周 通

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地追蹤運(yùn)行列車的位置，是鐵路行車指揮最為關(guān)心的工作之一，也是保障運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率、改善服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。

中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱：國(guó)鐵集團(tuán)）開(kāi)展了運(yùn)統(tǒng)1 電子化傳遞系統(tǒng)項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱：運(yùn)統(tǒng)1 項(xiàng)目）的實(shí)施，該項(xiàng)目為機(jī)車乘務(wù)員配備了支持移動(dòng)通信和衛(wèi)星定位功能的手持終端。為此，本文提出一套列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)）方案，在無(wú)需增加硬件投入的前提下，通過(guò)機(jī)車乘務(wù)員手持終端獲取列車運(yùn)行位置的準(zhǔn)實(shí)時(shí)信息，再結(jié)合由運(yùn)統(tǒng)1 項(xiàng)目提供的車站與線路地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)鋪畫(huà)而成的全國(guó)鐵路路網(wǎng)圖，實(shí)現(xiàn)全國(guó)鐵路列車運(yùn)行追蹤的可視化監(jiān)控；并依據(jù)列車有效制動(dòng)距離確定安全預(yù)警級(jí)別，實(shí)現(xiàn)列車追蹤運(yùn)行安全預(yù)警。

1 國(guó)內(nèi)列車運(yùn)行追蹤相關(guān)信息系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

在保證列車安全運(yùn)行的前提下，如何更為有效地提高列車運(yùn)行效率、提高線路能力利用率一直是鐵路調(diào)度面臨的重要難題[1]，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行追蹤和安全預(yù)警對(duì)于保證鐵路行車安全具有重要意義[2]。

為解決列車運(yùn)行追蹤和安全預(yù)警問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了不少研究。劉敏提出列車輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)[3]，利用ATP 獲取運(yùn)行列車定位信息，通過(guò)TDMA 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行列車位置信息的傳輸；馬騰云提出鐵路列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)[4]，采用多種定位方式（GPS 差分+慣導(dǎo)）和多模通信（GSM-R+450 MHz無(wú)線通信）實(shí)現(xiàn)運(yùn)行列車定位信息的采集和傳輸；余顏麗等人提出鐵路列車定位與輔助預(yù)警系統(tǒng)[5]，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車定位，通過(guò)GSM-R 傳輸運(yùn)行列車的位置信息。但由于成本、技術(shù)等原因，上述研究成果均未形成覆蓋全路列車運(yùn)行追蹤的成熟解決方案。

2 列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、國(guó)鐵集團(tuán)外部服務(wù)網(wǎng)、國(guó)鐵集團(tuán)安全生產(chǎn)網(wǎng)3 部分組成。

圖1 列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

（1）機(jī)車乘務(wù)員手持終端和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)：運(yùn)統(tǒng)1 項(xiàng)目為全國(guó)鐵路所有機(jī)車乘務(wù)員配備了手持終端和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)SIM 卡，手持終端上安裝有該系統(tǒng)的移動(dòng)終端運(yùn)統(tǒng)1App，要求所有機(jī)車乘務(wù)員在出勤時(shí)必須登錄運(yùn)統(tǒng)1App，并在出勤過(guò)程中始終保持在線。本系統(tǒng)在運(yùn)統(tǒng)1App 中增加了實(shí)時(shí)位置上報(bào)插件，當(dāng)機(jī)車乘務(wù)員登錄運(yùn)統(tǒng)1App 后，該插件會(huì)自動(dòng)獲取手持終端中定位芯片所采集到的位置經(jīng)緯度和速度信息，通過(guò)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)將該信息傳送至國(guó)鐵集團(tuán)的外部服務(wù)網(wǎng)。

（2）國(guó)鐵集團(tuán)外部服務(wù)網(wǎng)服務(wù)器：接收全國(guó)鐵路機(jī)車乘務(wù)員手持終端上報(bào)的列車運(yùn)行位置、速度信息，并通過(guò)國(guó)鐵集團(tuán)安全平臺(tái)，傳送至國(guó)鐵集團(tuán)安全生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)。

（3）國(guó)鐵集團(tuán)安全生產(chǎn)網(wǎng)服務(wù)器：接收國(guó)鐵集團(tuán)外部服務(wù)網(wǎng)服務(wù)器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，完成列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警計(jì)算處理，包括：車站位置字典、線路字典等鐵路線路圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、更新處理；將機(jī)車乘務(wù)員手持終端上報(bào)的列車運(yùn)行位置和速度信息與鐵路線路圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，計(jì)算生成全國(guó)鐵路列車運(yùn)行追蹤數(shù)據(jù)；提供全國(guó)鐵路列車運(yùn)行追蹤過(guò)程的可視化監(jiān)控畫(huà)面，并以網(wǎng)頁(yè)形式提供給調(diào)度人員查詢；接收調(diào)度人員下達(dá)的指令，傳遞給機(jī)車乘務(wù)員手持終端。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，覆蓋全路客貨列車，實(shí)時(shí)性要求較高。該系統(tǒng)采用微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，如圖2 所示，總體上劃分為應(yīng)用層和基礎(chǔ)設(shè)施層。

