楊樹(shù)旺，史時(shí)喜

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 環(huán)境與設(shè)備設(shè)計(jì)院，西安 710043）

0 引言

由于城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市人口的規(guī)模迅速增加，人們對(duì)于出行工具的快速性、便捷性、安全性等需求不斷上升。城市軌道交通因其具有速度快、運(yùn)量大、準(zhǔn)點(diǎn)率高等特點(diǎn)，成為大中型城市解決城市交通問(wèn)題的首選。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及信息化技術(shù)的快速發(fā)展，城市軌道交通的全自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，進(jìn)一步提升了軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)輸效率與安全性，降低了能源消耗率和工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。國(guó)際公共交通聯(lián)會(huì)（Union Internationale des Transports Publics,UITP）按照自動(dòng)化水平將全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)分為GOA0、GOA1、GOA2、GOA3 及GOA4 五個(gè)等級(jí)[2]，而在最高等級(jí)的全自動(dòng)駕駛條件下，列車(chē)的啟動(dòng)、停止等控制均在無(wú)人值守的條件下完成，所以，當(dāng)?shù)罔F列車(chē)進(jìn)入檢修、庫(kù)線(xiàn)等軌行區(qū)時(shí)，需要對(duì)該區(qū)域的工作人員進(jìn)行一定的安全防護(hù)，避免因系統(tǒng)或人為原因，導(dǎo)致安全事故發(fā)生。當(dāng)前的主流方式是設(shè)置授權(quán)區(qū)，形成緊急停車(chē)區(qū)域，來(lái)保護(hù)授權(quán)區(qū)域工作人員的安全[3]。但此類(lèi)防護(hù)機(jī)制通常依靠規(guī)章制度運(yùn)行，依賴(lài)于工作人員的自覺(jué)性，如果工作人員因故從授權(quán)區(qū)域進(jìn)入未授權(quán)區(qū)域或者在授權(quán)區(qū)域滯留，則仍然可能發(fā)生意外。通過(guò)開(kāi)發(fā)室內(nèi)工作人員的定位技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌行區(qū)內(nèi)工作人員的位置信息，形成主動(dòng)的動(dòng)態(tài)防護(hù)區(qū)域，可進(jìn)一步加強(qiáng)工作人員安全防護(hù)。

同時(shí)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)量不斷增加，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的磨損消耗將進(jìn)一步加劇，給列車(chē)的檢修工作帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。為了在盡可能降低運(yùn)維成本的基礎(chǔ)上，保證列車(chē)的安全運(yùn)行，以數(shù)據(jù)分析為前提的列車(chē)檢修模式和檢修技術(shù)的優(yōu)化，則顯得尤為重要。

當(dāng)前檢修信息大都依靠人工填表的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這為后續(xù)的檢修信息挖掘以及作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)均造成了極大地不便。而檢修基地工作人員定位技術(shù)的成功應(yīng)用，配合檢修作業(yè)評(píng)價(jià)以及室內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為進(jìn)一步準(zhǔn)確采集檢修信息、改進(jìn)檢修技術(shù)、降低運(yùn)維成本提供了可能性。

