移動定位技術(shù)在鐵路生產(chǎn)中的應用探討

■ 彭為

移動定位技術(shù)在鐵路生產(chǎn)中的應用探討

■ 彭為

闡述幾種主流的移動定位技術(shù)，分析鐵路生產(chǎn)關(guān)于移動定位的需求，結(jié)合生產(chǎn)實際討論鐵路移動定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、關(guān)鍵技術(shù)，介紹移動定位技術(shù)系統(tǒng)的應用成果。

移動定位；衛(wèi)星定位；鐵路巡檢

1 移動定位技術(shù)簡介

移動定位技術(shù)是一種通過對無線網(wǎng)絡中信號的參數(shù)、信息進行測量，并根據(jù)特定的算法測定移動終端地理位置的技術(shù)，可為移動終端用戶提供相關(guān)的位置信息服務，或進行實時監(jiān)測和跟蹤。按照工作原理，移動定位大致可分為兩類：基于移動網(wǎng)絡的定位技術(shù)和基于移動終端的定位技術(shù)，還有的把這兩者的混合定位作為第三種定位技術(shù)。

1.1基于移動網(wǎng)絡的定位技術(shù)

該定位技術(shù)的原理是：移動終端向基站發(fā)射信號，基站接收到這些信號后將其轉(zhuǎn)換為終端與本基站之間的幾何位置關(guān)系，并提交后臺根據(jù)相關(guān)算法對終端位置進行定位估算。

目前已提出的基于移動網(wǎng)絡的定位技術(shù)主要包括：基于小區(qū)標識（Cell-ID）的定位技術(shù)、到達時間（Time of Arrival，TOA）定位技術(shù)、到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位技術(shù)、增強型觀測時間差（Enhanced-Observed Time Difference，E-OTD）定位技術(shù)、角度達到（Arrival of Angle，AOA）定位技術(shù)等。

這種技術(shù)需要建立專門的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，定位范圍限定在無線網(wǎng)絡覆蓋范圍以內(nèi)，建網(wǎng)成本高，而且精度不高。

1.2基于移動終端的定位技術(shù)

該定位技術(shù)的原理是：多個已知位置的基站發(fā)射信號，所發(fā)射信號攜帶有與基站位置有關(guān)的特征信息，當移動終端接收到這些信號后，確定其與各基站之間的幾何位置關(guān)系，并根據(jù)相關(guān)算法對其自身位置進行定位估算，從而得到自身的位置信息。具有較高的定位精度，但定位信息要借助另外的通信網(wǎng)絡實現(xiàn)上傳。

目前已提出的基于移動終端的定位技術(shù)主要包括：下行鏈路觀測到達時間差（OTDOA）方法、基于衛(wèi)星的定位技術(shù)等。OTDOA方法需要在地面部署大功率、高密度基站，而且信號受地形、天氣等干擾較大，而衛(wèi)星定位因其大覆蓋、低成本、高精度，已成為移動定位的主流技術(shù)。

目前衛(wèi)星定位技術(shù)主要采用差分定位法，其原理是：在地面設立基準接收機（差分站），對自己實施定位，得到的定位結(jié)果與自己確知的地理位置相比較得到差值，該差值被用作公共誤差修正值，對與基準接收處于同一區(qū)域且共用4顆（及以上）衛(wèi)星進行定位的移動終端來說，它們顯然具有相同的公共誤差。因此借助公共誤差修正值可以修正移動終端的定位結(jié)果，從而提高定位精度。

目前世界上投入應用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有4家，分別是美國的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯的俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。美國的GPS系統(tǒng)是目前應用最廣泛的定位系統(tǒng)，而中國的北斗系統(tǒng)逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，已成為我國國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要組成部分。

2 鐵路生產(chǎn)對移動定位技術(shù)的需求分析

鐵路生產(chǎn)是一項以保障列車安全運動為中心任務的生產(chǎn)系列活動，既有大量移動設備在線路上同時運行，也有大量人員在鐵路沿線開展規(guī)定的生產(chǎn)活動。如能通過先進的移動定位和通信、信息處理技術(shù)，使得指揮機關(guān)能及時準確地掌握鐵路沿線設備設施的運行情況、人員的位置分布等信息，將在優(yōu)化運輸組織、提高指揮精度、加快救援速度等許多方面都有極大的促進作用。

2.1鐵路移動設備的定位需求分析

移動設備指在鐵路線路上運行的列車，保障列車安全高效地運行是鐵路生產(chǎn)的核心所在。每列列車的位置、運行速度是列車調(diào)度員必須掌握的信息，只有基于此信息才能作出最有力的調(diào)度決策，既保障所有列車的安全，又保證運輸效率。

多年來，列車位置的獲取都是通過鐵路信號系統(tǒng)實現(xiàn)，其基本原理是列車壓上接通某段區(qū)間軌道電路后反應出列車占用信息，速度信息無法直接獲取?；诖说牧熊囌{(diào)度策略就必須要求后車與前車至少保持兩個區(qū)間的距離以保證行車安全，這個距離多半遠遠大于兩車的安全距離，而且與兩車的相對速度并沒有關(guān)系，無疑對運輸效率有較大影響。

