劉世剛, 郭文新

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 鐵路運輸分公司，馬鞍山 243003；2 .成都勞杰斯信息技術(shù)有限公司，成都 610036）

企業(yè)鐵路可視化機車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉世剛1, 郭文新2

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 鐵路運輸分公司，馬鞍山 243003；2 .成都勞杰斯信息技術(shù)有限公司，成都 610036）

本文論述了DGPS技術(shù)和基于軌道信號的MESH無線網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)鐵路機車運行實時監(jiān)控方面的應(yīng)用。該應(yīng)用將MESH無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于企業(yè)鐵路機車運行實時監(jiān)控，并通過將鐵路信號和機車運行前方進路（道口或貨位等）視頻回傳、DGPS亞米級高精度定位等功能帶來的各類安全預(yù)警，使得企業(yè)鐵路機車運行實時監(jiān)控達到可視化。

機車運行；MESH網(wǎng)絡(luò)；視頻；DGPS；實時監(jiān)控

在我國冶金、鋼鐵、礦山、化工等行業(yè)存在著大量專用鐵路（企業(yè)自備鐵路），專用鐵路是企業(yè)生產(chǎn)組織的重要環(huán)節(jié)，是我國大中型企業(yè)主要的運輸方式，在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動中起著重要的作用。機車作為企業(yè)鐵路運輸生產(chǎn)的主要設(shè)備，它的運行和管理尤為重要和關(guān)鍵。

1 研發(fā)意義

基于MESH無線網(wǎng)絡(luò)和DGPS技術(shù)的企業(yè)鐵路可視化機車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱可視化機車監(jiān)控系統(tǒng)）的研發(fā)，對企業(yè)鐵路運輸生產(chǎn)具有重大意義。

（1）加大了作業(yè)機車的監(jiān)控力度。本系統(tǒng)為各站行車調(diào)度（區(qū)調(diào)）提供了管轄區(qū)域內(nèi)機車的位置、速度等數(shù)據(jù)，使行車調(diào)度隨時掌握各臺機車的作業(yè)進度，準確監(jiān)控每臺機車的作業(yè)，從而提高了鐵路運輸保產(chǎn)的能力。

同時基于MESH無線網(wǎng)絡(luò)通信的高帶寬實時機車監(jiān)控視頻的回傳及機車進路前方道口或貨位實際場景實時視頻的回傳[1]，對運輸生產(chǎn)調(diào)度指揮人員有極其重要的作用。

（2）提高機車的作業(yè)效率，減少機車使用臺數(shù)，降低運輸成本。本系統(tǒng)提供了一種嶄新的工作平臺，通過此平臺，鐵路行車總調(diào)度拓寬了監(jiān)控范圍?？烧驹谌值慕嵌?，指揮各站行車調(diào)度，使全部運輸機車都有效地運轉(zhuǎn)起來，達到對全部機車作業(yè)實施監(jiān)控的目的。另外，調(diào)度中心與機車實現(xiàn)了調(diào)度指令的無線傳輸，兩者結(jié)合大幅度提高了機車的作業(yè)效率。

（3）加強運輸機車作業(yè)標準化的監(jiān)督，減少行車事故的發(fā)生。本系統(tǒng)可以使機車作業(yè)人員自覺地按標準化進行作業(yè)，從而大幅度減少行車事故，并且為事故分析提供可靠的依據(jù)。

（4）“微機聯(lián)鎖+DGPS”形成雙保險。DGPS機車衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)與微機信號連鎖系統(tǒng)結(jié)合形成了安全的雙保險，除了顯示信號和軌道狀態(tài)外，同時顯示機車在軌道的準確位置，這樣就可有效地防止上述安全事故的發(fā)生。

（5）優(yōu)化鐵路行車組織。由于企業(yè)鐵路可視化機車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)可以對全部機車作業(yè)過程進行回放，并對每臺作業(yè)機車的作業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，從中發(fā)現(xiàn)機車作業(yè)過程中不合理的部分，從而改進各臺機車作業(yè)方案，實現(xiàn)優(yōu)化行車組織的目的。

