基于北斗高精度定位的工務現場作業全過程安全監測系統研究

史小坤工程師

（中國鐵路上海局集團公司 南京橋工段，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來我國鐵路發展的日新月異，特別是大量高速鐵路的興建，伴隨而來的鐵路運輸客流、物流急速攀升，列車運行密度逐漸加大。南京橋工段作為鐵路設備養修的鐵路工務部門，所面臨的養修任務日趨繁重。鐵路設備養修單位作為勞動密集型行業，具有從業人員素質參差不齊，鐵路沿線外部環境復雜多變，養護維修作業地點變化不定、天窗資源的嚴重缺乏、頻繁的上道作業等特點，其所帶來的人身安全隱患日趨顯現。因此，在保障我國鐵路快速發展的同時，如何確保鐵路工務從業人員的人身安全是當前急需解決的一大難題，顯得尤為重要。

當前國內針對上道作業人員行為安全的管控手段主要通過現場跟班、視頻抽查等方式盯控，但受人員精力、抽查時段、違章行為的隨機性等因素影響，使得很多違章行為不能提前做好預控，同時缺乏對作業人員的有效安全提醒，以至于現場慣性違章問題屢禁不止，人身安全傷害事件難以杜絕。

而國外鐵路的行情與國內現狀有著明顯的不同，國外鐵路運量和密度相對于國內要小得多，且對線路的養護維修作業能夠全部納入施工天窗，有作業時不行車，同時通過大量機械化、自動化養修設備的投入使用，避免了人員頻繁上道潛在的安全風險，有效保障作業人員的人身安全。

針對目前國內外鐵路設備養修單位對現場人員的行為安全管控還存在諸多不足，本文結合北斗高精度定位技術在此方面進行探討研究，建立了以高精度矢量電子地圖和北斗高精度差分定位技術為支撐的作業過程安全監測系統，實現對上道作業人員的準確定位、電子圍欄實時盯控、安全風險語音提示等，規范其作業行為，從根源上確保每名作業人員的安全。

1 現場安全控制的新思路

隨著我國北斗地基增強系統的建成，使得廣域分米級、區域厘米級的精準位置服務成為可能[1]。這為鐵路上道作業人員的行為安全管控提供了新的思路。

基于北斗高精度電子地圖，導入每日作業計劃，自動生成電子圍欄區域，同時為上道作業的每名個體配備定位終端，即可實現對上道作業人員分米級的實時精確定位，對觸碰電子圍欄界限的個體觸發安全提示，并進行實時報警。同時對安全關鍵處所（進出通道門、瞭望不良地段、跨越股道處所等）在所采集的高精度電子地圖上進行安全提示信息錄入，當佩戴定位終端設備的個體匹配上安全關鍵處所的定位信息時，觸發安全提示信息，實現對作業人員行為安全的有效預控和安全信息提示。

通過配備集成高精度位置服務的定位終端，實現對上道作業人員的分米級定位；通過導入每日作業計劃，自動精準生成電子圍欄，建立安全監測系統。該監測系統具有“作業人員精準定位、移動路線追溯、電子圍欄智能預警、安全風險語音提示、險情一鍵緊急求助、數據統計分析”等功能，能夠實時掌控現場作業人員的作業行為，有效規范其行為安全，最大限度的保障從業人員的生命安全。

2 系統方案理論架構

本系統核心采用RTK定位技術。實時動態（Real-time Kinematic，RTK）即實時動態載波相位差分技術[2]。實時動態載波相位差分測量是指在運動狀態下通過跟蹤處理接收衛星信號的載波相位，從而獲得比RTD（Real-time Ddifferential，實時動態碼相位差分技術）常規差分測量高得多的定位精度，可以達到分米級。

以RTK技術為基礎，在鐵路人員定位終端的技術方面，選擇基于CORS（利用多基站網絡RTK技術建立的連續運行衛星定位服務綜合系統）基礎上的實時差分定位技術。其定位技術原理是在某一區域內建立若干個GNSS基準站，對該地區構成網狀覆蓋，聯合若干基準站數據解算或消除電離層、對流層等影響，發播GNSS改正信息，對該地區內的GNSS用戶進行實時載波相位/偽距差分改正，從而提高定位精度，稱為GNSS網絡RTK。

3 系統方案設計

依托衛星高精度差分定位技術、物聯網技術、地理信息（Geographic Information System，GIS）技術、網絡通信與數據處理等技術搭建鐵路作業人員精準管控系統[3]，實現對作業人員的高效動態管理，提升施工安全。系統邏輯結構圖，如圖1。

圖1 系統邏輯結構圖Fig.1 System logic structure diagram

系統由人員定位終端、高精度精準電子圍欄管控平臺（以下簡稱“平臺”）組成。人員定位終端佩戴在作業人員身上，實時接收國家北斗地基增強系統地面差分站播發的差分改正信息，實現對人員的分米級精準定位，并將定位結果實時發送給平臺。平臺通過對終端傳送數據進行分析，得到人員的具體位置，并將位置信息在地圖上顯示，同時判斷人員是否在已設定好的施工作業區域內（電子圍欄），根據判斷結果進行安全區域報警，實現對人員的精準安全管控。

3.1 高精度電子圍欄管控平臺

該監測系統平臺采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）和SOA（面向服務的架構）并且預留統計分析相關接口，確保系統具有良好的可擴展性。

