RAC定位技術在露天有軌運輸中的應用研究

鄧祖建

（首鋼集團有限公司礦業公司計控檢驗中心(北京速力科技有限公司) 北京市 100043）

1 項目背景

近年來，隨著國家“公轉鐵”政策落地及首鋼礦業公司資源再利用產能的提升，運輸部運量呈大幅增長趨勢。同時，礦業公司已明確了鐵路運輸產業作為公司第三次大發展的支柱產業之一。新形勢下，運輸部亟需盡快完成由勞動密集型向技術密集型的產業轉型，為全域提速提效提供支撐，從而適應高運量、快節奏的鐵路運輸生產需要。同時，通過搭建智能運輸體系，促進人力資源結構的優化，為確保“增量不增人”創造條件。

國內各冶金企業鐵路運輸部門均已實施或正在實施智能調度、機車定位監控等信息平臺，且取得了較好成效。在此基礎上對“運輸一張圖調度管理系統”建設的技術可行性進行了評估，認為以“機車動態跟蹤+智能調度管控”為核心功能的智能運輸一期解決方案已具備實施條件。該項目實施后，將為構建智能運輸體系奠定堅實的基礎，具備較好的經濟效益和社會效益。

2 現狀分析

礦業公司運輸部現有46 臺機車（內燃機車25 臺，其中：DF4DD 型8 臺，GK1 型17 臺；電機車21 臺），15 個車站、230 公里鐵路線、450 組道岔、線路南北距離約30 公里。

目前，運輸部各機車均已安裝含GPS 功能的視頻監控系統，可對機車運行情況進行實時跟蹤及軌跡回溯。但數據訪問僅能基于互聯網實現，且機車無法精確定位至準確股道。機車調度指令的下發通過對講機實現，部分社會道口和廠內道口視頻已傳輸至調度室，但機車司機不能及時了解路口狀況。機車端與地面端的信息平臺處于信息不互通的狀態，未能實現“車地人”有效聯動。

運輸部一張圖調度系統的上線能夠極大的發揮運輸系統的潛能，合理調度車輛、優化業務流程、減小崗位勞動強度、提高機車運行安全、優化人力資源，為運輸部“增量不增人”提供支撐，也為全面構建智能運輸體系夯實基礎。

3 需求分析與技術創新點

3.1 需求分析

機車調度人員的主要職責是負責礦區全段機車運行，集中統一指揮;負責接收貨運計劃，及時下達到相關派班室，合理安排機車供應，并組織兌現，編制實際機車周轉圖。實時掌握機車所在位置、運行任務及所處狀態。掌握機車運用、整備、檢修動態，及時變更機車工作種別，按檢修計劃及時扣車等。長期以來機車調度人員都是通過軌道電路來判斷機車所在的區段，無法精確確定機車所在位置，在站場內更是不能確定某輛機車所處的具體股道，都靠及時聯系及調度人員個人能力去硬記，要掌握的信息也比較多且雜，造成人員工作強度高，效率低，并且對調度人員的素質要求都相對較高。在面對高運量、快節奏的生產形勢下，生產組織各環節的不適性日益突出，總結起來主要表現在以下幾個方面：

（1）人不夠用，尤其是乘務員、調車員等一線崗位結構性缺員問題突出；

（2）車不夠用，造成機車、車輛不能及時回房整備；

（3）線路不夠用，站場滿線狀態時有發生；

（4）調度崗位腦子不夠用，隨著機車使用臺數的增加，完全憑崗位經驗、靠個人能力，不能保證調度指令的科學高效。

現代化的鐵路運輸組織要求調度指揮人員能及時掌控全局動態信息，并與現場崗位形成有效聯動，從而確保調度計劃制定的科學性、下達的及時性、執行的高效性。基于此現狀且在發展鐵路運輸產業的關鍵時期，搭建一套機車車地聯控系統是必要的，也是迫切的。

