基于北斗衛(wèi)星的調車機車跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)研究

胡亞峰

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

鐵路調車機車（調機）是專用于鐵路車站進行列車編組、解體作業(yè)和牽出、轉線等工作的機車。調機作業(yè)是鐵路運輸生產(chǎn)重要的組成部分，涉及機車、車輛、人員等諸多要素，需要調車班組、調度員與機車司機等多工種協(xié)調配合。調車作業(yè)頻繁起動與停車，伴隨較大的起動加速度與頻繁的位置移動，具有點多面廣、隨機性強的特點。為合理地編制調車計劃及對作業(yè)結果進行統(tǒng)計分析優(yōu)化，鐵路運輸部門需要掌握調機的實時作業(yè)位置與歷史作業(yè)軌跡。

運輸部門需要實時掌控的調車位置包括車站與專用線。專用線往往未配備信號設備，無法對調機定位，只能由司機通過對講機向調度員上報粗略位置，準確性與實時性無法得到保證。當前部分重點車站裝設無線調車機車信號和監(jiān)控（STP）系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用地面控制主機和車載控制設備，對聯(lián)鎖及應答器數(shù)據(jù)進行處理，通過車地無線通信技術，實現(xiàn)站內各類調機的位置跟蹤，并通過車載主機向列車運行監(jiān)控裝置（LKJ）發(fā)送控制命令的方式實現(xiàn)一定程度的安全防護。該系統(tǒng)可以得到調機占用的實時進路位置，但無法獲取更精細的點位置，也無法適用于專用線。通過技術手段實時掌控調機的動態(tài)信息，一直是鐵路運輸部門亟需解決的問題。隨著計算技術、傳感技術和通信技術的不斷發(fā)展，研制智能化的調機跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)已具有可行性。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主建設的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，已在國民經(jīng)濟重大領域發(fā)揮了重要作用，其安全、自主、可靠的特點適合鐵路系統(tǒng)應用。通過建設北斗差分基準站及車載臺，并在站內道岔遮擋區(qū)域以應答器作為輔助手段，可為調機提供高精度的位置服務，符合我國鐵路運輸智能化發(fā)展趨勢及國家戰(zhàn)略需求。

本文結合北京全路通信信號研究設計院集團有限公司在該領域的研究成果與系統(tǒng)產(chǎn)品，介紹系統(tǒng)總體結構和功能組成，詳細研究若干關鍵問題，并對應用效果進行了分析。

2 設計目標

基于北斗衛(wèi)星的調車機車跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)以GSM-R/公網(wǎng)4G/北斗短報文融合通信實現(xiàn)車-地雙向傳輸，以北斗衛(wèi)星為主、車載里程計與應答器為輔實現(xiàn)高精度的機車定位，為鐵路站場及專用線的調機作業(yè)提供可靠的管控支撐平臺。

本系統(tǒng)設計應遵循精確性、可靠性、連續(xù)性、可用性與完好性原則。盡管當前北斗二代系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量已足夠保證達到較高的定位性能，但為提高精確性與可靠性，本系統(tǒng)采用北斗與GPS雙模冗余組合定位。為保證定位過程的連續(xù)性，系統(tǒng)采用組合導航技術，在道岔遮擋區(qū)域設置應答器。本系統(tǒng)在地面不設置通信基站，而是充分利用鐵路沿線的既有通信網(wǎng)絡。為提高可用性與完好性，本系統(tǒng)將GSM-R、公網(wǎng)4G與北斗短報文3種通信方式在車載端與中心端兩側分別進行融合。

3 系統(tǒng)結構與功能

3.1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)部署于車站與調機，由中心子系統(tǒng)、基準站子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)與應答器等4部分構成，如圖1所示。

圖1 調車機車跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)架構Fig.1 Tracking and monitoring system architecture of shunting locomotives

中心子系統(tǒng)是信息匯聚與處理中心，由數(shù)據(jù)庫服務器、總線服務器、應用服務器、差分服務器、北斗指揮機、管理終端、網(wǎng)絡設備與信息安全設備等構成。數(shù)據(jù)庫服務器負責本系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)的存取，保證數(shù)據(jù)完整性、邏輯一致性及數(shù)據(jù)查詢的靈活性與高效性。總線服務器對系統(tǒng)各設備的狀態(tài)和消息進行管理，實現(xiàn)鏈路管理與消息分發(fā)功能。應用服務器承載本系統(tǒng)核心業(yè)務的處理功能，包括定位數(shù)據(jù)處理、地圖匹配、作業(yè)智能分析、故障檢測等。差分服務器接收各基準站的差分觀測數(shù)據(jù)，并實時轉發(fā)至車載子系統(tǒng)。北斗指揮機實現(xiàn)中心與調機之間的雙向短報文收發(fā)。