如果每列列車精確的位置和速度數(shù)據(jù)能實時傳送到列車調(diào)度指揮，列車調(diào)度完全可以安排后車以安全范圍內(nèi)的最高速度運行，即列車動態(tài)追蹤可以大大提高運輸效率，所以列車移動定位很有可能引發(fā)鐵路運輸生產(chǎn)組織的革命性變化，具有廣闊的應用前景。由于鐵路列車運行速度快，而且涉及國家安全，所以系統(tǒng)建設對實時性、安全性的要求非常高。

2.2鐵路工作人員的定位需求分析

在鐵路生產(chǎn)活動中，每時每刻都會有大量人員在鐵路沿線開展工作以保障運輸?shù)陌踩珪惩?。大部分工作要求人員在規(guī)定時間到達指定位置，因而會產(chǎn)生移動定位的需求，例如巡檢、施工防護等。這種需求對實時性、精度要求不高，但要求穩(wěn)定可靠，可促進管理水平的提高。

3 鐵路移動定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

鐵路移動定位系統(tǒng)應由以下幾部分構(gòu)成：

（1）定位信號源：即產(chǎn)生定位信號的設備裝置，作為應用一般采用既有系統(tǒng)，如GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，沒有必要自己建造。

（2）定位終端：接收定位信號實現(xiàn)定位的設備裝置，可根據(jù)應用需要研制開發(fā)或采用現(xiàn)成產(chǎn)品。

（3）通信網(wǎng)絡：定位終端與后臺設備通信的網(wǎng)絡，可以是鐵路專網(wǎng)，也可以是民用網(wǎng)絡。

（4）數(shù)據(jù)交互安全平臺：控制對終端數(shù)據(jù)的收集、分析、整理和對終端指令的下達等數(shù)據(jù)交互工作。如果數(shù)據(jù)需要通過民用網(wǎng)絡（外網(wǎng)）和鐵路專用網(wǎng)（內(nèi)網(wǎng)）交互，則按照規(guī)定必須設置內(nèi)外網(wǎng)交互安全平臺。

（5）系統(tǒng)中心（分中心）管理平臺：設置通信、地圖、Web發(fā)布、數(shù)據(jù)庫等服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集入庫、分析發(fā)布等功能。

（6）基于生產(chǎn)網(wǎng)的應用軟件：相關(guān)用戶可根據(jù)自己的權(quán)限通過鐵路生產(chǎn)網(wǎng)使用系統(tǒng)，查看管理指定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

4 鐵路移動定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

鐵路生產(chǎn)具有點多線長、地形復雜、列車速度快等特點，所以它對移動定位的技術(shù)要求與其他民用定位系統(tǒng)會有很大的不同。

4.1數(shù)據(jù)通信技術(shù)

無論采用哪種定位技術(shù)，都需要一個穩(wěn)定的無線通信網(wǎng)才能將定位數(shù)據(jù)傳送到上端設備，某些實時性要求較高的應用對傳輸速度有較高要求。但鐵路沿線的無線通信建設還很落后，只有電臺對講系統(tǒng)實現(xiàn)了全路覆蓋，GSM-R技術(shù)只在部分線路投入運營，速率帶寬也很低，所以沿線無線通信的滯后是目前制約鐵路移動定位系統(tǒng)建設的一個瓶頸；實時性要求不高的一般應用，如人員定位可租用民用通道，但要實現(xiàn)列車定位必須考慮建設配套的無線通信系統(tǒng)。

4.2定位盲區(qū)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

鐵路沿線地形復雜，經(jīng)過許多山區(qū)、隧道，無論哪種定位技術(shù)都可能產(chǎn)生定位盲區(qū)。加建信號基站實現(xiàn)盲區(qū)覆蓋是一種方法，但投資大，效果未必好，所以應當考慮應用的特點，結(jié)合定位盲區(qū)既有設備、移動終端行進特性等設計合適的“慣導”處理算法。

圖1 鐵路移動定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

4.3數(shù)據(jù)安全技術(shù)

鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈，鐵路生產(chǎn)是半軍事化的，所以生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)安全要求極高。移動定位都是在無線環(huán)境下實現(xiàn)，而且可能要租用民用線路通道，所以必須采用多級加密、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)安全技術(shù)，才能使系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全符合鐵路部門的規(guī)定。

4.4專用地圖的制作技術(shù)

目前市場上免費地圖由于各種原因根本無法滿足鐵路生產(chǎn)對移動定位的要求，某些所謂的付費地圖數(shù)據(jù)也并不準確，所以如果希望移動定位系統(tǒng)達到較高的精度，必須按照應用要求制作專用地圖，實現(xiàn)經(jīng)緯度座標與線路里程對應，所有的距離計算應基于線路里程進行。

5 廣鐵工務巡檢系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)