在建設該項目前，機車上原有一套視頻監控系統帶GPS 定位功能，定位精度在正負10 米左右，只能掌握機車大體位置，無法精確定位到股道上，車地人無法有效聯動，無法滿足現有生產需求。根據以上現狀及需求分析，設計了一張圖調度系統的相關功能，實現統一調度、協調指揮的管理目標。

一張圖調度主系統包括機車信息采集交互系統及調度中心。機車信息采集交互系統實現機車的精確位置、速度、設備狀況、能源消耗等信息采集，實現機車與調度中心、道口數據交互。運輸部調度中心與四個管控區域通過電子地圖實時顯示所有機車的位置、速度、狀況、車輛配置、物流等信息，站場的股道占用、道岔位置、信號、閉塞等信息，線路的信號信息，道口的信號狀態等信息，集成顯示物流信息系統、微機聯鎖系統相關信息，實現輔助調度指揮的管理目標。

3.2 技術創新點

通過對現狀及需求的多次分析，結合現在的技術手段，確定了一張圖調度系統設計方案。結合機車所處的運行環境、行駛范圍及投資成本，確定通訊不采用自建基站的方式，而是采用公網4G 傳輸方案，減少投資成本及工程建設周期。機車精確定位也不再選用傳統的建立差分基準站RTK 方式，而是采用新型的衛星定位技術—RAC 衛星高精度定位技術方案。機車上安裝智能終端主要功能目標是：

（1）機車精準定位（精度20-60 厘米）、速度采集上傳；

（2）機車設備狀況、能源消耗采集上傳；

（3）機車視頻集成顯示、存儲、上傳；

（4）接收顯示調度中心信息（站場信息、物流信息、作業任務等）；

（5）行車電子地圖顯示；

（6）行車安全提示（防追尾及超速報警等功能）。

機車信息采集交互系統包括：機車控制單元、行車電腦、RAC 定位模塊、RFID 定位模塊、交換機、4G通訊模塊、視頻模塊等。

機車精準定位，要求定位精度在60 厘米以下，因為股道寬度為1435mm 的稱標準軌距，現有鐵路雙線區間，兩正線中心線間的最小距離為4000mm;車站內相鄰兩股到發線中心線間最小距離規定為5000mm。按現在定位技術主推RTK 差分定位技術，在RTK 差分技術上分二種實現方式，一種是自建RTK 差分基站，首次投入高，日后維護保養。另一種是網絡RTK 方式，由專門的運營商提供差分數據終端通過網絡接收，然后在終端方進行數據差分，實現高精定位，定位精度能達到厘米級內。然而此次我們經過多方咨詢、考察、測試后，確定采用新的高精度定位技術——RAC 高精度衛星定位技術。

此新型的RAC 高精度衛星定位接收機，其特點是不使用RTK 差分技術，僅采用普通民用單頻信號（GPS L1 或北斗B1），就能實現絕對定位優于亞米/分米級，相對動態定位厘米級的定位精度。實時陣列校準RAC 定位技術是一種創新性的提高GNSS 定位精度的技術，與RTK、RTX 等傳統技術路線共存。RAC 技術通過創新的天線陣列設計方案和軟件算法，使得水平定位精度誤差大大降低，較大的提高了定位的精度和穩定性。并且RAC 技術方案不需要建立基準站，減少固定投資及日常維護，同時終端選擇上也不需要與之匹配的衛星定位芯片來為差分數據服務，終端設備的選擇更自由，開放。

4 系統設計

4.1 系統總體功能設計

如圖1 所示，系統由機車控制單元、行車電腦、RAC 定位模塊、RFID 定位模塊、交換機、4G 通訊模塊、視頻模塊組成。

圖1：系統組成

系統利用RAC 定位模塊獲得高精定位信息并與車載RFID 定位模塊相結合計算出準確的機車位置，傳送給中心控制單元；機車信息采集模塊負責將機車設備狀況、能源消耗等運行信息傳送給中心控制單元;中心控制單元通過4G 通訊模塊實現與調度中心信息交互，上位系統通過無人機高清正射影像飛行得到的底圖，把機車定位坐標投影于底圖之上。最終將機車的實際位置展示出來。