圖2 列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意

2.2.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層是列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)處理各類模塊。

（1）后臺(tái)：完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)等。

（2）中臺(tái)：完成鐵路路網(wǎng)鋪畫(huà)的數(shù)據(jù)計(jì)算、列車位置與速度數(shù)據(jù)處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算等邏輯處理。

（3）前臺(tái)：完成用戶界面展示、應(yīng)用交互頁(yè)面處理等功能。

2.2.2 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層提供列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用層所依賴的運(yùn)行環(huán)境。

（1）物理設(shè)備層：包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、信息安全設(shè)備等。

（2）虛擬化層：提供硬件虛擬化服務(wù)，便于管理硬件設(shè)備資源，并可隔離硬件設(shè)備對(duì)上層服務(wù)的影響。

（3）平臺(tái)即服務(wù)層（PaaS 層）：采用K8s 系統(tǒng)作為PaaS 平臺(tái)，為基于微服務(wù)架構(gòu)的應(yīng)用提供容器運(yùn)行時(shí)，使之具備自動(dòng)化信息生命周期管理和水平擴(kuò)展能力。

（4）Spring Cloud 微服務(wù)組件：包括Eureka、Ribbon、Hystrix、Zuul 等，具有良好的可移植性。

3 主要算法及模型

3.1 基于地理坐標(biāo)的鐵路路網(wǎng)鋪畫(huà)模型

為實(shí)現(xiàn)全國(guó)鐵路列車運(yùn)行追蹤和安全預(yù)警功能，需要建立基于精確坐標(biāo)的全路路網(wǎng)模型。運(yùn)統(tǒng)1 電子化傳遞系統(tǒng)可提供車站經(jīng)緯度字典、全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)線路字典等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，車站地理坐標(biāo)精確到到發(fā)線警沖標(biāo)的地理位置，可以利用這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完成全國(guó)鐵路路網(wǎng)的鋪畫(huà)。由于地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo)，需要進(jìn)行地圖投影后，才能在平面圖上精確顯示。

常用的地圖投影算法有高斯-克呂格投影和墨卡托投影算法。本文采用基于墨卡托投影算法[6]，設(shè)車站經(jīng)緯坐標(biāo)為（λ，Φ），對(duì)應(yīng)的平面投影坐標(biāo)為（x，y），R為地球半徑，則投影坐標(biāo)和經(jīng)緯坐標(biāo)的換算關(guān)系為：

3.2 列車運(yùn)行位置的計(jì)算模型

本文采用的鐵路路網(wǎng)模型中，相鄰兩個(gè)車站之間（區(qū)間）的線路采用直線表示（即圖3 中所示的虛線）；然而，區(qū)間內(nèi)線路往往不是直線，造成列車上報(bào)的位置數(shù)據(jù)（即圖3 中所示的各點(diǎn)）無(wú)法顯示在區(qū)間直線上。因此，采用如下算法將列車位置投影到區(qū)間直線上。

圖3 區(qū)間列車運(yùn)行位置顯示示例

（1）計(jì)算列車所在運(yùn)行區(qū)間的起點(diǎn)站和終點(diǎn)站之間的直線距離LCss：

其中，JDs是該區(qū)間起點(diǎn)站的經(jīng)度，JDd是該區(qū)間終點(diǎn)站的經(jīng)度，WDs是該區(qū)間起點(diǎn)站的緯度，WDd是該區(qū)間終點(diǎn)站的緯度。

（2）計(jì)算這兩個(gè)車站的實(shí)際站間線路距離XCss，此距離可根據(jù)線路字典中這兩個(gè)車站的警沖標(biāo)位置相減計(jì)算得到。

（3）計(jì)算列車在該區(qū)間內(nèi)第n次上報(bào)位置時(shí)與區(qū)間起點(diǎn)站的實(shí)際距離XCt，如圖3 所示，該值可分段計(jì)算后累加求得：

其中，JDi是列車在該區(qū)間內(nèi)第i次上報(bào)位置的經(jīng)度，JDi-1是列車前一次上報(bào)位置的經(jīng)度，WDi是列車第i次上報(bào)位置的緯度，WDi-1是列車前一次上報(bào)位置的緯度；當(dāng)i=1 時(shí)，JD0取該區(qū)間始發(fā)站的經(jīng)度，WD0取該區(qū)間始發(fā)站位置的緯度。

（5）計(jì)算列車運(yùn)行位置在區(qū)間直線上的投影長(zhǎng)度LCt：

按照上述算法，可將列車當(dāng)前運(yùn)行位置較為精確地投影至區(qū)間直線上。

3.3 列車追蹤運(yùn)行安全預(yù)警級(jí)別的確定

在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)列車運(yùn)行追蹤的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步準(zhǔn)確估算同一條線路上追蹤運(yùn)行列車間的距離。系統(tǒng)監(jiān)控同一條線路上追蹤運(yùn)行列車之間的距離，當(dāng)?shù)陀诎踩嚯x時(shí)予以預(yù)警。同一條線路上追蹤運(yùn)行列車之間的安全距離由列車有效制動(dòng)距離。列車有效制動(dòng)距離[7]的計(jì)算公式為：

