劉建軍，楊文韜，劉 冰，張義川，吳 昊

（1．中鐵集裝箱運(yùn)輸有限責(zé)任公司 信息統(tǒng)計(jì)部，北京 100055；2．中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；3．中鐵集裝箱運(yùn)輸有限責(zé)任公司 武漢分公司，湖北 武漢 430071）

1 鐵路集裝箱定位數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換

隨著近幾年低功耗芯片、節(jié)能控制及高性能電池技術(shù)的進(jìn)步，有源定位追蹤器向體積更小、續(xù)航時(shí)間更長的方向發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)[1-2]。鐵路集裝箱定位管理系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、地理信息技術(shù)和全球定位技術(shù)，依托安裝在集裝箱上的有源定位追蹤器，實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)的全天候?qū)﹁F路集裝箱位置信息實(shí)時(shí)掌控，滿足現(xiàn)代物流對貨物實(shí)時(shí)追蹤的需要。有源定位追蹤器支持衛(wèi)星定位和基站定位，將每次采集到的相關(guān)衛(wèi)星或基站實(shí)時(shí)定位信息回傳至系統(tǒng)監(jiān)控中心，系統(tǒng)監(jiān)控中心將原始定位信息轉(zhuǎn)換為鐵路位置信息，這種關(guān)聯(lián)是通過將原始的經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換、糾偏處理和地圖投影，最終轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)GIS地圖中的鐵路位置信息來實(shí)現(xiàn)。鐵路集裝箱定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。定位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，通過研究系統(tǒng)基站庫創(chuàng)建方案、基站定位下的糾偏運(yùn)算及交叉或鄰近線路糾偏錯(cuò)誤處理等關(guān)鍵技術(shù)，有效解決鐵路集裝箱定位管理系統(tǒng)中的鐵路定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，為實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性、高實(shí)時(shí)性的鐵路集裝箱追蹤提供技術(shù)借鑒。

圖1 鐵路集裝箱定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Fig.1 The container location data transfer process

2 鐵路集裝箱定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基站定位解析數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

雖然衛(wèi)星定位可方便直接地得到經(jīng)緯度，但是在鐵路運(yùn)輸過程中，經(jīng)常會(huì)經(jīng)過隧道、涵洞、雨棚、倉庫等很多衛(wèi)星無法定位的地方，此種條件下基站定位是一個(gè)不錯(cuò)的補(bǔ)充方式[3]。由于基站定位回傳的僅是基站相關(guān)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度等信息，需要有基站解析庫的支持才可以轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息，為了保證基站解析的穩(wěn)定可靠，鐵路集裝箱定位系統(tǒng)應(yīng)建立自己的基站定位解析數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)的基站定位大多是通過采集3個(gè)以上基站編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度等信息后通過后臺(tái)服務(wù)器利用三角定位的方式解析出經(jīng)緯度位置，這種方式需要后臺(tái)服務(wù)器端有大量詳細(xì)的基站經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，詳細(xì)的基站經(jīng)緯度坐標(biāo)一般由電信運(yùn)營商掌握，不易獲取，部分程度上限制了某些行業(yè)的應(yīng)用[4]。單點(diǎn)基站定位解析數(shù)據(jù)庫方式無需復(fù)雜的解析算法，速度快，精度相對較低，由于鐵路集裝箱運(yùn)輸?shù)亩ㄎ徊恍枰貏e精準(zhǔn)的定位精度，可以采用單點(diǎn)基站位置代替請求終端位置的方法來建立基站定位解析數(shù)據(jù)庫，大部分第三方基站服務(wù)提供商均采用此種方式[5]。因此，可通過以下方式來建立和擴(kuò)展適合自己使用的單點(diǎn)基站定位解析數(shù)據(jù)庫。

（1）在集裝箱運(yùn)輸過程中，使用有源定位追蹤器采集衛(wèi)星定位信息，與聯(lián)網(wǎng)注冊基站信息進(jìn)行匹配后加入到本地基站庫中。衛(wèi)星定位信息方法建立的基站數(shù)據(jù)庫非常符合鐵路集裝箱運(yùn)輸定位特點(diǎn)，但是如果還有多次定位追蹤器在同一地點(diǎn)產(chǎn)生的定位數(shù)據(jù)，則無需更新基站庫。衛(wèi)星定位信息添加基站庫流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星定位信息添加基站庫流程Fig.2 The adding process of satellite location information to base station library