車載視頻系統通過行車電腦直接顯示車載視頻信息，同時通過交換機及4G 通訊模塊將視頻信息傳到調度中心；道口狀態、信號、視頻信息通過4G 通訊模塊采集上機車，并通過行車電腦顯示。

調度中心的調度信息、物流信息、道路信息通過4G 通訊模塊傳到行車電腦顯示。

4.2 RAC高精定位接收模塊

此次采用的高精定位接收機型號為RAC-F1，是一款類 G-MOUSE 衛星接收器，內置衛星接收天線，具有全方位高精度定位功能，采用RAC 定位技術，定位精度可以達到靜態小于60cm，動態小于 20cm；能滿足機車區分所在股道的使用需要。

什么是RAC 技術，所謂RAC 即Realtime Array Calibration(實時陣列校準)一種新型的高精度衛星定位接收機，其特點是在不使用任何差分技術、慣性導航、及任何輔助技術，僅僅采用普通民用單頻信號(GPS L1或北斗B1)，就能實現優于1 米(20-60 厘米)的定位精度。此項技術的應用，使高精度衛星定位既擺脫了對地基增強網的依賴，同時又大幅降低了成本，有助于推動高精度衛星定位大規模普及應用、促進各行業信息化建設發展。RAC 衛星定位的工作原理圖如圖2：是由安裝在機車頂端的三組普通定位接收機和處理單元組成的。

圖2：RAC 衛星定位的工作原理圖

RAC 高精定位接收機工作原理：

（1）如原理圖所示，由三個接收機天線相位中心的所圍成的物理幾何圖形為三角形ABC；另一個是以位于頂點的接收機的觀測值（三個接收機計算出來的）所畫出的幾何圖形A′B′C′。如圖3 所示。

圖3：幾何圖形

（2）三角形幾何圖形A′B′C′與ABC 對比：各個接收機天線相位中心的坐標觀測值之間的相對位置的矢量，與已知的各個接收機天線相位中心之間的相對位置的矢量對比，就可以提取出由于各種誤差而引起的偏差矢量，形成一個偏差矢量矩陣函數。

（3）再采用收斂的算法使偏差矢量矩陣趨近于零。

（4）使三角形幾何圖形A′B′C′無限趨近于ABC。

（5）重復進行此過程，直到偏差矢量接近于零。此時三角形ABC 與A′B′C′形狀與大小相同。

（6）此時便可以解算出天線陣列幾何中心點的高精度觀測值的坐標信息。

4.3 RAC高精定位優勢

使用范圍修改費流量費短暫遮擋天線使用操作高動態RTK（載波相位） 地基網絡范圍內有有有敏感需注冊聯網不能RTD（偽距差分） 地基網絡范圍內有有有敏感需注冊聯網不能RAC（單頻）開闊任何地點無無無不敏感無能

最近幾十年來，衛星導航定位接收機必須依靠地基增強系統RTK的支持才能獲得厘米級的定位精度，建設、維護和使用地基增強系統需要的成本巨大。然而RAC定位技術不需要任何地面基準站、差分站、慣性導航、星基增強等輔助性技術，僅使用L1 或B1 頻段便可獲得亞米/分米級定位精度。并解決了RTK 使用中的二個痛點問題，不受差分站地域限制，成本大幅度下降。且具有高精度、高靈敏度、低功耗、體積小等特點。如圖4 所示。

圖4：RAC 高精定位優勢

將RAC 定位技術運用于此次機車定位中，終端定位芯片不再需要單獨定制，也無須再單獨安裝定位天線，此RAC 衛星接收機是集定位芯片及天饋于一體，安裝方便，操作簡單，只需要提供電源便能返回所在位置的定位坐標值。提供的定位值經過簡單的代碼處理就能應用于實際，相比于原來的RTK 方式，方便且節省投資。