基準站子系統(tǒng)由接收機、基站服務器、天線及饋線、UPS電源、防雷設備、機柜、天線桿、觀測墩以及基準站控制軟件組成，為中心子系統(tǒng)提供實時差分數(shù)據(jù)。為保證連續(xù)可用性，基準站子系統(tǒng)設計為雙基準站熱備份的方式，即部署兩臺接收機同時工作，一主一備，當主接收機出現(xiàn)故障不能工作，立即實時切換到備用接收機。

車載子系統(tǒng)主要由車載主機、天線、支架及車載軟件組成，實現(xiàn)高精度差分解算，并與中心子系統(tǒng)業(yè)務互動。車載主機包括高精度定位板卡、主控板、GSM-R/4G通信模塊、北斗報文通信模塊、電源及主機箱；天線包括北斗衛(wèi)星天線、4G天線及饋線。車載子系統(tǒng)安裝于調機上，其中主機安裝于機車頭部弱電柜內，北斗衛(wèi)星天線與4G天線安裝于機車前側上方。

3.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)主要功能包括調機軌跡實時跟蹤、調機狀態(tài)實時監(jiān)控、調機作業(yè)智能分析、調機軌跡回放與基礎信息管理等5部分。

對于調機軌跡實時跟蹤，中心子系統(tǒng)實時接收車載子系統(tǒng)上報的高精度位置信息，經(jīng)過濾波與定位處理后，得到當前調機的真實位置信息。系統(tǒng)以鐵路電子地圖為背景，實時顯示管轄范圍內在線調機軌跡信息。電子地圖數(shù)據(jù)支持鐵路車站、軌道、道岔、專用線等基礎圖形元素的離線制作，支持放大、縮小、拉框放大、拉框縮小等基本操作。電子地圖提供比例尺顯示、圖層控制、浮動工具欄等擴展功能。用戶通過鼠標操作自動計算距離與區(qū)域面積，可實現(xiàn)鐵路線路圖、行政區(qū)劃圖、衛(wèi)星圖的切換與融合顯示。

對于調機狀態(tài)實時監(jiān)控，中心子系統(tǒng)接收和分析原始調機狀態(tài)信息，實時顯示調機的上下線、速度、當前所在車站、當前占用設備、當前實時里程位置等狀態(tài)信息。系統(tǒng)以不同顏色標識調機的上下線信息，以儀表盤方式實時顯示調機的運行速度信息，以文本方式動態(tài)顯示調機的所在車站、當前占用的線路設備、當前實時精確里程位置等信息。

對于調機作業(yè)智能分析，系統(tǒng)全程記錄調車機作業(yè)位置、作業(yè)內容、作業(yè)進度、運行速度、加減速信息、進出關鍵位置點信息，準確定位影響運輸效率的作業(yè)環(huán)節(jié)。在此基礎上，系統(tǒng)對作業(yè)范圍均衡性與分布合理性進行評估，以充分發(fā)揮和提升調機的運用效率，完善運輸生產(chǎn)布局。

對于調機軌跡回放，系統(tǒng)根據(jù)用戶選定的調機，在給定起止時間范圍內查找在線記錄和歷史軌跡，并在電子地圖中動態(tài)播放。軌跡以不同顏色的曲線形式展示，且電子地圖的邊界隨調機位置變化而變化。

對于基礎信息管理，系統(tǒng)可進行查詢、增刪、修改、同步與合法性檢測等操作。本系統(tǒng)的基礎信息包括電子地圖、調機、鐵路單位及用戶。

4 關鍵問題研究

4.1 鐵路線路建模技術

鐵路線路的平面圖由道岔與無岔設備構成，其中無岔設備包括股道、專用線、閉塞分區(qū)、走行線、牽出線、安全線與禁溜線等。道岔由岔前、定位與反位3條線段組成，無岔由直線、圓曲線及緩和曲線等規(guī)則曲線組成，且曲線半徑較大。當曲線上兩個定位點距離較近時，兩點間的曲線路段可近似視為1條直線。在滿足一定精度條件約束下，任意線路都可由前后銜接的離散點序列分段擬合而成。本系統(tǒng)設置的精度為0.2 m，即擬合后的線路與原始線路最大距離不超過0.2 m。

