鐵路集裝箱定位數據轉換關鍵技術研究

劉建軍，楊文韜，劉 冰，張義川，吳 昊

（1．中鐵集裝箱運輸有限責任公司 信息統(tǒng)計部，北京 100055；2．中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081；3．中鐵集裝箱運輸有限責任公司 武漢分公司，湖北 武漢 430071）

1 鐵路集裝箱定位數據采集及轉換

隨著近幾年低功耗芯片、節(jié)能控制及高性能電池技術的進步，有源定位追蹤器向體積更小、續(xù)航時間更長的方向發(fā)展，已經廣泛應用于多個行業(yè)[1-2]。鐵路集裝箱定位管理系統(tǒng)通過計算機網絡技術、無線通信技術、地理信息技術和全球定位技術，依托安裝在集裝箱上的有源定位追蹤器，實現在全球范圍內的全天候對鐵路集裝箱位置信息實時掌控，滿足現代物流對貨物實時追蹤的需要。有源定位追蹤器支持衛(wèi)星定位和基站定位，將每次采集到的相關衛(wèi)星或基站實時定位信息回傳至系統(tǒng)監(jiān)控中心，系統(tǒng)監(jiān)控中心將原始定位信息轉換為鐵路位置信息，這種關聯是通過將原始的經緯度坐標進行坐標變換、糾偏處理和地圖投影，最終轉換成系統(tǒng)GIS地圖中的鐵路位置信息來實現。鐵路集裝箱定位數據轉換流程如圖1所示。定位數據的轉換是一個比較復雜的過程，通過研究系統(tǒng)基站庫創(chuàng)建方案、基站定位下的糾偏運算及交叉或鄰近線路糾偏錯誤處理等關鍵技術，有效解決鐵路集裝箱定位管理系統(tǒng)中的鐵路定位數據轉換問題，為實現高準確性、高實時性的鐵路集裝箱追蹤提供技術借鑒。

圖1 鐵路集裝箱定位數據轉換流程Fig.1 The container location data transfer process

2 鐵路集裝箱定位數據轉換關鍵技術

2.1 基站定位解析數據庫的創(chuàng)建

雖然衛(wèi)星定位可方便直接地得到經緯度，但是在鐵路運輸過程中，經常會經過隧道、涵洞、雨棚、倉庫等很多衛(wèi)星無法定位的地方，此種條件下基站定位是一個不錯的補充方式[3]。由于基站定位回傳的僅是基站相關編號和信號強度等信息，需要有基站解析庫的支持才可以轉換為經緯度信息，為了保證基站解析的穩(wěn)定可靠，鐵路集裝箱定位系統(tǒng)應建立自己的基站定位解析數據庫。傳統(tǒng)的基站定位大多是通過采集3個以上基站編號和信號強度等信息后通過后臺服務器利用三角定位的方式解析出經緯度位置，這種方式需要后臺服務器端有大量詳細的基站經緯度坐標信息，詳細的基站經緯度坐標一般由電信運營商掌握，不易獲取，部分程度上限制了某些行業(yè)的應用[4]。單點基站定位解析數據庫方式無需復雜的解析算法，速度快，精度相對較低，由于鐵路集裝箱運輸的定位不需要特別精準的定位精度，可以采用單點基站位置代替請求終端位置的方法來建立基站定位解析數據庫，大部分第三方基站服務提供商均采用此種方式[5]。因此，可通過以下方式來建立和擴展適合自己使用的單點基站定位解析數據庫。

（1）在集裝箱運輸過程中，使用有源定位追蹤器采集衛(wèi)星定位信息，與聯網注冊基站信息進行匹配后加入到本地基站庫中。衛(wèi)星定位信息方法建立的基站數據庫非常符合鐵路集裝箱運輸定位特點，但是如果還有多次定位追蹤器在同一地點產生的定位數據，則無需更新基站庫。衛(wèi)星定位信息添加基站庫流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星定位信息添加基站庫流程Fig.2 The adding process of satellite location information to base station library

