李養(yǎng)民

（京廣鐵路客運(yùn)專線河南有限責(zé)任公司，北京 豐臺(tái) 100070）

1 引言

隨著鐵路運(yùn)營(yíng)速度的提升和高速鐵路的快速發(fā)展，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)條件產(chǎn)生了根本性的變革，列車(chē)的行駛速度越來(lái)越快，間隔越來(lái)越短。作為鐵路通信信號(hào)施工企業(yè)，承擔(dān)了大部分鐵路既有線路的改造與施工，在這種狀況下，如果在施工工程中出現(xiàn)瞭望不及時(shí)，就可能出現(xiàn)重大的安全事故，甚至危及生命。安全防護(hù)在鐵路既有線路施工中是至關(guān)重要的，因此，本文提出了基于北斗施工安全防護(hù)系統(tǒng)，施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員位置和活動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦越過(guò)安全區(qū)域，對(duì)施工人員進(jìn)行聲音和震動(dòng)提醒，同時(shí)也可在移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)和后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員的安全防護(hù)。

2 基于北斗施工安全防護(hù)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于北斗施工安全防護(hù)系統(tǒng)，采用了可穿戴設(shè)備和北斗定位技術(shù)。施工人員佩戴的穿戴設(shè)備，把北斗定位系統(tǒng)提供的所處坐標(biāo)，通過(guò)GPRS公網(wǎng)通信，傳輸位置坐標(biāo)信息到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)安全施工區(qū)域的劃定和RTK差分定位，對(duì)施工人員活動(dòng)進(jìn)行判定是否越界。實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員位置的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并根據(jù)人員位置與施工安全防護(hù)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)判斷，一旦越過(guò)安全區(qū)域，對(duì)施工人員進(jìn)行聲音和震動(dòng)提醒，同時(shí)也支持移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)和后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)，方便現(xiàn)場(chǎng)人員和項(xiàng)目部值班人員掌控現(xiàn)場(chǎng)施工情況。

施工人員可穿戴設(shè)備與防護(hù)系統(tǒng)建立連接，回傳位置數(shù)據(jù)和接收指令信息；現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)人員配置平板電腦，作為移動(dòng)監(jiān)控終端，通過(guò)APP上的移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)可以管理安全區(qū)域，同時(shí)觀察人員位置信息和越界告警；項(xiàng)目部值班人員，可通過(guò)監(jiān)控電腦，登入Web端的后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員的全過(guò)程位置監(jiān)控，同時(shí)以計(jì)劃管理、電子圍欄監(jiān)控等輔助手段，達(dá)到施工安全的監(jiān)控與管理的目的。系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于北斗施工安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成圖

整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于北斗施工安全防護(hù)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能

基于北斗施工安全防護(hù)系統(tǒng)，主要功能包括：實(shí)時(shí)查看施工人員位置和活動(dòng)軌跡，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工情況；一旦越出安全區(qū)域，進(jìn)行聲音和震動(dòng)提醒。系統(tǒng)整體包括高精度可穿戴設(shè)備、差分站、移動(dòng)監(jiān)控終端、移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和后臺(tái)服務(wù)器監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

(1)后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)和移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，功能主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)布告警信息、劃定安全區(qū)域、歷史軌跡回放，保存歷史報(bào)警信息、施工計(jì)劃調(diào)度、數(shù)據(jù)服務(wù)、設(shè)備遠(yuǎn)程管理、用戶權(quán)限管理、大數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析等，后端服務(wù)器最大并發(fā)接入量十萬(wàn)，處理間隔在毫秒級(jí)。

(2)可穿戴設(shè)備，采用了一款亞米級(jí)的高精度穿戴設(shè)備，采用了雙星單頻差分定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)分米級(jí)的定位精度，有效抵消星鐘、星歷、電離層、對(duì)流層等因素產(chǎn)生的誤差。實(shí)現(xiàn)了鐵路施工過(guò)程中，對(duì)線路上下行的區(qū)分，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)施工人員位置的準(zhǔn)確定位和安全防護(hù)。

(3)差分基準(zhǔn)站，結(jié)合高精度定位差分基準(zhǔn)模塊和移動(dòng)定位技術(shù)，配合差分服務(wù)器，可以與可穿戴設(shè)備連接通信，交互差分?jǐn)?shù)據(jù)，利用已知坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷計(jì)算出觀測(cè)值的校正值，并通過(guò)公網(wǎng)服務(wù)器，將校正值下發(fā)給可穿戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高精度定位功能。

(4)移動(dòng)監(jiān)控終端，采用大屏終端，運(yùn)行安卓操作系統(tǒng)，采用4G通信。方便現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員對(duì)施工人員的位置和活動(dòng)進(jìn)行定位，通過(guò)公網(wǎng)回傳和下載數(shù)據(jù)，運(yùn)行移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)劃定安全區(qū)域、人員實(shí)時(shí)位置監(jiān)控、人員越界報(bào)警、人員活動(dòng)軌跡回放、保存歷史報(bào)警信息等主要功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員的安全防護(hù)和精準(zhǔn)管理：

(1)多平臺(tái)轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)采用了跨平臺(tái)的監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)置，采用B/S框架，可以實(shí)現(xiàn)在中控室的PC機(jī)的Web端的監(jiān)控平臺(tái)，方便多臺(tái)設(shè)備的遠(yuǎn)端登入，同時(shí)查看。同時(shí)，開(kāi)發(fā)安卓平臺(tái)的APP，可以在移動(dòng)平板和手機(jī)上安裝APP，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的人員管理。

