帥建坤，姬青杉，趙裴，陸陽

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基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的鐵路施工安全報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

帥建坤1，姬青杉2，趙裴1，陸陽1

（1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710100；2.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司科研技術(shù)監(jiān)督所，甘肅 蘭州 730030）

綜合應(yīng)用北斗/GPS定位、地理信息系統(tǒng)、即時(shí)通信等現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)，集成開發(fā)基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的鐵路施工安全報(bào)警，提供電子圍欄監(jiān)管、報(bào)警分發(fā)、通信服務(wù)等一體化的解決方案。采用先進(jìn)的信息化的方法和GIS手段，充分利用北斗/GPS系統(tǒng)“定位+通信”的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控檢修人員及機(jī)車動(dòng)態(tài)位置，分析并實(shí)時(shí)下發(fā)命令，即時(shí)報(bào)警，滿足數(shù)字化建設(shè)、鐵路安全檢修的需求，同時(shí)，解決因信息傳遞滯后或信息阻隔對(duì)鐵路檢修人員造成的安全隱患問題。

GPS；WebGIS；鐵路檢修；高危事故

1 概述

鐵路檢修是高風(fēng)險(xiǎn)、高危事故高發(fā)的行業(yè)，尤其是機(jī)車進(jìn)出施工現(xiàn)場時(shí)，鐵路作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)更大，針對(duì)鐵路局的管轄特點(diǎn)，在鐵路施工人員作業(yè)時(shí)，存在以下兩方面的問題。

1.1 信息傳遞時(shí)效性差

鐵路局管轄區(qū)域具有局限性，無法做到施工人員位置的實(shí)時(shí)傳遞。隨著火車位置的逼近，若無法做到實(shí)時(shí)提醒現(xiàn)場施工人員及機(jī)車雙方的預(yù)警，危險(xiǎn)系數(shù)將進(jìn)一步增大。

1.2 無法精確感知檢修人員的位置

鐵路局的管轄范圍較大，作業(yè)區(qū)位置分散，因此，鐵路施工人員的具體作業(yè)位置、移動(dòng)軌跡等信息難以實(shí)現(xiàn)較為精確的監(jiān)控。

進(jìn)一步加強(qiáng)鐵路沿線施工安全防護(hù)[1]，確保作業(yè)安全，提高作業(yè)效率，是目前亟待解決的一個(gè)重要問題?；诋?dāng)前問題，本文充分利用北斗[2]/GPS系統(tǒng)“定位+通信”的特點(diǎn)，通過衛(wèi)星定位實(shí)時(shí)獲取鐵路施工人員及機(jī)車的位置信息，并在電子地圖上顯示，且在火車逼近時(shí)及時(shí)給鐵路施工人員及機(jī)車人員下發(fā)報(bào)警提示，有效避免減少事故的發(fā)生，同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)化[3]、數(shù)字化建設(shè)需求。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由外業(yè)采集終端、報(bào)警定位終端（支持北斗定位的Android智能終端）、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)組成。整個(gè)系統(tǒng)部署在指揮中心并顯示在大屏幕上，以GIS（地理信息系統(tǒng)）為基礎(chǔ)，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接收外業(yè)終端采集GIS信息，實(shí)現(xiàn)電子圍欄的自動(dòng)繪制，報(bào)警終端進(jìn)行北斗位置的上報(bào)，平臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行報(bào)警分析，判斷并下發(fā)報(bào)警指令，報(bào)警終端根據(jù)接收指令進(jìn)行語音報(bào)警。基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的鐵路施工安全報(bào)警系統(tǒng)部署如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)部署圖

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)平臺(tái)主要包括外業(yè)采集子系統(tǒng)、終端位置報(bào)警子系統(tǒng)、GIS業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)、即時(shí)通訊子系統(tǒng)。平臺(tái)組成圖如圖2所示。

2.3 外業(yè)采集子系統(tǒng)

采集終端用于采集作業(yè)區(qū)域GIS信息，計(jì)劃工作人員沿鐵路中線進(jìn)行點(diǎn)采集，將采集信息通過4G網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給平臺(tái)，平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)并根據(jù)相應(yīng)的閾值左右擴(kuò)大電子圍欄范圍進(jìn)行電子圍欄繪制，作為施工現(xiàn)場的電子圍欄。

圖2 平臺(tái)組成圖

2.4 終端位置報(bào)警子系統(tǒng)

