1s以内,可用性为99.8%[16-17]。

由于目前部分铁路线路周边缺少基站和WiFi设备,故综合考虑各方面因素,GNSS定位适用于大机作业导航系统。

2.4 大机作业方案搭接

目前,大机作业在一个天窗内只能作业很小区段,所以每次作业前都需根据现场作业里程区段,人工手动生成指定区间局部方案。为实现大机作业方案信息化管理,需要将不同区段的作业方案进行全线统一化搭接,其搭接的算法流程具体如下。

(1)将新入数据排序后,找到搭接起点和搭接终点,小里程方向第一个点为前搭接点,大里程方向最后一个点为后搭接点。

(2)遍历原有数据,分别找前、后搭接点。若只找到前搭接点或只找到后搭接点,则对数据一侧进行搭接处理;若同时找到前、后搭接点,则数据两侧都需要搭接处理。

(3)只需要一边进行搭接时,判断D×Ci>0是否满足,如果满足,则前计算点的横向偏差修正后的值为A+Ci,并顺序继续下一个点的计算;如果D×Ci≤0,则自动退出,后续点不再进行修正。其中,导入数据起点(起道量B)搭接到前搭接点(起道量A)或导入数据最后一个点(起道量B)搭接到后搭接点(起道量A),则修正值D=A-B,其他点修正值Ci=D±P×|K-K0|(D≤0取正,D>0取负),P为平顺性变化率,通常取值P=1/600000,K为当前搭接点里程,K0为搭接起点里程。

(4)如果两边同时需要搭接,从前搭接点开始,按照步骤(3)进行计算;如果未到后搭接点计算退出,则需要从后搭接点开始向前搭接点开始进行计算。只有两边搭接计算都合格后退出计算。

其主要搭接处理方法如下。

(1)替换搭接:在所有需要替换搭接的数据中,使用“后入为主”进行数据搭接处理。重复区段使用新入数据替换原有数据,新增区段直接使用新入数据。

(2)平顺搭接:不能直接替换需要搭接部分,需要按一定规则进行平顺处理。若新入数据与一侧数据存在搭接,则根据平顺比例自动向前或向后顺接;若新入数据与原有两侧数据存在搭接,则根据平顺比例先从前搭接点向后搭接点平顺,若未平顺到后搭接点时需要从后搭接点向前搭接点平顺,直至满足平顺性要求。若新入数据里程范围较大,部分区段数据已经使用,则单侧搭接和双侧搭接同时存在,需根据实际情况拆分数据进行搭接操作。

3 系统设计

基于网络地图的大机作业导航系统基本结构如图1所示,分为外网和内网两个网段。内外业分别对应内业大机方案制作人员和外业大机捣固操作人员,承担不同的功能任务。内网主要用于方案制作人员需要将线路基础数据和方案数据上传到服务器并定期维护数据;外网主要用于现场操作人员根据自己作业需求,将所需作业基本情况发送到服务器,服务器根据作业线路、作业里程区段等信息自动生成方案,将数据下载至移动终端,再将方案拷贝到捣固车上指导大机作业。

图1 系统基本结构

系统由Web服务器、数据库服务器、通信服务器三大服务器和web客户端、C/S客户端、Andoroid移动端三部分客户端组成。其主要功能如表1所示。

表1 系统组成与功能

3.1 系统数据结构设计

系统以java为开发语言,以MVP+Dagger2+RxAndroid+Retrofit+Butterknife为开发框架,采用json对象进行数据传输[18],其数据库由用户信息、线路信息、线路点信息和作业基本信息组成。用户信息分为用户名、密码、开始时间和结束时间等。线路信息分为铁路线标识ID、铁路线编码、铁路线名称、线路行别和线路长度。线路点信息分为线路编码、分带ID、贯通里程、点运营里程、经度和纬度。作业基本信息分为作业名称、作业编码、作业行别、作业用户、起始贯通里程、终止贯通里程、起始运营里程、终止运营里程、作业起始时间、作业结束时间和备注。系统本地缓存线路数据,当线路数据保存超过期限后自动删除。