(2)通用協(xié)議應(yīng)用

本系統(tǒng)可穿戴設(shè)備與后臺(tái)服務(wù)器之間的協(xié)議采用通用的JT808協(xié)議，應(yīng)用于軌道交通運(yùn)輸領(lǐng)域，采用JT808協(xié)議，可以方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、時(shí)間、方向等數(shù)據(jù)的提取，同時(shí)也對(duì)高精度設(shè)備進(jìn)行指令的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)告警功能，聲音和震動(dòng)提醒。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理

本系統(tǒng)是針對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的施工區(qū)域進(jìn)行管理，通信量和處理量巨大，在數(shù)據(jù)庫(kù)配置方面，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)，配置了通信服務(wù)器、處理服務(wù)器、web服務(wù)器、分析服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器，滿足服務(wù)器記錄工作日志、人員活動(dòng)數(shù)據(jù)、告警和警示信息、告警警示推送和確認(rèn)信息，記錄數(shù)據(jù)保留30天。實(shí)時(shí)對(duì)告警信息、警示信息、操作日志、人員活動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

(4)安全區(qū)域判定算法

對(duì)于區(qū)域判定算法，采用引射線法，從待判定點(diǎn)出發(fā)作一條射線，計(jì)算射線與安全區(qū)域封閉邊界的交點(diǎn)數(shù)目。如果交點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則為區(qū)域內(nèi)部，如果有奇數(shù)數(shù)個(gè)交點(diǎn)，則說(shuō)明在區(qū)域外部。

判斷兩線相交的公式如下：

(xi,yi),(xi+1,yi+1)為邊界兩側(cè)的點(diǎn)；(x0,y0)為邊界的點(diǎn)。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

本系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位技術(shù)和可穿戴設(shè)備，為鐵路施工中施工人員的安全防護(hù)配套應(yīng)用場(chǎng)景。

(1)軌旁設(shè)備施工安全預(yù)警應(yīng)用

施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，把北斗定位系統(tǒng)提供的所處坐標(biāo)，通過(guò)GPRS公網(wǎng)通信，傳輸坐標(biāo)信息到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)安全施工區(qū)域的劃定和RTK差分定位，對(duì)施工人員活動(dòng)進(jìn)行判定是否越界。當(dāng)越界，后臺(tái)服務(wù)器向手環(huán)發(fā)起警示，提醒佩戴手環(huán)的施工人員手環(huán)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)平板和遠(yuǎn)端后臺(tái)，都可查看現(xiàn)場(chǎng)情況，顯示人員位置和信息，追蹤人員行動(dòng)軌跡和保存歷史報(bào)警信息。

(2)軌跡回放應(yīng)用

施工人員佩戴可可穿戴設(shè)備，每秒向服務(wù)器上報(bào)一次位置。服務(wù)器對(duì)人員定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合位置和時(shí)間，可通過(guò)查詢?nèi)藛T軌跡，回放施工人員在施工過(guò)程中的位置和運(yùn)動(dòng)速度，方便對(duì)施工人員的施工進(jìn)度和運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)施工人員的精確監(jiān)督和管理。

(3)人員心率監(jiān)控應(yīng)用

施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，向服務(wù)器上報(bào)心跳監(jiān)測(cè)信息，服務(wù)器接收心跳監(jiān)測(cè)信息并進(jìn)行處理。若心跳信息異常，則將告警信息發(fā)送給可穿戴設(shè)備和管理終端，設(shè)備接收到報(bào)警信息，進(jìn)行告警提醒，管理終端顯示報(bào)警狀態(tài)并進(jìn)行聲音和震動(dòng)提示；心跳信息恢復(fù)正常后，服務(wù)器發(fā)出告警取消指令，設(shè)備接收告警取消命令，停止告警提醒，管理終端消除報(bào)警狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在鐵路線施工中，采用北斗定位技術(shù)、可穿戴設(shè)備和后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理。后臺(tái)服務(wù)器用北斗定位坐標(biāo)，劃定電子圍欄。施工人員佩戴可穿戴設(shè)備，可穿戴設(shè)備把北斗定位系統(tǒng)提供的所處坐標(biāo)，通過(guò)公網(wǎng)通信，傳輸坐標(biāo)信息到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)安全施工區(qū)域的劃定，對(duì)施工人員活動(dòng)進(jìn)行判定是否越界。移動(dòng)管理終端接收可穿戴設(shè)備位置信息，并在屏幕上顯示人員分布，同時(shí)后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)也顯示人員信息和位置信息。服務(wù)器實(shí)時(shí)處理可穿戴設(shè)備的位置信息，若可穿戴設(shè)備位置超出工作區(qū)域，則向可穿戴設(shè)備和管理終端發(fā)出告警信息，管理終端顯示報(bào)警狀態(tài)并進(jìn)行聲音和震動(dòng)提示，可穿戴設(shè)備接收服務(wù)器發(fā)出的告警信息，進(jìn)行告警提示。監(jiān)控平臺(tái)界面，如圖3。基于北斗施工安全防護(hù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可增強(qiáng)鐵路通信信號(hào)施工過(guò)程中的安全性、可靠性、可控性，有效地解決現(xiàn)有鐵路施工過(guò)程中施工人員的安全防護(hù)，為鐵路既有線施工人員安全提供科學(xué)的保障。

圖3 后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)界面