基于Android系統(tǒng)的北斗智能終端載入報(bào)警子系統(tǒng)APP，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)賬號(hào)判斷角色（機(jī)車、作業(yè)人員）。登錄機(jī)車賬號(hào)的設(shè)備，作為機(jī)車終端用于機(jī)車報(bào)警。登錄作業(yè)人員的賬號(hào)作為施工作業(yè)人員終端，用于施工人員的安全報(bào)警。終端（機(jī)車、作業(yè)人員）通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)位置上報(bào)，同時(shí)，通過即時(shí)通信子系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收平臺(tái)下發(fā)的報(bào)警指令，進(jìn)行語音報(bào)警。

2.5 GIS業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)

包括用戶管理、機(jī)車信息管理、施工人員管理等；軌跡管理包括所有角色上報(bào)的位置信息管理、軌跡回放等；電子圍欄管理包括電子圍欄的設(shè)置、切換等；報(bào)警管理包括報(bào)警記錄的存儲(chǔ)、歷史報(bào)警查看等；地圖服務(wù)包括終端設(shè)備實(shí)時(shí)顯示、歷史軌跡的繪制、鐵路數(shù)據(jù)的疊加等。平臺(tái)根據(jù)機(jī)車、作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置及預(yù)設(shè)的電子圍欄，結(jié)合預(yù)設(shè)火車接近的報(bào)警閾值，自動(dòng)判斷機(jī)車接近電子圍欄及作業(yè)人員的報(bào)警決策，平臺(tái)會(huì)通過即時(shí)通信子系統(tǒng)，以不同命令進(jìn)行雙向報(bào)警同步下發(fā)。作業(yè)人員終端持續(xù)收到電子圍欄報(bào)警并提示聲音“火車接近，距離XX米”，直至退出電子圍欄之外，報(bào)警取消；機(jī)車終端同時(shí)收到接近報(bào)警，并提示聲音“前方施工，請(qǐng)注意減速慢行”，直至穿越電子圍欄報(bào)警取消。

2.6 即時(shí)通訊子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)終端與平臺(tái)、終端與終端實(shí)時(shí)通信，報(bào)警信息實(shí)時(shí)收發(fā)，保證報(bào)警信息的時(shí)效性，減小通訊信息的延遲。

3 關(guān)鍵技術(shù)

我國的北斗[4]導(dǎo)航系統(tǒng)完全可以支持鐵路施工實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，做到機(jī)車和作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，使列車在運(yùn)行過程中，及時(shí)被告知前方施工狀態(tài)，處理并規(guī)避危險(xiǎn)情況。同時(shí)，施工作業(yè)人員均能按規(guī)程正常操作，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。本系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)高精度定位技術(shù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[5]、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多技術(shù)于一體[6]，為鐵路檢修作業(yè)人員安全預(yù)警防護(hù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐和解決方案，構(gòu)建基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的鐵路施工[8]安全報(bào)警系統(tǒng)。

3.1 定位精度可靠性

鑒于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有開放、獨(dú)立自主、可兼容性、穩(wěn)定和覆蓋廣的特點(diǎn)并可在全天候、全天時(shí)為用戶提供高精度、高可靠性服務(wù)，定位精度優(yōu)于10 m，授時(shí)精度優(yōu)于20 ns[7]等特點(diǎn)，定位終端采用內(nèi)設(shè)高精度定位北斗移動(dòng)Android終端，采集機(jī)車、人員、電子圍欄的高精度定位信息，提高定位的可靠性。

3.2 外業(yè)采集系統(tǒng)

利用高精度的北斗衛(wèi)星定位技術(shù)[9]，設(shè)計(jì)基于GIS的外業(yè)采集子系統(tǒng)，存儲(chǔ)并處理相關(guān)GIS屬性信息。實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳輸，實(shí)現(xiàn)電子圍欄的自動(dòng)繪制，提高電子圍欄精準(zhǔn)度。

3.3 GIS應(yīng)用

GIS應(yīng)用[9]是整個(gè)系統(tǒng)展示分析的核心模塊之一，功能主要有二維Web地圖模塊、用戶管理、報(bào)警分析模塊、空間輔助報(bào)警模塊等。其中，二維Web地圖模塊主要提供電子地圖的快速定位、檢索、鐵路數(shù)據(jù)的疊加、終端位置實(shí)時(shí)顯示、軌跡回放等。報(bào)警分析模塊提供報(bào)警智能決策等。GIS業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)功能圖如圖3所示。