（2）通過請求第三方的基站庫進(jìn)行查詢，得到的數(shù)據(jù)存入本地基站庫中。基站定位信息方法需要對得到的基站定位數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選判斷，主要判斷方式就是其第三方基站庫返回的模擬位置與上次定位位置之間的距離，是否超過貨車最高速度乘以2次定位時(shí)間(給出適當(dāng)?shù)挠嗔?的距離。如果不超過則存入本地基站庫，超過則舍去?；径ㄎ恍畔⑻砑踊編炝鞒倘鐖D3所示。

在中歐班列鐵路集裝箱定位系統(tǒng)和定位追蹤器的研發(fā)過程中，采用上述2種方式采集中歐班列基站定位信息，建立了基站定位解析數(shù)據(jù)庫，通過將近一年的數(shù)據(jù)采集，基站定位庫的數(shù)據(jù)達(dá)到72 839條，解析成功率達(dá)到80.4%以上，基本能夠滿足中歐班列沿線國內(nèi)外基站定位數(shù)據(jù)的解析。

圖3 基站定位信息添加基站庫流程Fig.3 The adding process of basestationlocation information to base station library

2.2 定位數(shù)據(jù)的糾偏運(yùn)算

無論是采用衛(wèi)星定位還是基站定位的方式，由于定位精度的問題，其原始定位點(diǎn)都會(huì)偏移鐵路線，為了能夠很好地投影顯示到鐵路地圖上，需要進(jìn)行強(qiáng)制糾偏處理即通過算法來強(qiáng)制地投影到相關(guān)已知線或點(diǎn)以顯示到鐵路線上[6]。

由于衛(wèi)星定位精度高，漂移范圍小(10 ～ 20 m范圍)，糾偏較為簡單，只需要根據(jù)鐵路地圖的精度及衛(wèi)星定位的精度，加載一個(gè)稍大的糾偏閾值即可。但是對于單點(diǎn)基站定位解析出的數(shù)據(jù)，其糾偏過程較繁瑣，尤其利用第三方基站庫解析出的定位數(shù)據(jù)，其閾值會(huì)依據(jù)基站類型的不同而不同。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，如果連接為4G基站，單點(diǎn)定位精度在50 ～ 1 000 m以內(nèi)；如果連接為3G基站，單點(diǎn)定位精度在1 000 ～ 5 000 m以內(nèi)；如果連接為2G基站且地域空曠，單點(diǎn)定位精度則會(huì)擴(kuò)大到5 000 ～ 8 000 m以內(nèi)。在此種情況下，如果僅采用一次糾偏模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，合適的糾偏閾值很難確定，采用較大糾偏閾值會(huì)造成基站定位點(diǎn)被糾偏到錯(cuò)誤的車站上；如果采用較小糾偏閾值，又會(huì)造成糾偏成功率較低，因而創(chuàng)新性地采用了二次動(dòng)態(tài)糾偏的方式來對單點(diǎn)基站定位解析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，糾偏處理過程如下。

（1）根據(jù)鐵路運(yùn)輸特點(diǎn)，鐵路集裝箱定位類型分為在站、在途和路外3種。依據(jù)外部運(yùn)輸信息判斷集裝箱是否在途，如果不在途，則不進(jìn)行鐵路線站的糾偏運(yùn)算，如果在途，則采用鐵路線站的糾偏算法。

（2）判斷定位數(shù)據(jù)的類型，如果是衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，調(diào)用糾偏接口采用一次糾偏的方式，加載衛(wèi)星定位糾偏距離參數(shù)，得到糾偏返回值；如果是基站定位數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步流程。

（3）先判斷連接基站類型，針對不同的2G，3G，4G基站類型，采用不同的糾偏距離參數(shù)，為了盡量減少糾偏到相鄰車站上的可能性，采用二次動(dòng)態(tài)糾偏的方法。

（4）調(diào)用糾偏接口進(jìn)行第一次糾偏，第一次糾偏加載較小的糾偏距離參數(shù)，將得到多數(shù)初始定位點(diǎn)的糾偏返回值。

（5）對于少量一次糾偏未成功的初始定位點(diǎn)，繼續(xù)調(diào)用糾偏接口進(jìn)行第二次糾偏，加載一個(gè)較大的糾偏距離參數(shù)，得到另外一些初始定位點(diǎn)的糾偏返回值。

（6）其余剩下還未糾偏成功的初始定位點(diǎn)，放入異常定位數(shù)據(jù)庫。

定位數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)糾偏流程圖如圖4所示。

通過上述糾偏處理過程實(shí)現(xiàn)二次動(dòng)態(tài)糾偏算法并進(jìn)行了對比測試，對100個(gè)基站定位點(diǎn)進(jìn)行一次糾偏，成功率為88.5%，采用二次動(dòng)態(tài)糾偏處理后，成功率為94.6%，大大提高了糾偏的成功率。