廣鐵工務巡檢系統(tǒng)是廣州鐵路（集團）公司根據(jù)鐵路工務巡檢工作特點，由廣州鐵路（集團）公司工務處、科研所、信息所、海華電子企業(yè)（中國）有限公司共同建設開發(fā)。系統(tǒng)遵循“統(tǒng)一系統(tǒng)、統(tǒng)一設備、耐用便管”的原則，采用圖1所示的結(jié)構(gòu)，并在開發(fā)過程中著重解決專用終端、行業(yè)地圖、數(shù)據(jù)安全等關(guān)鍵技術(shù)，滿足了工務巡檢工作的需求。

5.1定位信號源

采用GPS衛(wèi)星定位方式。

5.2定位終端

按照業(yè)務部門對終端設備提出的“耐用便管”要求開發(fā)了專門的定位終端，采用GPS+GSM/GPRS方式實現(xiàn)定位及通信，主要實現(xiàn)了跡記錄及補償、設備自檢及狀態(tài)提示、通信備份、低功耗模式及低電壓保護、遠程參數(shù)設置和程序升級、遠程關(guān)機控制等功能，主要技術(shù)指標見表1。

5.3通信網(wǎng)絡

采用中國移動GSM/GPRS網(wǎng)絡。

表1 定位終端主要技術(shù)指標

5.4數(shù)據(jù)交互安全平臺

系統(tǒng)在廣州鐵路（集團）公司信息機房外網(wǎng)防火墻內(nèi)、安全平臺外部署了兩臺服務器，一臺可稱為“系統(tǒng)外網(wǎng)數(shù)據(jù)服務器”，部署系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)處理軟件，通過中國移動GSM/GPRS網(wǎng)絡與定位終端通信，并通過“系統(tǒng)安全平臺服務器”的軟件與內(nèi)網(wǎng)服務器通信；另一臺可稱為“系統(tǒng)安全平臺服務器”，部署由廣州鐵路（集團）公司信息所開發(fā)的通過鐵路信息安全平臺軟件，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織成符合要求的格式通過鐵路信息安全平臺，達到了鐵路信息安全的要求。

5.5系統(tǒng)中心（分中心）管理平臺

系統(tǒng)在廣州鐵路（集團）公司信息機房設置了兩臺服務器作為系統(tǒng)的應用及數(shù)據(jù)中心，其中一臺為虛擬服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、地圖、Web發(fā)布、數(shù)據(jù)入庫和分發(fā)等功能；另一臺為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務器。在每個工務段設置一臺服務器，接收中心服務器分發(fā)的數(shù)據(jù)，部署本段的地圖及統(tǒng)一的Web應用，使本段人員可以在段網(wǎng)內(nèi)使用系統(tǒng)，盡量減少網(wǎng)速慢對系統(tǒng)的影響。

5.6基于生產(chǎn)網(wǎng)的應用軟件

針對鐵路巡檢工作的要求，開發(fā)的行業(yè)專用地圖（見圖2），實現(xiàn)了座標到里程的自動轉(zhuǎn)換、作業(yè)區(qū)間地點的標注等，為直觀準確地反映巡檢作業(yè)過程奠定了基礎。

系統(tǒng)的應用軟件采用B/S架構(gòu)、．Net技術(shù)開發(fā)，在鐵路內(nèi)網(wǎng)中運行。

系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務要求建立了廣州鐵路（集團）公司（工務處）、工務段、車間、工區(qū)的四級監(jiān)管模式，實現(xiàn)了“上級監(jiān)管下級，同級數(shù)據(jù)保密”的功能，用者可根據(jù)自己的權(quán)限通過鐵路生產(chǎn)網(wǎng)使用系統(tǒng)，查看管理指定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)；為方便檢查，系統(tǒng)預設了各種違章條件（超速、偏離等），結(jié)合作業(yè)規(guī)定，把可能違章的點自動、直觀地呈現(xiàn)給檢查者，大大方便了用戶。工務巡檢系統(tǒng)實時監(jiān)控界面見圖3，工務巡檢系統(tǒng)結(jié)合巡回圖的考核界面見圖4。

圖2 廣鐵巡檢系統(tǒng)專用地圖

圖3 廣鐵工務巡檢系統(tǒng)實時監(jiān)控界面

圖4 廣鐵工務巡檢系統(tǒng)結(jié)合巡回圖的考核界面

該系統(tǒng)利用多項現(xiàn)代信息技術(shù)，提高了鐵路巡檢工作質(zhì)量，對降低安全隱患、減少事故發(fā)生有良好的促進作用。

6 結(jié)束語

鐵路生產(chǎn)對移動定位技術(shù)有很強的應用需求，但在建設實施過程中應充分考慮鐵路行業(yè)特點（尤其是信息安全），結(jié)合其他技術(shù)和現(xiàn)有設備設施，解決生產(chǎn)中的實際問題，才能取得較好的應用效果。隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的日臻成熟和國家對此的戰(zhàn)略扶持，北斗定位技術(shù)正在快速進入民用領(lǐng)域，契合鐵路半軍事化、信息安全保密要求高的特點，有著廣闊的應用前景。

彭為：廣州鐵路（集團）公司科學技術(shù)研究所，教授級高級工程師，廣東 廣州，510100

責任編輯陳曉云

U285.7

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1672-061X（2014）03-0102-04