（2）通過請求第三方的基站庫進行查詢，得到的數據存入本地基站庫中?；径ㄎ恍畔⒎椒ㄐ枰獙Φ玫降幕径ㄎ粩祿M行篩選判斷，主要判斷方式就是其第三方基站庫返回的模擬位置與上次定位位置之間的距離，是否超過貨車最高速度乘以2次定位時間(給出適當的余量)的距離。如果不超過則存入本地基站庫，超過則舍去?；径ㄎ恍畔⑻砑踊編炝鞒倘鐖D3所示。

在中歐班列鐵路集裝箱定位系統(tǒng)和定位追蹤器的研發(fā)過程中，采用上述2種方式采集中歐班列基站定位信息，建立了基站定位解析數據庫，通過將近一年的數據采集，基站定位庫的數據達到72 839條，解析成功率達到80.4%以上，基本能夠滿足中歐班列沿線國內外基站定位數據的解析。

圖3 基站定位信息添加基站庫流程Fig.3 The adding process of basestationlocation information to base station library

2.2 定位數據的糾偏運算

無論是采用衛(wèi)星定位還是基站定位的方式，由于定位精度的問題，其原始定位點都會偏移鐵路線，為了能夠很好地投影顯示到鐵路地圖上，需要進行強制糾偏處理即通過算法來強制地投影到相關已知線或點以顯示到鐵路線上[6]。

由于衛(wèi)星定位精度高，漂移范圍小(10 ～ 20 m范圍)，糾偏較為簡單，只需要根據鐵路地圖的精度及衛(wèi)星定位的精度，加載一個稍大的糾偏閾值即可。但是對于單點基站定位解析出的數據，其糾偏過程較繁瑣，尤其利用第三方基站庫解析出的定位數據，其閾值會依據基站類型的不同而不同。根據實測數據，如果連接為4G基站，單點定位精度在50 ～ 1 000 m以內；如果連接為3G基站，單點定位精度在1 000 ～ 5 000 m以內；如果連接為2G基站且地域空曠，單點定位精度則會擴大到5 000 ～ 8 000 m以內。在此種情況下，如果僅采用一次糾偏模式對數據進行處理，合適的糾偏閾值很難確定，采用較大糾偏閾值會造成基站定位點被糾偏到錯誤的車站上；如果采用較小糾偏閾值，又會造成糾偏成功率較低，因而創(chuàng)新性地采用了二次動態(tài)糾偏的方式來對單點基站定位解析數據進行處理，糾偏處理過程如下。

（1）根據鐵路運輸特點，鐵路集裝箱定位類型分為在站、在途和路外3種。依據外部運輸信息判斷集裝箱是否在途，如果不在途，則不進行鐵路線站的糾偏運算，如果在途，則采用鐵路線站的糾偏算法。

（2）判斷定位數據的類型，如果是衛(wèi)星定位數據，調用糾偏接口采用一次糾偏的方式，加載衛(wèi)星定位糾偏距離參數，得到糾偏返回值；如果是基站定位數據，進行下一步流程。

（3）先判斷連接基站類型，針對不同的2G，3G，4G基站類型，采用不同的糾偏距離參數，為了盡量減少糾偏到相鄰車站上的可能性，采用二次動態(tài)糾偏的方法。

（4）調用糾偏接口進行第一次糾偏，第一次糾偏加載較小的糾偏距離參數，將得到多數初始定位點的糾偏返回值。

（5）對于少量一次糾偏未成功的初始定位點，繼續(xù)調用糾偏接口進行第二次糾偏，加載一個較大的糾偏距離參數，得到另外一些初始定位點的糾偏返回值。

（6）其余剩下還未糾偏成功的初始定位點，放入異常定位數據庫。

定位數據動態(tài)糾偏流程圖如圖4所示。

通過上述糾偏處理過程實現二次動態(tài)糾偏算法并進行了對比測試，對100個基站定位點進行一次糾偏，成功率為88.5%，采用二次動態(tài)糾偏處理后，成功率為94.6%，大大提高了糾偏的成功率。