當(dāng)前的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以在室外環(huán)境下為人們提供準(zhǔn)確的位置信息，極大方便了人們的出行。但在室內(nèi)環(huán)境中，由于建筑物的遮擋[4-5]以及室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性而導(dǎo)致的非視距傳播以及多徑效應(yīng)[6]，使得以衛(wèi)星導(dǎo)航為基礎(chǔ)的人員定位技術(shù)在室內(nèi)的應(yīng)用受到極大限制。因此，需要針對(duì)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)新的人員定位技術(shù)。當(dāng)前常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)有無(wú)線(xiàn)保真（wireless fidelity, WiFi）定位、藍(lán)牙（bluetooth）定位、紫蜂（zigbee）定位、射頻識(shí)別（radio frequency identification, RFID）定位、紅外線(xiàn)定位、超聲波定位、超寬帶（ultra-wide band,UWB）定位等[7]。其中，紅外線(xiàn)與超聲波定位技術(shù)只能在視距范圍內(nèi)使用，不能適用于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、障礙物較多的列車(chē)檢修基地；藍(lán)牙定位技術(shù)設(shè)備小、易集成，但通信距離短，容易受到噪聲干擾；WiFi 定位容易擴(kuò)展，帶寬較高，但能耗大[8]，受障礙物和多徑效應(yīng)影響明顯；zigbee 定位技術(shù)功耗低，可靠性高，但信息傳輸速度慢，設(shè)備成本高；RFID 定位技術(shù)利用射頻信號(hào)強(qiáng)度定位[9]，功耗低，并且其電子標(biāo)簽信息存儲(chǔ)量大，抗污染、抗磨損性能好，可重復(fù)讀寫(xiě)，體積形狀可多樣化，成本低，但其有效距離較短[10]；UWB 定位技術(shù)穿透性強(qiáng)[11-12]，傳速速率高，抗干擾性能強(qiáng)，定位準(zhǔn)確[13]，但基站成本較高。各定位技術(shù)的綜合性能比較如表1 所示。

表1 定位技術(shù)綜合比較

1 檢修作業(yè)基地人員定位的技術(shù)要求

在列車(chē)檢修作業(yè)過(guò)程中，作業(yè)人員的安全是檢修作業(yè)順利開(kāi)展的前提，檢修質(zhì)量是檢修作業(yè)的核心。檢修作業(yè)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域是不可忽略的安全隱患，而作業(yè)人員在各檢修項(xiàng)點(diǎn)的工作時(shí)長(zhǎng)，是反映列車(chē)檢修部位及檢修質(zhì)量的基礎(chǔ)指標(biāo)，對(duì)于安全、高效地開(kāi)展列車(chē)檢修作業(yè)具有重要意義。針對(duì)檢修作業(yè)區(qū)域的特殊性，其人員定位技術(shù)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下要求：

1）要克服庫(kù)內(nèi)洗車(chē)、高壓斷供電以及探傷鏇修等大型作業(yè)項(xiàng)目對(duì)定位結(jié)果的影響；

2）設(shè)備的使用需簡(jiǎn)單便捷、不能額外增加作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)；

3）人員定位結(jié)果要實(shí)時(shí)高效，便于檢修作業(yè)的安排調(diào)度；

4）定位精度要滿(mǎn)足對(duì)作業(yè)人員檢修位置的準(zhǔn)確采集，便于實(shí)現(xiàn)檢修作業(yè)的高效管理。

通過(guò)綜合比較，考慮到檢修庫(kù)內(nèi)作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際定位需求，本文采用RFID和UWB 定位技術(shù)相結(jié)合的方式，可以在不增加作業(yè)人員負(fù)擔(dān)的情況下，有效解決復(fù)雜環(huán)境產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)人員精準(zhǔn)定位的效果，并與列檢綜合管控系統(tǒng)相融合，為檢修作業(yè)過(guò)程的精細(xì)化管理提供信息支撐。

2 系統(tǒng)的組成及工作流程

2.1 定位系統(tǒng)的組成

定位系統(tǒng)主要由RFID 定位單元、UWB 定位單元、供電及通訊單元，信息處理及顯示單元組成，如圖1 所示。

圖1 定位系統(tǒng)組成示意圖

圖1 中，RFID 定位單元包括電子標(biāo)簽和手持機(jī)。電子標(biāo)簽設(shè)置于作業(yè)區(qū)域進(jìn)出口位置，用于標(biāo)記作業(yè)區(qū)域范圍；手持機(jī)由作業(yè)人員隨身攜帶，通過(guò)掃描電子標(biāo)簽，用于檢測(cè)作業(yè)人員是否進(jìn)、出該作業(yè)區(qū)域。