其中，v1、v2分別為列車制動(dòng)過(guò)程的初始速度和終止速度（緊急制動(dòng)時(shí)，v2終止速度可取值為0，v1取值為機(jī)車乘務(wù)員手持終端的上報(bào)的當(dāng)前速度）；ψh為閘瓦換算摩擦系數(shù)，θh為列車換算制動(dòng)率，βc為常用制動(dòng)系數(shù)，w0為列車單位基本阻力，ij為制動(dòng)地段的加算坡度千分?jǐn)?shù)；這些系數(shù)可由列車的牽引機(jī)車機(jī)型以及列車當(dāng)前的所在位置確定。

根據(jù)式（5）計(jì)算得到各列車的有效制動(dòng)距離Se，然后再根據(jù)列車經(jīng)緯度信息計(jì)算前后相鄰列車的間距X，根據(jù)Se和X之間的關(guān)系，定義列車追蹤運(yùn)行安全預(yù)警級(jí)別，如表1 所示。

表1 列車追蹤運(yùn)行安全預(yù)警級(jí)別對(duì)照表

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)的基本核心功能，可生成全國(guó)鐵路路網(wǎng)圖，并根據(jù)車站的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在全國(guó)鐵路路網(wǎng)圖上準(zhǔn)確地顯示線路上的車站位置。

圖4 是某條線路上多列列車追蹤運(yùn)行的監(jiān)控畫(huà)面，調(diào)度員可以直觀地監(jiān)視運(yùn)行列車目前所在區(qū)間的具體位置和運(yùn)行速度。機(jī)車乘務(wù)員手持終端每隔10 s 報(bào)告一次位置信息，按時(shí)速300 km 計(jì)算，運(yùn)行列車實(shí)時(shí)位置的最大誤差約為830 m，基本可以滿足列車追蹤運(yùn)行安全預(yù)警的要求。

圖4 同一線路上列車追蹤運(yùn)行監(jiān)控畫(huà)面

目前，列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋全路除動(dòng)車組外的所有客、貨列車，日均追蹤列車約16 000 列，該系統(tǒng)注冊(cè)機(jī)車乘務(wù)員約15 萬(wàn)人，每日共有約24 000位出勤機(jī)車乘務(wù)員通過(guò)手持終端實(shí)時(shí)上報(bào)位置、速度信息。經(jīng)系統(tǒng)試運(yùn)行期間收集的數(shù)據(jù)分析，機(jī)車乘務(wù)員手持終端通過(guò)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)與安全生產(chǎn)網(wǎng)的日均信息交互請(qǐng)求約為1 524 萬(wàn)次，系統(tǒng)處理請(qǐng)求時(shí)間平均為412 ms。該系統(tǒng)能夠支撐全路列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)列車運(yùn)行位置追蹤。

5 結(jié)束語(yǔ)

列車運(yùn)行追蹤與安全預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)機(jī)車乘務(wù)員手持終端實(shí)時(shí)采集全路在線列車運(yùn)行位置和速度信息，利用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車地信息傳輸；結(jié)合運(yùn)統(tǒng)1 電子化傳遞系統(tǒng)提供的線路和車站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算模型完成鐵路路網(wǎng)圖鋪畫(huà)和列車位置動(dòng)態(tài)更新顯示，以可視化方式在全國(guó)鐵路路網(wǎng)圖上實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行追蹤監(jiān)控與安全預(yù)警。與以往的列車追蹤系統(tǒng)方案相比，系統(tǒng)充分利用既有資源，硬件投入少，覆蓋面廣。

下一步擬將結(jié)合鐵路行車管理業(yè)務(wù)的創(chuàng)新，考慮向機(jī)車乘務(wù)員手持終端推送語(yǔ)音、消息等提醒服務(wù)信息。例如，將某列車本線前后相鄰的列車及相鄰線路上交會(huì)列車的相關(guān)信息及時(shí)發(fā)送到該列車機(jī)車乘務(wù)員手持終端上，使機(jī)車乘務(wù)員能夠隨時(shí)掌握相關(guān)列車運(yùn)行情況，支持機(jī)車乘務(wù)員更好地執(zhí)行安全行車任務(wù)。

此外，由于全國(guó)鐵路路網(wǎng)列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，當(dāng)列車在某些特定環(huán)境（如深山、隧道）的線路上運(yùn)行時(shí)，機(jī)車乘務(wù)員移動(dòng)終端往往無(wú)法實(shí)時(shí)采集和傳輸定位信息。對(duì)于這類情況，下一步將研究利用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)基站位置信息，來(lái)解決機(jī)車乘務(wù)員移動(dòng)終端暫時(shí)中斷上報(bào)位置信息的問(wèn)題，以保證列車追蹤的連續(xù)性。