基于北斗高精度位置服务的站场作业安全防护系统研究

1. 2　车站作业安全防护需求分析

车站内岗位分散、作业流程复杂、作业地点多变，加上股道交错、设备设施繁杂，更容易发生作业险情。铁路站内上道作业风险点包括人员侵限、列车接近、调车接近、“撞、脱”事故、进路冲突等。因此，车站作业安全防护应用需求包括： 

（1）统一的车站授时服务。车站信息系统众多、现场设备设施多样，需要统一、稳定的时间源，形成多系统、多设备间的时间同步，防止系统时间误差造成的预警误报或漏报。

 （2）精准的车站位置服务。车站内人员、机车、机械设备的精准定位数据是实现人员安全防护的基础，常规的定位手段仅能获得10m精度的定位结果，难以满足车站内定位需求，需要利用差分位置服务，结合定位优化手段，实现股道级的定位效果。 

（3）高清的车站地图服务。站内移动对象、固定设备及风险源的实时显示是实现人员盯控，作业指导、应急处置的基础，需要基于高清电子地图实现车站风险点及作业区域的精准识别。 

（4）丰富的业务数据支撑。车站作为铁路接发货物、车列编组、挂载的主要场所，包含有大量的业务数据，众多信息系统均服务于车站作业各个环节，须综合汇入列车到发、现车分布等业务数据，提升车站作业安全防护应用效果。

以北斗时间同步技术、北斗高精度位置服务、铁路GIS技术及大数据分析技术为支撑，汇集站场内多源对象的时空数据，综合考虑距离、方向、股道等因素， 为车站各专业岗位提供定制化作业辅助、风险预警等功能（见图1）。

图 1　基于北斗高精度位置服务的站内作业防护系统技术架构

2. 1　北斗授时及时间同步技术　

北斗卫星导航系统时间（BDT）是北斗授时技术的基准，地面中心站与北斗卫星共同处理、计算并输出统一的BDT，实现系统内的时间一致性。考虑铁路信息系统现状及铁路综合信息网特点，采用NTP及标准接口，服务于TCP/IP组网的任意计算机、服务器、安全设备、存储设备和网络交换设备（见图2）。

图 2　北斗授时NTP时间同步架构

铁路时间同步网包含标准时间复现设备和NTP时间服务器，通过卫星共视方式溯源到国家授时中心UTC时间，并采用“北斗/GPS”双时钟源及NTP时间同步技术组建时间同步网络，作为一级节点基准时钟源。二级节点设置于路局信息机房，可向一级时间节点系统进行溯源。三级节点可根据需求设置时间服务器，向二级节点进行时间溯源，提供面向各业务设备的统一授时服务。

站场内各业务系统通过综合信息网访问上级节点获取统一的时间基准，使得站内人员、机械设备、业务系统信息可以在统一时间条件下进行汇聚处理。

2. 2　北斗高精度定位技术

2. 2. 1　北斗高精度位置服务网　

北斗高精度位置服务网由现场设备、传输网络及高精度解算模块组成（见图3）。

图 3　北斗高精度位置服务网系统组成

北斗基准站建设于车站楼顶，接收机设备全天候、全天时连续追踪站内可视卫星，并利用数据通信网将原始观测数据传输至数据处理中心，经高精度解算模块解算后，生成高精度位置服务，并通过移动公网或专用局域网播发给车站内的人员、机车等用户。各类配备高精度定位模块的用户利用高精度位置服务，结合实时动态差分技术能够获取厘米级的定位结果，该精度下可轻易分辨上下行及站内股道。通常情况，1套北斗基准站能够覆盖20km范围的车站区域，但对于大型编组站或建筑物密集的车站，可以通过基准站组网或多网融合的方式，优化高精度位置服务网的服务质量。

2. 2. 2　站内误差建模方法

卫星导航系统固有误差对系统定位性能有较大影响，不加校正使用卫星原始信息可能会导致误差过大，按照误差的来源不同分为3种误差源（见表1）。

表 1　卫星导航误差源

利用高精度位置服务，实时动态定位技术（Realtime Kinematic，RTK），能够消除卫星钟差、星历误差、大气层延时及接收机钟差。因此对于站内人员、机车及其他移动设备，多径效应是影响定位误差的主要因素。调车机天线通常安装于车顶，因此受到多径效应影响较少，而对于作业人员而言，车站机车、建筑物、信号设备等都会对卫星信号产生折射，影响定位精度。多径效应受天线所处环境影响，且这种影响随着卫星运动而变化，通常多径效应需要借助天线升级来削弱影响，常用的建模方法则是利用卫星高度角模拟天线周围环境的折射效应计算。详细见原文。