2 開發(fā)要求

2.1 對機車運行進行實時跟蹤、定位和監(jiān)控

（1）在機車車載顯示屏上實時動態(tài)顯示本機車及所掛車輛在股道上的具體位置；（2）在機車車載顯示屏上實時動態(tài)顯示距離本車列行進方向最近信號機狀態(tài)和距離，系統(tǒng)要求距離誤差不大于3 m；（3）在機車車載顯示屏上實時動態(tài)顯示機車速度曲線。（4）機車運行動態(tài)軌跡及回放。

2.2 對機車調(diào)車作業(yè)時的安全進行預(yù)警及防護

（1）對機車冒進信號前，進行低頻和高頻兩級語音預(yù)警；（2）當車列行進前方為盡頭線時，進行語音低頻和高頻兩級語音預(yù)警；（3）當車列行進的速度超過了股道限速時，進行低頻和高頻兩級語音預(yù)警；（4）特殊區(qū)段限速控制。根據(jù)用戶使用要求，對需要限制速度的區(qū)段進行速度限制及預(yù)警；（5）測量車列長度，實時提供實際甩掛鉤驗證車輛數(shù)，實現(xiàn)錯誤摘掛車輛作業(yè)報警；（6）當檢測到機車出現(xiàn)闖紅燈、超速等情況時，可以對機車進行應(yīng)急制動控制。

2.3 其它功能

（1）機車車載終端可以與機車工況測控主機進行接口（RS232），采集記錄機車運行工況信息并進行回放，記錄內(nèi)容包括柴油機、制動系統(tǒng)等運行參數(shù)并在后臺形成曲線，可以與速度同步回放；（2）機車車載終端可以與物流跟蹤系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接口，接收處理相關(guān)數(shù)據(jù)；（3）機車車載終端具有打印輸出接口；（4）電子添乘的內(nèi)容可根據(jù)要求實時回傳到地面管理終端。

3 關(guān)鍵技術(shù)和要點

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)的選擇

MESH無線網(wǎng)狀網(wǎng)[2]，也稱為“多跳（multihop）”網(wǎng)絡(luò)[3]，是一種新型的基于WiFi 技術(shù)的無線城域網(wǎng)解決方案。它可以動態(tài)地創(chuàng)建新的鏈接和其它節(jié)點相連，且組網(wǎng)簡單、經(jīng)濟、可擴展，從而大幅度降低專網(wǎng)用戶或運營商網(wǎng)絡(luò)部署的成本和復(fù)雜程度。

在本系統(tǒng)中選擇Strix OWS產(chǎn)品系列，它具備如下特點：保證機車視頻監(jiān)控雙向傳輸所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬；機車高速移動和無線網(wǎng)絡(luò)快速切換；鐵路沿線Mesh基站具有極強的自愈能力；企業(yè)鐵路的惡劣環(huán)境要求極強的抗干擾性；網(wǎng)絡(luò)的可管理性。

3.2 GPS的定位精度

通常GPS的定位精度為5 m～10 m，而在企業(yè)專用鐵路的站場，5 m～10 m往往可以橫跨3～4條鐵路線路，并且線路軌間距為1.435 m，因此普通GPS的定位精度達不到機車運行監(jiān)控的要求。本項目利用差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Positioning System，簡稱 DGPS 或差分GPS），它是一種應(yīng)用于全球定位系統(tǒng)中用以提高民用定位精度的技術(shù)，可以提高局部范圍內(nèi)用戶的定位精度，利用這一方法可以將用戶的實時單點定位精度提高到亞米級。 本項目定位精度可達到0.45 M（CEP），完全適用于企業(yè)機車運行監(jiān)控。

3.3 工作原理

本系統(tǒng)不僅需要其各分系統(tǒng)間協(xié)同工作，還需要與計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、MESH網(wǎng)絡(luò)有機集成。系統(tǒng)主要工作原理如下：

DGPS基準站分系統(tǒng)的GPS接收天線架設(shè)在已知坐標的基準點（在調(diào)度中心樓頂）上，根據(jù)接收到的GPS信號及預(yù)先測定的基準點坐標解算出差分改正數(shù)，并實時地將差分改正數(shù)據(jù)通過MESH無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向車載分系統(tǒng)播發(fā)。實現(xiàn)GPS衛(wèi)星定位子系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。