2.3 交叉或鄰近線路糾偏錯誤進路搜索優(yōu)化處理

衛(wèi)星定位和基站定位都存在漂移或誤差，因而無論采用什么樣的糾偏優(yōu)化算法，依然無法避免在糾偏過程中產生錯誤，產生錯誤主要有2種情況：一是因為鐵路線路中存在交叉線路，二是因為鐵路線路中存在鄰近線路。在這2種情況下，假設白色三角點為原始定位點，黑色圓點為糾偏修正點，糾偏算法是按照就近原則進行糾偏，由于原始定位點距離錯誤線路更近，于是就會造成糾偏后錯誤地跑到其他線路上的問題，就需要根據鐵路線路的連通性進行進路搜索來去剔除錯誤的糾偏點或者是進行修正。糾偏錯誤條件下進路搜索優(yōu)化示意圖如圖5所示。

圖4 定位數據動態(tài)糾偏流程圖Fig.4 Flow chart of dynamic recti ficationfor location

圖5 糾偏錯誤條件下進路搜索優(yōu)化示意圖Fig.5 Diagram of route search optimization under recti fication error conditions

（1）交叉線路。如圖5中交叉線路情況所示，3個定位修正點A1，B1，C1之間有可行的路徑可以到達，存在有交匯車站N，且無其他定位點。3個定位修正點A1，B1，C1，必須經過A1—N—B1—N—C1，其中N點出現了2次，即出現了N—B1和B1—N往返進路，應將B1點用N來替代。以鐵路集裝箱定位追蹤器采集的定位數據為例，將此方法用于實際線路中，交叉線路定位修正示意圖如圖6所示。在蘭新線與敦煌線的交叉區(qū)域，集裝箱原本定位點都在蘭新鐵路線上，由于基站定位誤差大，在交叉區(qū)域錯誤地糾偏到了敦煌鐵路線上，通過進路搜索優(yōu)化算法，將原本錯誤的糾偏位置修正到了2條線路的交叉點柳溝站。

圖6 交叉線路定位修正示意圖Fig.6 Diagram of locationrecti ficationfor cross line

（2）相鄰線路。如圖5中相鄰線路情況所示，3個定位修正點A1，B1，C1之間無可行的路徑可以到達，如果不通過其他定位點，沒有交匯車站可以直接連通過去。3個定位修正點A1，B1，C1，因為沒有交匯的車站可以過去，因而可以去除B1點，只保留A1—C1的進路。將此方法用于實際線路中，相鄰線路定位修正示意圖如圖7所示。在蘭州樞紐區(qū)域，集裝箱原本的定位點路線應該沿大沙坪—蘭州北—石崗—坡底下走行，由于基站定位誤差大，錯誤地糾偏到了相鄰的穎川堡附近線路上，通過進路搜索優(yōu)化算法，去除了該定位點。

圖7 相鄰線路定位修正示意圖Fig.7 Diagram of positioning recti fication for adjacent lines

3 結束語

在中歐班列集裝箱定位信息系統(tǒng)的建設過程中，系統(tǒng)地提出了本地單點基站定位解析庫創(chuàng)建方案，采用動態(tài)糾偏算法提高了單點基站定位數據糾偏的成功率，基本解決了鐵路集裝箱定位系統(tǒng)中遇到的地理信息數據轉換處理問題，改善了班列追蹤的效果，取得了較好的應用價值。在動態(tài)定位數據的采集、轉換和顯示中還存在很多難點，相同的問題也存在于其它類似的追蹤定位系統(tǒng)中，該處理方法為這類問題的處理提供了一種新的思路，有助于推動有源定位追蹤器對在鐵路集裝箱運輸中的應用。