UWB 定位單元包括目標(biāo)標(biāo)簽和定位基站。目標(biāo)標(biāo)簽由作業(yè)人員隨身攜帶，采用紐扣電池供電，發(fā)射非正弦波窄脈沖；定位基站設(shè)置在檢修庫(kù)平臺(tái)股道兩側(cè)的固定位置，用于接收所述目標(biāo)標(biāo)簽發(fā)射的脈沖信號(hào)，完成作業(yè)人員在股道內(nèi)的準(zhǔn)確定位。

供電及通訊單元包括前端光端機(jī)、后端光端機(jī)和核心交換機(jī)。前端機(jī)設(shè)置在檢修庫(kù)股道兩側(cè)的設(shè)備箱內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與定位基站相連，用于定位基站供電和數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)WiFi 與手持機(jī)保持通訊；后端光端機(jī)設(shè)置在信息機(jī)房?jī)?nèi)，用于與前端機(jī)的數(shù)據(jù)交換；核心交換機(jī)設(shè)置在信息機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與后端光端機(jī)、服務(wù)器以及上位機(jī)連接，用于數(shù)據(jù)交換。

信息處理及顯示系統(tǒng)包括服務(wù)器和上位機(jī)。服務(wù)器設(shè)置在信息機(jī)房?jī)?nèi)，用于接收RFID 以及UWB定位單元的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)；上位機(jī)設(shè)置在控制室內(nèi)，用于接收服務(wù)器計(jì)算出的位置信息并在顯示界面實(shí)時(shí)顯示和記錄作業(yè)人員那的位置信息和運(yùn)動(dòng)軌跡。系統(tǒng)設(shè)備組成示意圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備組成示意

2.2 定位系統(tǒng)的硬件布置

檢修庫(kù)內(nèi)每個(gè)作業(yè)股道分為一、二兩列位，每個(gè)列位又分為地溝和地溝左右兩側(cè)三個(gè)作業(yè)區(qū)域，在每個(gè)作業(yè)區(qū)域進(jìn)、出口位置分別安裝RFID 電子標(biāo)簽，用于檢測(cè)作業(yè)人員是否進(jìn)入該作業(yè)區(qū)域。系統(tǒng)設(shè)備布置圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)備布置

2.3 定位系統(tǒng)的工作流程

檢修作業(yè)人員在手持終端上接收車(chē)輛段控制中心的派班作業(yè)任務(wù)后，持含有RFID 標(biāo)簽的手持機(jī)在規(guī)定時(shí)間進(jìn)入規(guī)定的作業(yè)區(qū)域進(jìn)行檢修作業(yè)。系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)計(jì)劃，將檢修作業(yè)當(dāng)班的人員信息提前下發(fā)至手持機(jī)，配合智能門(mén)禁系統(tǒng)，防止作業(yè)人員誤入非授權(quán)區(qū)域。作業(yè)人員進(jìn)入錯(cuò)誤作業(yè)區(qū)域或者超時(shí)進(jìn)入預(yù)定作業(yè)區(qū)域，上位機(jī)及手持機(jī)將顯示提示信息。

作業(yè)人員進(jìn)入檢修區(qū)域后，隨身攜帶的目標(biāo)標(biāo)簽發(fā)射脈沖信號(hào)，由股道兩側(cè)的定位基站接收后，實(shí)時(shí)傳送至服務(wù)器，通過(guò)計(jì)算得到作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置信息，并記錄作業(yè)人員的行動(dòng)軌跡。通過(guò)與服務(wù)器內(nèi)預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)路線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)檢修作業(yè)路線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)預(yù)警功能。

當(dāng)檢修人員完成該區(qū)域的檢修作業(yè)后，在作業(yè)區(qū)域末端，掃描電子標(biāo)簽后離開(kāi)。系統(tǒng)將自動(dòng)記錄作業(yè)時(shí)間，并對(duì)重點(diǎn)作業(yè)位置的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，為作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。定位系統(tǒng)的工作流程如圖4 所示。