車載分系統(tǒng)中的GPS接收機接收GPS差分改正數(shù)據(jù)和GPS衛(wèi)星信號，進行實時差分處理，得到所測機車的精確位置。

利用MESH網(wǎng)絡(luò)，不僅實現(xiàn)差分信息的播發(fā)和機車位置信息的回傳，同時還通過數(shù)據(jù)處理中心的中心處理軟件實現(xiàn)調(diào)度指令的雙向報文通信，并實現(xiàn)調(diào)度指令及相關(guān)視頻在各個機車、站場、調(diào)度中心間的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲。

3.4 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用C/S 模式結(jié)構(gòu)，選擇了基于GIS組件的集成二次開發(fā)方法，GIS組件選用MapX，高級語言選用Microsoft Visual Studio 2008，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)利用Microsoft SQL Server 2008。

3.5 主要數(shù)據(jù)處理流程

DGPS數(shù)據(jù)處理流程圖如圖1所示。

微機聯(lián)鎖、調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

圖1 DGPS數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2 微機聯(lián)鎖、調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)處理流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計分為3個部分：地面設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、機車車載終端。地面設(shè)備包括DGPS基站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口工控機、視頻服務(wù)、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)攝像機等。傳輸網(wǎng)絡(luò)包括企業(yè)局域網(wǎng)、MESH無線網(wǎng)絡(luò)。機車車載終端包括GPS接收機、車載電腦、車載視頻監(jiān)控攝像機、MESH網(wǎng)絡(luò)通信單元。企業(yè)鐵路可視化機車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖如圖3所示。

5 應(yīng)用效果

2012年10月，馬鞍山鋼鐵集團鐵路運輸公司對企業(yè)內(nèi)53臺機車陸續(xù)安裝了機車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)，完成了開發(fā)要求的所有功能，實現(xiàn)了對機車運行及司乘人員的安全作業(yè)監(jiān)控；機車動態(tài)軌跡記錄及回放；機車運行安全預(yù)警（信號和DGPS雙控模式）；機車運用統(tǒng)計；機車油耗管理等功能，達到了為企業(yè)鐵路運輸生產(chǎn)保駕護航的目的。

6 結(jié)束語

企業(yè)鐵路可視化機車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)、差分GPS、鐵路信號、視頻監(jiān)控、智能控制等技術(shù)開發(fā)的，該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用帶來全新的管理理念。其中部分成果已成功運用于馬鞍山鋼鐵集團、河北鋼鐵唐山分公司等大型企業(yè)，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 何明明，李立軍，劉 鋼. 機車電子添乘裝置在鐵路管理中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng) 新導(dǎo)報， 2011（29）： 50-51.

圖3 企業(yè)鐵路可視化機車運行實時監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖

[2] 方旭明. 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：人 民郵電出版社，2006.

[3] Mario Botsch. Polygon Mesh Processing[M]. AK Peters, Ltd, 2010.

[4] 潘云松，沈 濤. 行車和調(diào)車作業(yè)綜合信息遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2009，18（7）：48-50.

[5] 郭文新，張曉峰.專用鐵道可視化調(diào)車系統(tǒng)[J].鐵路計算機應(yīng)用，2007，16（2）：24-25.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Visual Locomotive Running Real Time Monitoring System for enterprise railway

LIU Shigang1, GUO Wenxin2
( 1. Railway Transport Branch, Maanshan Iron&Steel CO.,LTD, Ma,anshan 243003, China; 2. Chengdu Logistics Information Technology Co.,LTD, Chengdu 610036, China )

This paper discussed the application of DGPS technology and wireless MESH network to enterprise railway in locomotive running real time monitoring on the basis of track signal in detail. In this application, the MESH wireless network technology was used in locomotive running real time monitoring for enterprise railway. Through track signal and video of locomotive front route (crossing or location, etc), DGPS sub-meter precision positioning function, it was implemented the visual locomotive running real time monitoring for enterprise railway.

locomotive running; MESH network; video; DGPS; locomotive-ground joint control

U260.42∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0033-04

2014-06-19

劉世剛 , 工程師；郭文新，高級工程師。