本系統(tǒng)的鐵路線路建模過程共可分為5步，如圖2所示。對于原始數(shù)據(jù)采集，其來源主要為車載子系統(tǒng)的高精度定位數(shù)據(jù)，對于遮擋或調機不常途徑區(qū)域則以人工測量為主。在預處理階段，系統(tǒng)通過多種濾波算法檢測和刪除原始數(shù)據(jù)中的野值點，并對數(shù)據(jù)中的噪音進行平滑處理。在線路擬合階段，系統(tǒng)對原始數(shù)據(jù)分段擬合，迭代計算得到最優(yōu)的擬合點與擬合參數(shù)。在數(shù)據(jù)融合與校驗階段，系統(tǒng)根據(jù)各線路區(qū)段前后的銜接關系及相鄰線路的最小距離約束，識別出擬合結果中的潛在風險，并對同一線路不同時段的采集擬合結果融合處理。最后，通過電子地圖工具對擬合結果編碼打包，完成地圖數(shù)據(jù)的更新發(fā)布。

圖2 鐵路線路建模流程Fig.2 Railway line modeling procedure

4.2 基于北斗衛(wèi)星的安全定位技術

基于北斗的安全定位技術以北斗高精度定位數(shù)據(jù)為主，車載里程計速度數(shù)據(jù)為輔的定位系統(tǒng)。在遇到隧道、山體、建筑物遮擋等衛(wèi)星可見度低的情況下，里程計可保證實現(xiàn)連續(xù)的調機定位。應答器主要用于站內遮擋的道岔區(qū)段，因其數(shù)量少，且可近似認為是絕對位置，因此在定位算法里暫不描述。

綜合考慮調機定位的精度需求、實施成本及器件可靠性要求，本系統(tǒng)采用RTD差分，水平精度為40 cm。對照安全完整性SIL4級要求，要實現(xiàn)間距4 m的相鄰股道的誤判率低于10-9，僅憑單次定位數(shù)據(jù)顯然不夠，必須比較連續(xù)多次定位數(shù)值的一致性。

定位算法可分為濾波、初始定位、運行定位與故障識別4個模塊，如圖3所示。在濾波階段，以衛(wèi)星定位經(jīng)緯度、衛(wèi)星定位速度、里程計速度為觀測變量，構建調機運動的狀態(tài)方程與觀測方程，應用Kalman濾波算法來實現(xiàn)調機地理位置的誤差控制與優(yōu)化估計。初始定位用于調機起動或由遮擋區(qū)域進入衛(wèi)星區(qū)域，其不僅要確保電子地圖匹配結果的可靠性，還要驗證衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)與里程計數(shù)據(jù)的吻合度。連續(xù)定位用于起始位置確定之后，系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星定位信息與里程計速度信息連續(xù)計算位置。定位過程依據(jù)地圖匹配技術，將調機軌跡與電子地圖中的道路信息相比較，通過高效可靠的匹配算法確定調機最可能的行駛路段及在此路段最可能的位置。在初始定位與連續(xù)定位階段，系統(tǒng)要根據(jù)多個連續(xù)的定位數(shù)據(jù)來確保安全性，定位數(shù)據(jù)的時間長度取決于定位數(shù)據(jù)的時間相關性及定位可靠性指標。故障識別模塊用于檢測各類異常情況，比如里程計的空轉與滑行、衛(wèi)星觀測數(shù)量的突變、衛(wèi)星信號強度過低、差分齡期過大等。

圖3 調機安全定位流程Fig.3 Secure localization process of shunting locomotives

4.3 綜合通信技術

本系統(tǒng)不需自建通信基站，而是充分利用鐵路沿線的既有通信設施。分析本項目的車地雙向通信帶寬需求，GSM-R足夠承載，因此在GSM-R覆蓋區(qū)段優(yōu)先采用該方式。在GSM-R尚未覆蓋的區(qū)域，公網(wǎng)4G是首選通信技術手段。此外，對于既無GSM-R基站也無公網(wǎng)運營商基站的區(qū)域，基于北斗衛(wèi)星的短報文通信成為首選。本項目綜合通信功能需在車載段與中心端同步實現(xiàn)。

車載子系統(tǒng)的GSM-R、4G與北斗短報文都通過模塊實現(xiàn)，其硬件設計主要指主控板與模塊之間的數(shù)據(jù)通路以及信令接口的設計。GSM-R與4G考慮兼容設計，共用天線；北斗報文模塊單獨設置天線。主控板自動檢測各通道的連接情況并按設定規(guī)則自動切換。

中心端設置北斗指揮機，負責收發(fā)短報文，并將短報文轉換為標準的TCP內部數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)關鍵業(yè)務的數(shù)據(jù)通信協(xié)議同步支持TCP與短報文兩種格式，并在特征碼、內容與長度上保持一致。