圖4 定位系統(tǒng)的工作流程

3 系統(tǒng)基站部署測(cè)試

檢修基地每股道含兩列位，約320 m；單個(gè)車(chē)輛長(zhǎng)度約為120 m，股道間距4.6 m，車(chē)身寬度約為3 m；軌道橋高度-1.2 m，地溝深度-1.5 m（以軌頂標(biāo)高為±0.0 m 計(jì)）。軌道橋立柱為400 mm×400 mm的鋼筋混凝土立柱，間距 1 200 mm，地溝寬度1.1 m，檢修基地模型示意圖如圖5 所示。

圖5 檢修基地模型示意

當(dāng)列車(chē)進(jìn)入檢修庫(kù)開(kāi)始作業(yè)后，每個(gè)作業(yè)區(qū)域的寬度不超過(guò)2 m，作業(yè)人員僅在地面移動(dòng)。故在利用RFID 確定作業(yè)人員所在的作業(yè)區(qū)域后，僅需要一維坐標(biāo)就可實(shí)現(xiàn)檢修人員位置信息的確定。

由于檢修庫(kù)屋頂較高，且長(zhǎng)期有高壓電，不便于基站的安裝調(diào)試和維護(hù)，故將UWB 基站布置在軌道橋立柱兩側(cè)?；赨WB 的定位技術(shù)主要有飛行時(shí)間測(cè)距法（time of flight, TOF）和到達(dá)時(shí)間差定位法（time difference of arrival, TDOA）兩種方式[14]。由于TDOA 的定位方法需要三角形的基站布局[15-16]，現(xiàn)場(chǎng)條件不允許，故選擇TOF 定位方法。

3.1 穩(wěn)定測(cè)距的基站間距測(cè)試

采取略微超過(guò)車(chē)輛長(zhǎng)度半程20%的間距作為測(cè)試距離。軌道橋立柱間距為1.2 m，在間隔60 個(gè)立柱處部署基站。將基站水平放置在立柱頂端的鋼軌外側(cè)面，基站天線(xiàn)安置在立柱拐角處，豎直指向地面。測(cè)試人員手持目標(biāo)標(biāo)簽以2 km/h 速度沿檢修區(qū)域步行時(shí)，路徑軌跡顯示測(cè)距狀態(tài)良好，如圖6 中L1 段所示。當(dāng)測(cè)試人員將目標(biāo)標(biāo)簽放置到褲兜中，以相同速度步行時(shí)，信號(hào)受到明顯影響，如圖6 中L2 段所示。當(dāng)重新手持標(biāo)簽步行時(shí)，信號(hào)恢復(fù)良好狀態(tài)，如圖6 中L3 段所示。當(dāng)手持標(biāo)簽，速度為3.6 km/h以上時(shí)，定位能力下降明顯，如圖6 中L4 段所示。

圖6 75 m 基站間距信號(hào)測(cè)試結(jié)果

從圖6 可以看到，L2 及L4 段的定位點(diǎn)間距已經(jīng)明顯大于軌道橋立柱之間的間距（1 200 mm），不能滿(mǎn)足小于1 m 的定位精度需求。

將基站間距調(diào)整為40 m 后，標(biāo)簽在身體的部位、步行速度等對(duì)軌跡的影響已經(jīng)大大降低，雖然仍有差異，但兩定位點(diǎn)之間的間距均明顯小于相鄰軌道橋立柱的間距，已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)可以容忍的地步，如圖7 所示。

