摘要：为有效避免机车车辆撞轧事件的发生，保障作业人员的人身安全，国能朔黄铁路肃宁分公司在列车接近人身防护系统的基础上，围绕营业线施工开展“ 四联控”（车站、机车、作业人员和防护人员）智能管控模式的探索，铁路行车实时信息显示及安全防护导航终端研制项目是“ 四联控” 模式的有机组成部分，开发基于北斗高精度定位技术、GIS 电子围栏技术、智能行为分析、物联网、大数据、信号微机监测系统数据的智慧型防护系统，立足于立体化的人身安全监控平台，实现视听结合的动态监护过程，最终达到保障人身安全的目的。

关键词：“ 四联控”、动态监控、安全防护

1 概述

有效保障铁路行车安全和现场作业人员的人身安全是国内外铁路建设与发展的永恒主题。作为“ 四联控” 智能管控模式的有机组成部分，铁路行车实时信息显示及安全防护导航终端的主要作用是实现机车驾驶员对周围环境的掌握。通过实时采集铁路信号、作业人员定位设备信息以及通过机车车载设备获取机车运行位置，利用自研安全算法进行计算，实时传输至自研的车载导航终端，终端一方面通过导航界面展示行车信息，一方面播报危险预警信息，由司机进行及时的操控处理，避免事故的发生，保障行车安全。

2 研究内容

铁路行车实时信息显示及安全防护导航终端项目基于北斗卫星定位系统和物联网技术进行“ 铁路线上人员防护” 场景特化研究，结合微机监测系统实现对作业组全组人员和列车的高精度定位，同时对铁路线上作业人员行为模式进行逻辑化分析，建立可靠的防护模型，将实时作业人员位置、列车运行前方信号设备状态表示、铁路线相关信息和危险预警信息推送给列车显示终端，使机车驾驶员能够掌握前方作业人员的实时状态，根据危险提示及时判断实际危险并采取措施，进而形成一套防护员、车站、机车都能及时获取必要信息的立体化闭环防护体系。

3 研究目标

本项目的研究目标是减少作业人员对现场防护员的依赖，有效降低防护员劳动强度，克服因地理因素、气象条件、防护意识、身体状况等原因带来的防护障碍。同时，分析线上作业人员行为模式，准确掌握线上作业人员的位置和状态，既能有效协调资源，降低运营成本，又使得防护更加直观全面，防护效果及安全系数大大提升。

4 研究创新点

铁路行车实时信息显示及安全防护导航终端研制融合了北斗卫星定位技术、基准站差分定位、RTK技术、实时通信技术、安卓等应用程序开发、后台诊断系统和自监测自诊断技术，实现厘米级定位，把铁路行车实时信息及作业人员的位置推送到列车驾驶室的显示终端，终端提前向驾驶员提示危险预警信息。

5 系统设计

5.1 架构设计

项目应用的主要硬件包括：机车导航终端、机车定位主机、服务器、RTK 定位基准站以及人身安全防护预警系统方案内包含的微机监测数据采集分析设备、北斗定位基准设备、人员定位设备、扩音终端设备。系统架构设计如图 5.1 所示：

图 5.1 系统架构设计

信号微机监测数据采集设备：在车站信号机械室安装采集机和主机，或中心机房设置采集服务器。采集机包含数据采集、加密传输、光电隔离等模块，负责初步处理接受到的开关量信息，并发送给站场主机。采集机的基本构造如图5.2 所示：

图 5.2 采集机内部示意图

主机的基本构造如图5.3 所示：

图 5.3 主机示意图

服务器分为内网服务器和外网服务器，内网服务器作为核心，主要用于处理各站场主机传输的数据、实时更新动态防护区域和及时发布预警信息等；外网服务器主要汇总作业人员、机具的定位信息和进行远程维护。

RTK 定位基准站：载波相位差分基准坐标设备，使用北斗卫星定位系统，将定位设备的定位精度提升至厘米级，安装在站场附近相对制高点。

定位报警终端： 现场防护员携带可语音播报的手持终端，作业人员佩戴定位报警肩章，机车安装机车定位主机，轨道车、工程车安装车辆定位终端。

监控终端：系统可通过在机车司机室安装机车导航终端，将设备所在机车的当前位置、前方信号机表示、道岔定反位表示、前方进路开放情况及周边轨道占用情况、作业人员位置等信息推送给司机，发现侵限人员或出现其他紧急情况及时向司机发出报警。

5.2 技术设计

5.2.1 现有技术基础

国能朔黄铁路肃宁分公司现有人身安全防护预警系统可以用于本项目的研发，一是由微机监测系统数据计算现场信号设备状态表示情况，在机车导航终端显示进路情况及周边其他列车情况；二是由人员定位终端提供定位数据，经定位基准站进行矫正，将误差控制在厘米级，得到精确的人员位置信息，用于在列车导航终端显示列车运行前方的人员分布。

5.2.2 北斗厘米级差分定位技术

RTK 是一种新的常用的全球定位测量方法，载波相位观测值进行实时动态定位的技术，其关键在于数据处理技术和数据传输技术。它能够在野外实时提供测站点在指定坐标系中的三维坐标，并达到厘米级精度。在 RTK 作业模式下，基准站通过数据链将其观测数据和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅接收来自基准站的数据，自己也要采集观测数据，并组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级的定位结果。其优势在于迅速获取厘米级精度定位结果，极大提高工作效率。