2. 2. 3　车辆轨迹匹配方法

除了对卫星导航误差进行建模消除，还可以通过多源信息融合方式提升车辆定位效果。考虑机车沿股道走行的特性，利用测绘技术可获得车站范围内所有股道的空间数据，结合地图轨迹匹配算法，能够进一步提升调车机位置的可用性。为了克服“点-点”“点线”匹配方法精度较低的问题，综合考虑机车航向角及速度等因素，形成基于权重的地图匹配方案，匹配权重函数见原文。

2. 3　高精度地理信息技术

2. 3. 1　GIS地图采集、校正及生成　

按照车站既有界限，利用无人机对其进行高精度地图采集，平面基准采用2000国家大地坐标系（CGCS2000），投影使用高斯-克吕格投影（参数设置 为6°分带，中央子午线为105°），高程基准采用1985国家高程基准。利用无人机倾斜摄影，获取车站范围内倾斜影像数据，分辨率优于0.05m，经数据处理后生产高精度实景二维或三维模型成果。 

（1） 高精度地图采集。无人机航摄应选择能见度良好，风力较小的天气进行，航飞时段应控制在10∶00至15∶00之间，尽量保证建筑物阴影较少；无人机起飞和降落的地面风力1~2级为宜，空中飞行的风力应小于4级以保证航片的重叠度；航摄区域内高程小于30m的，以平均高程面为基准，大于30m的应分区域航飞，保证区域间有重叠；航线航向重叠大于80%， 旁向重叠大于70%。 

（2） 高精度地图校正。根据倾斜摄影结果，核验影像地图质量、层次，校验矢量地图精度优于厘米级，为了实际地图生成效果，还需要对地图进行影像匀光匀色、空中三角测量及加密工作。 

（3） 高精度地图生成。车站地图模型通常采用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）成果，可真实表达地形起伏、空间位置。基于车站实景三维mesh模型，对地形特征进行三维矢量提取，车站地图数据成果需包括规则格网和不规则三角网2种格式，其中规则格网尺寸为0.5m×0.5m。

2. 3. 2　车站固定风险源标定

生成的车站地图数据包含矢量和影像2类，针对车站内的固定风险源，其标定手段有2种方式：人工测量和矢量标定。人工测量法是依靠人员携带测绘设备上 线，针对车站内各点位进行毫米级测量，其优点是精度高，但相应成本也较高；矢量标定则是利用匹配后的影像数据与矢量数据，通过GIS地图进行风险数据读取，该方法无需上线测量，其精度仰仗于GIS地图采集精度，通常在厘米级。对于站内作业而言，通常采用“矢量标定为主，人工测量为辅”的标定方法，即对站内绝大部分设备设施利用矢量标定法获得空间位置，而对于关键信号设备、咽喉区域风险项可通过人工测量进行补充采集。

车站风险源主要关系到车务及机务的作业安全，常见的风险源包括：车站高站台、油鹤、平过道或道口、厂区大门、脱轨器、高柱信号机、尽头线土挡、距离线路较近的接触网杆等。

3. 1　系统总体架构

站场作业安全防护系统由接入层、传输层、汇聚层、业务层及展现层组成（见图4）。

图 4　站场作业安全防护系统总体架构

接入层包含车站现场具备定位功能的移动终端，终端类型包括北斗基准站、人员终端、执法记录仪、车载终端、应急指挥终端、数据采集器等，用于获取现场实时位置、状态、视频等数据。

传输层包括铁路内部服务网、移动公网及移动专网等，用于传输车站范围原始卫星观测数据、人车高精度位置、速度及其他业务数据。

汇聚层包含北斗授时服务、高精度位置服务、车站地图服务、车站业务数据、视频及语音数据等，基于数据汇聚与分析能够实现业务层各项功能。

业务层包含站场综合管理、作业人身安全管理、应急处置、作业记录及设备管理4大业务模块，是实现车站作业管控的功能要素。

展现层包含站段指挥中心、值班室、监控室和行车室的各类大屏及PC终端，通过铁路内部服务网能够掌握车站现场作业过程。

3. 2　车站业务数据接入

（1）车站联锁系统/CTC系统。车站内机车移动由铁路信号指引，值班员结合作业计划，通过计算机联锁系统为机车开放调车进路，同时依据CTC系统的列车到达时间及进路情况向现场作业人员提供语音预警。车站联锁系统及CTC系统直接影响行车安全，通常利用铁路信号微机监测系统（简称微机监测系统）提供相应数据接口，微机监测系统能够实时监测车站信号设备状态，包括信号机灯位、道岔定反位、股道占用情况等。可利用串口单向接入系统开关量数据，将进出站信号机、调车信号机、道岔状态及股道状态与电子地图匹配关联，向车站内的用户提供实时铁路信号信息。 

（2）现车系统。现车系统作为铁路调度的关键系统，提供铁路货运车站作业的关键业务信息，包含作业计划、车站到发、现车分布、装卸车等数据。现车系统部署于铁路综合信息网，支持以接口的形式向应用平台提供相应业务数据。 