圖3 GIS業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)功能圖

3.4 即時(shí)通信

即時(shí)通信系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，是一種基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)送和接收互聯(lián)網(wǎng)信息的一種交互方式，應(yīng)用于報(bào)警終端與平臺(tái)，位置報(bào)警終端與位置報(bào)警終端間的數(shù)據(jù)傳輸與接收，確保機(jī)車接近報(bào)警及電子圍欄報(bào)警雙向報(bào)警的同步性，盡量減少通訊網(wǎng)絡(luò)的延遲。

3.5 應(yīng)用實(shí)例

基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的鐵路施工安全報(bào)警系統(tǒng)在蘭州鐵路段進(jìn)行試驗(yàn)，主要功能可分為外業(yè)、監(jiān)管和報(bào)警。

外業(yè)采集子系統(tǒng)將采集的電子圍欄信息上報(bào)給監(jiān)管平臺(tái)。監(jiān)管平臺(tái)可以通過接入網(wǎng)關(guān)適配接入的不同協(xié)議的終端，并采集處理已接入終端的實(shí)時(shí)位置與狀態(tài)信息，將終端位置狀態(tài)信息以內(nèi)部協(xié)議格式通過即時(shí)通信的方式，以設(shè)置的自定義的時(shí)間間隔推送至GIS業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)進(jìn)行空間輔助報(bào)警分析，比如火車接近報(bào)警、電子圍欄報(bào)警等。

GIS業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)通過即時(shí)通信推送至終端報(bào)警、前端Web地圖報(bào)警展示，并調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化及緩存。

3.6 現(xiàn)場試驗(yàn)

針對(duì)項(xiàng)目的真實(shí)性，本次試驗(yàn)采用蘭州鐵路蘭州西站到蘭州站往返車次進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)工作表

試驗(yàn)序號(hào)試驗(yàn)對(duì)象試驗(yàn)計(jì)劃說明 1定位，電子圍欄定位及電子圍欄設(shè)置定位精度驗(yàn)證 2報(bào)警電子圍欄報(bào)警報(bào)警功能驗(yàn)證 3報(bào)警火車接近報(bào)警報(bào)警功能驗(yàn)證

步驟：①平臺(tái)設(shè)置電子圍欄，采集終端沿鐵路沿線采集數(shù)據(jù)，上傳平臺(tái)，驗(yàn)證電子圍欄設(shè)置功能；②施工人員選取施工角色用戶登錄報(bào)警終端，圍繞電子圍欄設(shè)置區(qū)域進(jìn)行環(huán)繞行走，測試人員定位的準(zhǔn)確度。

3.7 報(bào)警功能

步驟：①設(shè)置機(jī)車接近報(bào)警閾值（該范圍內(nèi)，機(jī)車接近報(bào)警）；②施工人員登錄施工角色APP，在指定電子圍欄區(qū)域內(nèi)施工活動(dòng)；③機(jī)車人員登錄機(jī)車角色APP，并乘坐蘭州西站—蘭州站往返列車，列車接近施工人員，測試電子圍欄和機(jī)車接近雙向報(bào)警功能。

3.8 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)的實(shí)施檢測在經(jīng)過數(shù)次測試修改迭代的基礎(chǔ)上，功能點(diǎn)達(dá)到預(yù)研要求。人員定位經(jīng)過數(shù)次的試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到誤差范圍在5 m內(nèi)；火車接近預(yù)警及電子圍欄報(bào)警均能達(dá)到預(yù)期的可接受的理想范圍內(nèi)。

此應(yīng)用為鐵路檢修應(yīng)急指揮提供實(shí)時(shí)定位及即時(shí)通信保障服務(wù)，建立基于定位及即時(shí)通信于一體的鐵路安全施工指揮調(diào)度系統(tǒng)，能有效地避免或減少事故發(fā)生，降低施工危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有施工維修計(jì)劃、管理模式、組織結(jié)構(gòu)及流程等進(jìn)行了詳細(xì)分析，并結(jié)合我國鐵路具體路情和現(xiàn)代組織管理學(xué)理論，設(shè)計(jì)了施工維修計(jì)劃管理方式，加入施工管控功能，使其滿足實(shí)際工作需求。

經(jīng)過現(xiàn)場及模擬場景的測試、定位，電子圍欄的繪制、報(bào)警決策等功能均能達(dá)到預(yù)期效果。在鐵路檢修時(shí)，利用該系統(tǒng)提供的輔助報(bào)警決策功能，實(shí)現(xiàn)電子圍欄報(bào)警及火車接近報(bào)警，對(duì)機(jī)車和作業(yè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向報(bào)警，有效避免或減少鐵路施工事故的發(fā)生，達(dá)到了高效、安全施工的目的。

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2095－6835（2019）03－0141－03

U215.8

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.141

〔編輯：張思楠〕