4.4 RAC實施效果測試

RAC 定位接收裝置是要求安裝于頂部無遮擋的部位，遠離高壓設備裝置，且高于平面一定高度水平的位置，在名種型號的機車上安裝位置略有不同，最終測試安裝于機車車頂中央大燈上，位置最優。

測試第一步為檢測定位接收機的信號接收能力。通過通道數與衛星跟蹤能力測試信號接收性能，通過接收機返回語句查看接收機收到衛星信號的通道數及跟蹤衛星個數。所測試的RAC 衛星定位接收機有22 個跟蹤通道，56 個捕獲通道，測試時選用NMEA0183 協議以方便觀察衛星的信息。測試過程中發現在空曠地帶時，接收機星數能滿足實際需求，在通過有遮擋的位置時，星數及通道數欠佳。在從有遮擋到無遮擋能夠快速的搜星并重新定位。

第二是靜態定位精度測試，測試RAC 定位技術在終端上應用的定位精度。按以下公式計算定位精度。

Xi,Yi——被測設備解算出的第i 個數據的水平坐標值；

X0,Y0——已知坐標點的水平坐標值。

測試時機車速度為0，測試時長為10min，同時記錄被測設備與手持RTK 接收機的定位輸出結果，將被測設備解算的位置與同一時刻RTK 接收機輸出的位置值相比較。

第三為動態定位精度測試，計算公式如下：

XiD,YiD——被測設備解算出的第i 個數據的水平坐標值

Xi0,Yi0——RTK 接收機輸出的水平坐標值

采用動態定位精度測試RAC 技術在終端上應用的定位精度時，將機車速度控制在30km/h 范圍內，測試時長為10min，同時記錄被測設備與RTK 接收機的定位輸出結果，將被測設備解算的位置與同一時刻RTK 接收機輸出的位置值相比較。

截取部分運動中的定位坐標數據，數據最終轉換成為WGS84 坐標系下的數據，通過GIS 投影在無人機飛行的高清底圖上，軌跡如圖5 顯示，二者在動態下重合度很高，但是在靜態下RTK 優于RAC。

圖5：解算對比

通過對記錄的數據進行解算對比，在開闊地域衛星搜星正常的情況下，定位精度值PDOP 的值在小于3 范圍內，與RTK 所得到的位置信息有相應的偏差，能滿足實際使用需求。其中RAC 定位在運動過程中能把定位精度控制在20CM 內，在靜態時表現欠佳，長時間靜止時靜態漂移大，靜態漂移偏差最高能達90CM 左右。

在一張圖調度系統中，系統與原來的軌道電路相結合將軌道形成路網，系統中實時顯示機車所在股道位置及前方信號燈情況，道口視頻。在定位坐標投影在地圖上前，首先將定位數據進行處理，對靜態漂移數據進行算法過濾、結合軌道路網、RFID 軌道標簽信息的輔助、對偏移出股道的機車加偏移量進行修正補償，始終保證機車能正確實時顯示在所在股道上，完成機車精確定位股道的功能。如圖6 所示，機車在站場停車后，在靜止狀態下也能綁定機車到正確的股道上，達到設計使用需求。

圖6：機車股道定位

5 結論

運輸部一張圖系統的成功應用極大提高了站場調度人員的工作效率和機車定位準確度，改變了傳統的靠調度人員經驗調派車輛的現象，降低了調度人員的勞動強度，減少了各站場調度人員的電話溝通。通過系統就能實時顯示所有運行機車的指令信息，位置信息。提升機車運行效率。通過實施智能化車地聯控，使地面調度人員與機車乘務人員之間形成高效聯動，達到“一張圖調度指揮”的管理目標，為打造現代化的鐵路運輸物流產業奠定基礎。該項目的實施應用，具備較好的經濟效益、管理效益及社會效益。同時也對RAC 高精度定位技術在鐵路運輸行業的應用提供了研究價值，在其定位性能下輔助以其它算法功能，是能夠滿足設計使用需求，具備可運用價值，具有推廣使用的可行性。