2.3 交叉或鄰近線路糾偏錯(cuò)誤進(jìn)路搜索優(yōu)化處理

衛(wèi)星定位和基站定位都存在漂移或誤差，因而無論采用什么樣的糾偏優(yōu)化算法，依然無法避免在糾偏過程中產(chǎn)生錯(cuò)誤，產(chǎn)生錯(cuò)誤主要有2種情況：一是因?yàn)殍F路線路中存在交叉線路，二是因?yàn)殍F路線路中存在鄰近線路。在這2種情況下，假設(shè)白色三角點(diǎn)為原始定位點(diǎn)，黑色圓點(diǎn)為糾偏修正點(diǎn)，糾偏算法是按照就近原則進(jìn)行糾偏，由于原始定位點(diǎn)距離錯(cuò)誤線路更近，于是就會(huì)造成糾偏后錯(cuò)誤地跑到其他線路上的問題，就需要根據(jù)鐵路線路的連通性進(jìn)行進(jìn)路搜索來去剔除錯(cuò)誤的糾偏點(diǎn)或者是進(jìn)行修正。糾偏錯(cuò)誤條件下進(jìn)路搜索優(yōu)化示意圖如圖5所示。

圖4 定位數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)糾偏流程圖Fig.4 Flow chart of dynamic recti ficationfor location

圖5 糾偏錯(cuò)誤條件下進(jìn)路搜索優(yōu)化示意圖Fig.5 Diagram of route search optimization under recti fication error conditions

（1）交叉線路。如圖5中交叉線路情況所示，3個(gè)定位修正點(diǎn)A1，B1，C1之間有可行的路徑可以到達(dá)，存在有交匯車站N，且無其他定位點(diǎn)。3個(gè)定位修正點(diǎn)A1，B1，C1，必須經(jīng)過A1—N—B1—N—C1，其中N點(diǎn)出現(xiàn)了2次，即出現(xiàn)了N—B1和B1—N往返進(jìn)路，應(yīng)將B1點(diǎn)用N來替代。以鐵路集裝箱定位追蹤器采集的定位數(shù)據(jù)為例，將此方法用于實(shí)際線路中，交叉線路定位修正示意圖如圖6所示。在蘭新線與敦煌線的交叉區(qū)域，集裝箱原本定位點(diǎn)都在蘭新鐵路線上，由于基站定位誤差大，在交叉區(qū)域錯(cuò)誤地糾偏到了敦煌鐵路線上，通過進(jìn)路搜索優(yōu)化算法，將原本錯(cuò)誤的糾偏位置修正到了2條線路的交叉點(diǎn)柳溝站。

圖6 交叉線路定位修正示意圖Fig.6 Diagram of locationrecti ficationfor cross line

（2）相鄰線路。如圖5中相鄰線路情況所示，3個(gè)定位修正點(diǎn)A1，B1，C1之間無可行的路徑可以到達(dá)，如果不通過其他定位點(diǎn)，沒有交匯車站可以直接連通過去。3個(gè)定位修正點(diǎn)A1，B1，C1，因?yàn)闆]有交匯的車站可以過去，因而可以去除B1點(diǎn)，只保留A1—C1的進(jìn)路。將此方法用于實(shí)際線路中，相鄰線路定位修正示意圖如圖7所示。在蘭州樞紐區(qū)域，集裝箱原本的定位點(diǎn)路線應(yīng)該沿大沙坪—蘭州北—石崗—坡底下走行，由于基站定位誤差大，錯(cuò)誤地糾偏到了相鄰的穎川堡附近線路上，通過進(jìn)路搜索優(yōu)化算法，去除了該定位點(diǎn)。

圖7 相鄰線路定位修正示意圖Fig.7 Diagram of positioning recti fication for adjacent lines

3 結(jié)束語

在中歐班列集裝箱定位信息系統(tǒng)的建設(shè)過程中，系統(tǒng)地提出了本地單點(diǎn)基站定位解析庫創(chuàng)建方案，采用動(dòng)態(tài)糾偏算法提高了單點(diǎn)基站定位數(shù)據(jù)糾偏的成功率，基本解決了鐵路集裝箱定位系統(tǒng)中遇到的地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理問題，改善了班列追蹤的效果，取得了較好的應(yīng)用價(jià)值。在動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和顯示中還存在很多難點(diǎn)，相同的問題也存在于其它類似的追蹤定位系統(tǒng)中，該處理方法為這類問題的處理提供了一種新的思路，有助于推動(dòng)有源定位追蹤器對在鐵路集裝箱運(yùn)輸中的應(yīng)用。