3.2 平台功能模块设计

(1) 数据搭接模块

一般情况下,一条线路的大机作业方案是整条线路或者一定长度区间一次性生成的。为了避免每个作业都需要人工生成方案后再下发到大机段进行实施,根据实际工程将以线路区段命名生成的线路基础数据和方案数据上传至服务器。平台保存并显示区段基本信息,然后根据上传数据读取导入数据区间,自动进行区段数据搭接处理,其流程如图2所示。

图2 数据搭接处理流程

(2)信息管理模块

为便于区间信息基本管理,在平台上可对各条线路按名称或里程的方式进行相应的进度查询、方案上传与查询、方案拼接结果图形化展示。在首页中展示方案拼接范围和已经作业范围数据数据进度信息(包括CPⅢ、曲线、方案数据)。查询方案表和工程表对应视图得到已经上传方案进度,查询作业区间展示已经完成区间图,查询结果如图3所示。根据工程上传方案数据,显示每次区段数据记录,记录每次上传数据基本信息,并可以查询上传区间表,如图4所示。平台能实现整条线路的搭接方案拼接,并进行可视化展示,结果如图5所示。

图3 作业进度展示

图4 作业方案查询

图5 方案拼接结果

3.3 APP功能模块设计

(1) 用户登录模块

用户登录模块是系统的入口。访问系统前,用户需要输入已注册的用户名和密码进行身份验证[19]。如果验证失败,系统会进行相应提示;如果验证通过,系统会根据当前登录用户的权限显示对应的权限菜单[20]。为了统一管理访问线路数据用户信息,保证线路数据安全性,系统需要储存用户访问数据日志信息。

(2) 数据下载模块

当线路进行大机作业前,用户登录移动终端,根据当前作业线路下载线路捣固方案所有数据到本地,系统将以图形化形式显示下载的起、拨道量数据,如图6所示。根据所需作业区段和现场线路实际情况,进行局部区域方案优化后重新生成方案。当作业完成后上传作业完成情况,系统记录已捣固区间信息,第二次进行区间作业时不能再次下载该区间数据。

图6 数据下载模块

(3)线路展示模块

默认情况下高德、百度等第三方地图提供商提供的地图都是经过一定加密偏移,线路和其真实位置存在较大偏差,并且第三方地图上的铁路线数据是矢量化的数据,不是根据线路设计数据计算生成得到。为此,系统使用铁路LKJ数据中线路基础数据、线路分带数据计算到经纬度后加密将线路展示在地图中,使用自定义数据导航。如图7所示,自定义生成线路数据的平滑性更符合实际线路情况。

图7 自定义生成铁路线路

(4)线路导航模块

用户选择线路目标点和起始点(默认情况下视为当前GNSS定位位置),系统自动生成当前点到线路目标点的导航线路。其具体流程是以GNSS定位位置为起点,用户选择点为目标点,下载的整条线路为导航线路参照,查找整条线路上离GNSS定位位置最近的第一个点,将GNSS点和该点相连,然后连接查找的最近线路点到线路目标点,则生成整个导航线路。根据GNSS定位数据实时更新导航线路,到达线路目标点附近位置时提示大机位置离线路目标点的距离,导航过程可开启语音播报功能,导航结束后弹出提示,退出导航页面。

4 结语

大机作业导航系统是集Android移动终端与信息化平台于一体,使用高德地图API设计而成。该系统包括实时定位、地图展示、大机作业方案搭接、数据管理和导航等功能。系统实现了大机作业方案的自动化搭接与线路里程的准确定位,减少了人工犯错,提高了在有限天窗时间内铁路线路快速维护的作业效率与精度,降低了线路维护成本,具有较强的实用价值。