圖7 40 m 基站間距的信號(hào)測(cè)試結(jié)果

3.2 信號(hào)穿越立柱能力測(cè)試

UWB 基站仍然以40 m 間距部署，但測(cè)試人員改為在地溝和股道另一側(cè)檢修區(qū)域步行。基站安裝位置及測(cè)試情況如圖8 所示。

圖8 40 m 間距信號(hào)穿越立柱測(cè)試

測(cè)試人員在距離1#基站5 m 以?xún)?nèi)的位置不能正常定位；人員在基站中間行走時(shí)定位狀態(tài)不穩(wěn)定。造成此類(lèi)現(xiàn)象的原因是，當(dāng)人員與基站之間有立柱阻擋時(shí)，標(biāo)簽信號(hào)經(jīng)過(guò)立柱的多次反射后被基站接收，用于測(cè)距計(jì)算的信號(hào)“飛行”時(shí)間不穩(wěn)定，導(dǎo)致定位結(jié)果產(chǎn)生偏差?？梢缘贸鼋Y(jié)論，UWB基站需在軌道橋兩側(cè)單獨(dú)部署。

通過(guò)上述測(cè)試，在每個(gè)列位的檢修路徑上要達(dá)到小于1 m 的定位精度，需要在立柱兩側(cè)至少間隔40 m 部署UWB 基站。

4 定位系統(tǒng)的應(yīng)用

定位系統(tǒng)的應(yīng)用，使得原列車(chē)檢修基地自動(dòng)駕駛區(qū)的作業(yè)人員管理主要依靠人工的方式得以改變，有效避免了作業(yè)人員誤入或滯留作業(yè)區(qū)域等諸多風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步保障了檢修人員的作業(yè)安全。

定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取檢修人員的作業(yè)位置及時(shí)間，傳輸至服務(wù)器，與視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，使檢修寫(xiě)實(shí)視頻拼接軟件能夠選擇合適的攝像頭視頻片段進(jìn)行拼接，可極大提高檢修視頻拼接的效率和質(zhì)量。

通過(guò)人員定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)檢修人員作業(yè)路線(xiàn)的時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)及提示功能。主要包括按人員統(tǒng)計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、按班組統(tǒng)計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、按作業(yè)位置統(tǒng)計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，如圖9 所示。

圖9 作業(yè)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)界面

通過(guò)與作業(yè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間及路徑進(jìn)行比對(duì)，若超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間或路徑范圍，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)給出預(yù)警提示信息，便于檢修人員及時(shí)調(diào)整作業(yè)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理的目的；還可以結(jié)合當(dāng)前檢修作業(yè)的進(jìn)度和待完成的檢修任務(wù)信息以及所處的股道信息，使系統(tǒng)更加合理、高效地安排作業(yè)人員的檢修任務(wù)。

利用作業(yè)位置的時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘，將列車(chē)檢修時(shí)需要關(guān)注的易損部位及可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)給予不同等級(jí)的預(yù)警提示。通過(guò)大量的檢修數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，使系統(tǒng)及管理人員能夠針對(duì)每一步檢修工序進(jìn)行作業(yè)效率分析，為檢修作業(yè)工序的優(yōu)化決策提供數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比多種人員定位技術(shù)的性能特點(diǎn)，選擇了以RFID 與UWB 技術(shù)相結(jié)合的方法，有效解決了在檢修基地復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境情況下的人員定位問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在基站天線(xiàn)的中心頻率為3 994 MHz 的條件下，將UWB 基站分布于軌道橋立柱兩側(cè)，并至少間隔40 m 布置時(shí)，可有效降低軌道橋混凝土立柱對(duì)于信號(hào)的遮擋與反射，達(dá)到了檢修基地人員的定位精度目標(biāo)。結(jié)合車(chē)輛基地安全管控系統(tǒng)、作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)等系統(tǒng)，在有效保障檢修人員作業(yè)安全的同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化作業(yè)流程、減少人員配置以及改善維修策略等方式，提高了列車(chē)檢修的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步完善了全自動(dòng)駕駛車(chē)輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)綜合管控系統(tǒng)的功能，為軌道交通系統(tǒng)安全、高效地運(yùn)行提供了保障。