（3）视频监控系统。货运车站普遍建设有视频监控系统，针对重点区域和关键设备设施进行全天候监控，支持对行车及作业情况进行辅助监管。视频监控系统通常由专网承载，可与综合信息网打通融合，以接口形式提供视频数据。

3. 3　站场防护应用功能

（1）站场信息综合展示。借助精准、高清的车站GIS底图，管理人员能够通过应用系统查看车站范围内的社会基础地理信息（行政区划、山川河流、道路村 庄等社会人文要素）与铁路空间信息（铁路线路、车站、站场等铁路基础设备设施要素），同时能够直观查看站内携带高精度作业终端的人员位置、调车机位置、股道停留车、站内现车分布及信号设备状态等信息。 

（2）站场资源快速检索。系统提供铁路基础设施统计与搜索功能，整合各类基础设备、设施数据进行数据加工，形成基础设施数据库，并以台账的形式进行统计，管理员可根据设备、设施类型、编号等条件进行信息检索与位置定位。 

（3） 作业过程标准化监控。车站内的实时动态数据及基础设施状态数据均存储于应用系统内，系统支持根据时间、作业人员姓名、作业计划等条件，回放人员、机车轨迹及对应状态信息，对作业流程标准进行评价和指导。 

（4）站场视频自动化调取。系统根据作业人员或调车机车的位置自动调取距离其最近的摄像头视频，用于对作业过程进行指导监督，辅助应急状态下地快速指挥。 

（5）电子围栏自动预警。通过采集车站内的信号设备空间位置，并将地图数据与公里标进行匹配，系统支持按信号机、道岔、公里标等条件自动生成电子围栏，当作业人员进入禁行区域或跨越作业区域时，可通过终端进行声光报警。 

（6）人车协同预警。系统实时获取人车位置，自动计算人车距离，并将距离与股道数据进行匹配，基于匹配后的距离进行人车双向预警。 

（7）固定区域安全预警。对标定的固定风险源，如高站台、影响调车作业的大门、平过道、距离线路较近的信号机及接触网杆等，当调车组人员靠近风险源时自动安全提醒。 

（8）机车安全标志提醒。针对牵出线/尽头线/接触网终点标等需要一度停车的标志，系统自动计算距离安全标志的距离，提前提醒司机减速停车。

 （9）进路办理安全预警。通过接入车站微机监测系统开关量数据，当值班员办理进路后，系统将自动识别轨道电路白光带，并生成对应轨道区段的禁行区，向区域内及相邻区域用户提供安全预警。 

（10）应急指挥与处置。现场作业人员在紧急情况下可视频直呼指挥中心或监控室，后台管理者可根据视频了解现场情况，并做出处置决定。 

（11）作业信息上报。作业人员在巡检时须及时上报作业过程中发生的隐患和异常，通过图片、视频、表单等描述信息对异常情况充分描述。 

（12）作业数据统计分析。对终端上传的信息、设备在线率、预警触发等信息进行统计，实现关键数据可视化展现，可根据部门和日期进行筛选查看。

 （13）权限及设备管理。应用系统支持按照不同人员分配权限等级，同时支持对部门架构、成员、通话组等进行增删改，实现对车站在网设备的统一管理。

3. 4　应用效果

目前，基于北斗高精度位置服务的站场作业安全防护系统已在部分路局编组站、中间站得到应用，某货运铁路中间站站场作业安全防护系统应用效果见图5。北斗基准站建设于站内信号楼，可提供覆盖全站的北斗高精度位置服务，利用无人机航飞，生成车站高清影像地图及矢量地图，系统接入车站微机监测系统数据、固定风险源数据、作业人员及机车数据，实现车站作业全过程的可视化监管 和现场风险的自动提醒。

图5　站场作业安全防护系统应用效果

站场作业安全防护系统应用后，指挥中心值班员、行车室防护员可实时查看作业人员位置，调取人员终端及现场监控视频，满足车务专业对车站作业过程管 控的需求；现场作业人员结合多形态终端，可获取险情上报、应急呼叫、风险提醒等功能服务；调车机车司机可查看车站信号状态及作业人员位置信息，实现人车信息互馈的创新应用。

基于北斗高精度位置服务的站场作业安全防护系统以北斗高精度定位技术为基础，结合地理信息技术、时间同步技术及站内服务的铁路业务数据，实现车站内“人、车、物”等典型对象时空数据的统一汇聚与分析，以信息化手段提供信息综合展示、作业风险自动预警、应急处置等核心功能，形成“人-车-物”三位一体的协同防护机制，向车站各岗位提供定制化服务，实现车站危险关系可量化、报警方式多样化、过程管理可溯化的安全生产目标。