平臺是整個系統的神經中樞，集中實現服務、調度、接收/處理報警和其他信息服務，并對整個系統的軟硬件進行協調、管理。其總體架構，如圖2。

圖2 平臺總體架構圖Fig.2 Overall architecture of the platform

3.2 高精度個體定位終端

高精度人員定位終端作為前端信息采集設備，具有實時數據采集和記錄功能，能夠將人員的位置、移動速度等信息通過通訊模塊發送到平臺[4]。

本系統的設計選用自主研發的人員高精度終端NND902，如圖3。

NND902北斗高精度人員定位器技術參數如下，見表1。

3.3 高精度矢量電子地圖

由于鐵路線路圖分布較為復雜，系統采取以高精度地圖為基礎的，基于地圖矢量化對鐵路線路按里程進行均分處理，通過發布地圖服務為平臺應用，尤其是自動化電子圍欄提供服務。對采集的高清電子地圖根據鐵路設備的類型進行準確定義劃分，線路采用帶狀定義劃分，道岔采用塊狀定義劃分，同時在對應位置輸入鐵路公里標信息，如圖4。

圖3 高精度個體終端外形圖Fig.3 High-precision individual terminal contour diagram

表1 北斗高精度人員定位器技術參數Tab.1 Technical parameters of high precision beidou personnel positioner

系統使用開源的GIS處理軟件QGIS進行地圖矢量化處理。主要步驟如下：

（1）加載高清影像地圖。

（2）設置WGS84坐標系進行坐標轉換。

（3）以鐵路線路的初始位置坐標、末尾位置坐標為基準，通過添加點線面圖層操作，對鐵路線路賦予公里標并標注，從而為導入作業計劃，自動生成電子圍欄埋下伏筆。

圖4 基于高精度電子地圖的鐵路設備定義劃分Fig.4 Railway equipment de fi nition division based on high-precision electronic map

（4）通過添加矢量化圖元對重要場所進行標注。

（5）發布地圖服務，如圖5。

圖5 基于矢量地圖生成電子圍欄效果圖Fig.5 Electronic fence rendering based on vector map

3.4 抗復雜作業環境的高精度算法

考慮到鐵路工務作業的復雜度，系統在設計層面進行算法創新，以最小影響因素為基礎提出了抗復雜作業環境的高精度算法[5]，解決人員定位數據偶爾漂移、丟失等問題。

有很多種因素會影響到北斗的準確率，以下是一個北斗誤差引入表，見表2。

表2 影響北斗定位誤差因素Tab.2 Factors aあecting beidou positioning error

3.5 基于移動模型預判的動態預測修正算法

系統根據上道作業人員的移動模型，提前預判人員的移動軌跡，結合衛星信號狀態、移動速率、北斗基準站差分數據等，動態修正、調整人員定位精準度。動態預測修正算法，如圖6。

圖6 動態預測修正算法Fig.6 Dynamic prediction correction algorithms

4 方案特點

基于北斗高精度的精準電子圍欄管控方案具有以下特點，可以概括為：

（1）優于0.5m級精度：精度高于傳統定位方式幾十倍。

（2）20000+容量：系統內可容納人員定位終端數量無限可擴展。

（3）自主知識產權算法設計：系統集成多種自主知識產權的算法對作業人員及施工作業過程的精準管控，關鍵地段的安全風險語音提示。

（4）高性價比、可快速部署。

（5）可根據特殊需求進行二次定制開發。

5 系統研究數據及成果

5.1 系統研究數據

本系統主要對鐵路上道作業人員的行為安全進行監測管控，研究的數據包括：作業人員高精度差分定位數據及行走軌跡數據；施工區域高清地圖數據；施工作業計劃及作業區域、作業時間數據。

通過對以上數據的研究，結合算法的處理、可視化的分析展現，能夠較為精準的實現對作業人員的行為安全管控；通過數據的分析研判能夠為作業計劃的制定和人員管理的科學決策提供有力支撐。

5.2 監測系統應用效果

基于采集某站區的高精度鐵路電子地圖，結合工務現場作業全過程安全監測系統。根據當日作業計劃導入監測系統后自動生成作業區域電子圍欄，由作業個體攜帶高精度智能單兵設備進入作業區域，當作業個體超出作業區域或觸碰電子圍欄界線時，立即觸發監測報警信息，作業個體前端觸發安全提示信息，同時對作業個體行走軌跡實時追蹤。同一地點的應用效果，如圖7、8。

圖7為在安全或規定的作業期間內攜帶終端人員進入作業區域，作業區域（圖中黑色陰影區域）未發生告警（作業區域顏色未變，右下角無告警窗口）。

圖8為在非安全或非規定的作業期間內攜帶終端人員進入作業區域，作業區域（圖中黑色陰影區域）發生告警（作業區域顏色改變，右下角顯示告警窗口）。

圖7 作業個體在作業區域內未觸發報警Fig.7 Alarm is not triggered by individual assignment in the assignments area

圖8 作業個體超出作業區域觸發報警Fig.8 The alarm is triggered when the job individual exceeds the job area

6 結論

通過高精度定位的工務現場全過程安全監測系統的研究，實現了對現場人員從進入作業通道門到撤出作業通道門全過程的安全控制，具備以下功能：實現對作業人員優于0.5m級的高精度實時定位；能夠根據每日作業計劃，自動生成當日作業相對應的電子圍欄；對電子地圖上的安全關鍵處所（進出通道門、瞭望不良地段、跨越股道處所等）植入安全信息，作業人員經過時自動觸發終端安全風險語音提示；對提前進入范圍、延遲下道、超范圍作業等違章行為，實時進行安全報警。

目前的高精度定位終端還不具備圖像實時傳輸功能，下一步將對高精度定位終端與實時錄像定位設備的融合進行研究，通過實時畫面與高精度定位信息的匹配驗證，實現對作業現場作業行為更直觀的管控，進一步保障工務上道作業人員的人身安全。