图 5.4 基于北斗导航的差分定位示意图

RTK 技术也有一些明显的缺点，一是 RTK 技术有效范围限制在 15 公里以内，当流动站与基站相距过远时，将导致 GNSS 定位误差的空间相关性增大，导致观测时间增加；二是可靠性不足，因为流动站的坐标仅通过一个基站来定位的。铁路线的距离往往成百上千公里，将 RTK 技术应用在列车定位时，往往受到其自身定位距离的限制，很难实现跨区域定位，只能在铁路沿线铺设大量基站来实现连续定位，造价成本过高。创建单基站 RTK，数据中心配置接收机参数，监控卫星情况，收集 GNSS 静态数据，并且实现数据传输，设置端口。主要作用为数据处理，分析基准站传输的数据，并且对数据解算，构成标准格式差分使定位信息改正，高精准定位数据发送到移动站中。

5.2.3 RTK+惯导组合定位

RTK+惯导组合定位技术结合了RTK 实时动态差分定位和惯导系统。惯导系统是一种基于加速度和角速度的导航系统，它通过测量物体的加速度和角速度来计算物体的位置和姿态信息。利用 RTK 技术进行列车定位时，定位精度会受到遮挡、多路径效应等因素的影响，而惯导系统具有抗干扰能力强、可靠性高的优点，将两者结合形成RTK+惯导组合定位，就能够实现优势互补，取得高精度、高可靠性的定位结果。RTK+惯导组合定位可以通过以下方式实现：一是将两者的数据融合在一起，通过算法优化提高定位的精度和可靠性；二是利用两者各自的优势，实现优势互补。当列车运行到遮挡或信号弱的区域，RTK 定位可靠性降低，但是惯导系统可以正常工作，保证定位系统的连续性。三是两者可以实现互相备份，当一个系统出现故障时，另一个系统可以继续工作，保障定位的准确性。

5.2.4 北斗定位+RTK 实现站场图数字化

北斗定位+RTK 技术能够针对车站站场物理元素定位，准确、实时掌握列车、信号机、道岔和股道分布位置，建立数字化的站场图。铁路站场数字化的实现要利用北斗定位技术对站场内的股道、信号机、道岔等元素进行精确定位，通过计算机将这些元素的位置信息与站场图相匹配，将卫星定位所得高维位置信息转换为沿轨道的一维坐标系，实现站场图的数字化机车车载设备通过获取自身定位并使用GIS 技术与站场数据进行匹配，与列车位置应用系统形成有效交互，保证车辆在站场内精准运行 ， 为列车安全防护、调度、监控等作业提供可靠保障。

6 功能实现

系统可实现功能包括：列车接近预警、危险区域动态预警、作业人员实时定位、现场作业管理、报警记录查询、历史状况回放、危险语音提示等。

1.列车接近预警

数字化系统自动进行列车进路、列车位置及运行方向等分析，形成列车接近预警信息，在手持终端、集中监控终端等设备进行语音、文字播报。该功能可以让现场作业人员及时了解与自己相关的列车行进状况，在现场防护员或者驻站防护员因故未能及时提醒的情况下，做好提前撤离的准备。

2.危险区域动态预警

当列车进入作业人员当前防护区域时，根据不同距离而发出不同等级的提示，要求相关人员及时下道避车，并向手持终端及集中监控终端发布预警信息。防护区域外的列车信息不再播报，以减少无关信息对作业人员的干扰。

3.作业人员实时定位

基于北斗卫星导航系统的高精度定位，终端能够将人员机具的实时位置误差控制在厘米级，形成了现场防护员携带手持终端，作业人员佩戴定位报警终端，重点机具安装机具定位终端的模式，实现了对现场防护员、各作业人员以及重点作业机具的精确定位。

4.现场作业管理

系统根据工作单划定安全区域、危险区域、工作时间等，同步跟踪并记录出入网时间及人员、机具情况，作业时人员位置、防护员操作记录等信息，经由行为分析模块智能分析处理，自动监控危险行为的发生。

5.报警记录查询

违规行为、危险行为均实时记录留档，可回放。记录内容包括人员姓名、设备名称、所在站、所属工作单、违规类型（或报警等级）、发生时间等。

6.历史状况回放

监控设备上，可同步回放站场历史画面及作业人员位置，并可查询指定人员在特定时段的移动实况，以及列车运行情况。

7.危险信息语音提示：

除了显示内容外，在列车行进过程中，如果前方有作业人员侵限，导航终端将进行危险语音播报和终端界面边缘泛光预警。根据侵限人员与机车的距离远近，播报语音和泛光颜色也不同。

7 应用实例

7.1 试验环境

朔黄铁路公司指定安国站为试验地点，在该站进行一系列部署，如表 1 所示：

表 1 试点站试验部署

7.2 功能验证假定试验情景：有一列安装有机车监控终端的列车，自定州东站出发，向安国站驶来。安国站内有两组作业人员停留，均佩戴人身安全防护系统定位肩章。一组在 3 号道岔处侵限位置，一组在西咽喉上道口处。功能验证项目及内容如表2 所示：

表 2 功能验证内容及项目

8 结论

本系统基于北斗卫星定位系统和物联网技术，把铁路线相关信息、人员车辆位置信息和危险预警信息推送给列车驾驶员、现场防护员、驻站联络员、现场操作人员，实现现场情况直观共享；利用大数据分析工具和 GIS 平台，综合分析列车运行、站内进路及作业人员作业过程数据，为邯黄铁路上线作业提供人身安全提供数据化支持，对作业过程中的不规范行为发出预警；实现了人车位置数字化、可视化、危险关系可量化、报警方式多样化、问责机制可溯化等效果，以科技创新提升安全水平为导向，致力于风险隐患超前防范、源头治理、系统治理，构建人防、物防、技防“ 三位一体” 安全保障体系，大幅提升线上作业安全水平，全面保障铁路运输安全。

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