4.4 運輸能力智能分析技術

運輸能力分析是鐵路運輸?shù)囊豁椫匾ぷ?，各車務段與車站應能及時查定和計算現(xiàn)有條件下所能承擔的最大接發(fā)車和解編作業(yè)能力，及時發(fā)現(xiàn)車站運輸組織中的薄弱環(huán)節(jié)，科學編制運輸組織方案，最大限度發(fā)揮車站的作業(yè)能力。

本系統(tǒng)融合調機軌跡信息與調車作業(yè)計劃信息，實現(xiàn)作業(yè)過程的全程匹配，進而實現(xiàn)站場內各類調機作業(yè)的信息匯總與分析。同時，系統(tǒng)對調機運動過程數(shù)據(jù)進行分析，提取起動、加減速、停機等關鍵時間點，計算實際運行速度與限速值之間的差值，為分析和提高車站解編作業(yè)效率提供支持。

5 應用分析

基于北斗衛(wèi)星的調機跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)在沈陽鐵路局沈陽東站實施。沈陽東站為一等站，管轄范圍直徑超過10 km。全站含26條股道，55條專用線，140組道岔及256條其他無岔設備，如圖4所示。因全站無道岔遮擋區(qū)域，因此不在地面加設應答器。因全站范圍內公網(wǎng)4G信號覆蓋良好，且該區(qū)段無GSM-R信號，因此車地通信方式只選擇公網(wǎng)4G。采用差分基站提供差分數(shù)據(jù)的高精度定位方式。

圖4 沈陽東站線路結構Fig.4 Line structure of Shenyang East station

中心子系統(tǒng)布設于云服務器上，包括數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、總線服務器、差分服務器及防火墻等應用軟件

地面設備為安裝于車站主樓西側的差分基準站，如圖5所示。該基站采用雙接收機雙天線冗余設計，每秒向中心子系統(tǒng)發(fā)送一次差分數(shù)據(jù)包，再由中心子系統(tǒng)將差分信息發(fā)送給在線調機的車載設備，以提高調機定位精度。

圖5 差分基準站衛(wèi)星天線與機柜Fig.5 Satellite antenna and cabinet of differential reference station

車載設備包括主機與天線，其中天線包含衛(wèi)星天線與4G通信天線，結構如圖6所示。車載設備接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)與差分數(shù)據(jù)，完成高精度位置解算，并將調機位置信息、狀態(tài)信息等經(jīng)4G無線網(wǎng)絡傳輸至中心子系統(tǒng)；車載子系統(tǒng)接收和響應中心子系統(tǒng)的相關指令，并返回執(zhí)行結果。沈陽東站用于作業(yè)的3臺調機HXN3B-0125、HXN3B-0126與HXN3B-0127皆安裝該車載設備。

圖6 車載天線與主機Fig.6 Onboard antenna and host

本系統(tǒng)自2018年6月實施以來，已穩(wěn)定運行1年有余，給鐵路運輸部門掌握調機動態(tài)及生產(chǎn)布局優(yōu)化提供了支撐平臺。中心子系統(tǒng)監(jiān)控界面的調機實時位置展示如圖7所示。

圖7 中心子系統(tǒng)主監(jiān)控界面Fig.7 Main monitoring interface of central subsystem

對調機HXN3B-0125隨機選取一段長為4 h的數(shù)據(jù)進行分析，觀察其衛(wèi)星數(shù)變化與定位誤差變化情況，如圖8所示。從圖8可以看出接收器收到的衛(wèi)星數(shù)都在12顆以上，且大部分時間都在18顆以上，滿足高精度定位的要求。以現(xiàn)有電子地圖與定位算法為基礎，將高精度原始位置結果匹配到鐵路線路上，得到匹配點與原始點之間的距離，即為定位誤差。由圖8可以看出，定位誤差的最大值為0.6 m，方差為0.07 m，可用性100%，滿足應用精度與可用性指標要求。

圖8 可觀測衛(wèi)星數(shù)與定位誤差Fig.8 Number of observable satellites and localization error

6 結束語

實時準確地掌握調機軌跡信息，是當前鐵路運輸部門亟需解決的問題之一。本文結合北京全路通信信號研究設計院集團有限公司研究成果，介紹基于北斗衛(wèi)星的調機跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)總體結構和功能組成，詳細分析其中幾個關鍵問題，并對現(xiàn)場應用情況進行分析。需要指出的是，本文所涉及的安全定位技術還需從理論上進一步嚴密論證其精確性與可靠性。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的日益完善，以北斗衛(wèi)星定位為主，多傳感器融合定位模式將在軌道交通各領域迎來廣闊的應用前景。