基于高精度北斗組合定位電子圍欄技術(shù)研究及應(yīng)用

文| 歐陽籽勃 陳云峰 宋志丹

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院

2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司

一、引言

鐵路工務(wù)施工作業(yè)具有流程多、作業(yè)的區(qū)域大、施工環(huán)境條件差、現(xiàn)場(chǎng)的施工人員和車輛多等特點(diǎn)，目前大多還是采用視覺、聽覺和集體作業(yè)防護(hù)等以人為主的管理和技術(shù)手段相結(jié)合的方式，已經(jīng)難以適應(yīng)高速鐵路智能化、信息化發(fā)展要求。

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目前，施工人員或大型設(shè)備的設(shè)備定位精度主要采用GPS定位、超寬帶（UWB）定位、北斗定位等，但在實(shí)際使用情況下，受限于人員移動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的遮擋，定位效果在5～10m，少數(shù)情況能夠超過30m。在通信方面由于鐵路沿線情況復(fù)雜，對(duì)于西部鐵路，公網(wǎng)覆蓋情況相對(duì)較差，一旦公網(wǎng)信號(hào)缺失，將會(huì)失去對(duì)人員和大型設(shè)備的位置跟蹤功能，在緊急情況出現(xiàn)時(shí)，不能及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)施工人員或車輛，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

綜上，本文提出基于高精度北斗組合定位施工防護(hù)電子圍欄技術(shù)，利用我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，融合慣導(dǎo)信息和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，對(duì)鐵路工務(wù)施工人員或大型設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)定位和監(jiān)控，通過設(shè)置圍欄警戒，及時(shí)對(duì)施工人員或大型設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)鐵路施工安全防護(hù)[1]。

二、方案概述

1.應(yīng)用目標(biāo)

基于高精度北斗組合定位施工防護(hù)電子圍欄技術(shù)的研究及應(yīng)用，主要通過高精度北斗組合定位并采集工程測(cè)量、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)等項(xiàng)目需要用到的位置坐標(biāo)，替代傳統(tǒng)的人工采集，進(jìn)而能夠大大提高測(cè)量精度和準(zhǔn)確性，同時(shí)結(jié)合通信技術(shù)，將位置信息、圍欄信息以及慣導(dǎo)等信息上傳到網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、預(yù)警信息傳遞到施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，以達(dá)到對(duì)鐵路工務(wù)施工的遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警，通過設(shè)置圍欄警戒，確保鐵路工務(wù)施工安全防護(hù)的目的。

2.總體構(gòu)成

方案總體由無線傳感器基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用平臺(tái)構(gòu)成，總體框圖如圖1所示。

基于高精度北斗組合定位電子圍欄技術(shù)研究及應(yīng)用的無線傳感器基礎(chǔ)平臺(tái)主要由感知層面與通信層面組成。

感知層面主要利用北斗組合定位、毫米波雷達(dá)等技術(shù)對(duì)軌道車、施工人員、防護(hù)點(diǎn)等采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工人員定位、電子圍欄防護(hù)、列車接近預(yù)警等應(yīng)用。

圖1 方案總體框圖

通信層面用無線電臺(tái)、3G/4G公網(wǎng)無線傳輸，預(yù)留窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-loT）接口，組建基于高精度北斗組合定位電子圍欄技術(shù)應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)。

高精度北斗組合定位終端嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)將終端與列車、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)進(jìn)行交互如圖2所示，實(shí)現(xiàn)列車接近報(bào)警、人員高精度位置實(shí)時(shí)采集及顯示、圍欄預(yù)警等功能[2]，具體功能如下。

圖2 網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用平臺(tái)

（1）人員定位器亞米級(jí)定位功能

帶燈按鈕：開關(guān)機(jī)、圍欄指示；

（2）電子圍欄功能

2)基地在建設(shè)過程中，社會(huì)服務(wù)能力還有待加強(qiáng)和提高。目前主要承接的是合作企業(yè)的各項(xiàng)培訓(xùn)任務(wù)，希望經(jīng)過校企的共同努力，能夠擴(kuò)大基地在區(qū)域經(jīng)濟(jì)的影響力度，能夠擴(kuò)充業(yè)務(wù)承接范圖和業(yè)務(wù)的多樣性，更好地服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

當(dāng)高精度北斗組合定位終端設(shè)置電子圍欄功能時(shí)，人員在進(jìn)入圍欄和出圍欄時(shí)，可分別進(jìn)行入圍欄報(bào)警和出圍欄報(bào)警，人員定位器電子圍欄生成有兩種方式：網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)利用數(shù)傳電臺(tái)模塊將電子圍欄數(shù)據(jù)點(diǎn)文件傳輸給人員定位器，人員高精度北斗組合定位終端將電子圍欄信息存儲(chǔ)在Flash并自動(dòng)生成電子圍欄；人員高精度北斗組合定位終端具有電子圍欄打點(diǎn)功能，人員攜帶終端在需要生成電子圍欄的區(qū)域進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置采集并打點(diǎn)，生成電子圍欄的位置信息并存儲(chǔ)在Flash。

中國(guó)水利：《意見》明確提出要建立水資源管理責(zé)任和考核制度，考慮到我國(guó)南北方水資源條件有較大差異，下一步如何進(jìn)行責(zé)任分解和考核？

教學(xué)目標(biāo)的確定是教學(xué)活動(dòng)的首要工作，是實(shí)施教學(xué)的主導(dǎo)環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)目標(biāo)一方面是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中前進(jìn)的目標(biāo)，另一方面是教師組織課堂教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)，是評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的標(biāo)準(zhǔn)。在BOPPPS模型中強(qiáng)調(diào)教學(xué)目標(biāo)必須是具體的、明確的描述，包括誰是教學(xué)對(duì)象、要學(xué)什么、在什么情況下學(xué)、如何學(xué)，從而使教學(xué)目標(biāo)更具可操作性。

（3）列車接近預(yù)警

明確劃分各級(jí)護(hù)理人員的職責(zé)以及工作標(biāo)準(zhǔn),并將具體的職責(zé)層層分解具體到個(gè)人,術(shù)前完善器械以及儀器相關(guān)檢查,術(shù)前1d集中訪視患者,并于術(shù)日護(hù)理人員在手術(shù)室門口做好迎接、交接工作,根據(jù)手術(shù)內(nèi)容護(hù)理做好相應(yīng)的配合,術(shù)后常規(guī)管理,手術(shù)全程中需進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。

人員高精度北斗組合定位終端與列車進(jìn)行交互[3]，通過在施工區(qū)域外提前放置預(yù)警雷達(dá)，獲取列車接近信息，通過人員與列車的位置計(jì)算，實(shí)時(shí)判斷列車與人員的距離，當(dāng)超過安全距離時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警信息，邊界處設(shè)置的警戒雷達(dá)、人員佩戴的定位器都將產(chǎn)生聲光報(bào)警。

（4）標(biāo)準(zhǔn)語音報(bào)警

人員高精度北斗組合定位終端配備揚(yáng)聲器，將鐵路標(biāo)準(zhǔn)語音燒寫到語音芯片中，根據(jù)不同場(chǎng)景調(diào)取不同的標(biāo)準(zhǔn)語音。

3.基于高精度北斗組合定位電子圍欄技術(shù)研究及應(yīng)用的安全策略

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用安全策略

施工人員終端首先通過打點(diǎn)功能自動(dòng)生成以自我為中心的圓形圍欄進(jìn)行警戒，也可通過接收網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)下發(fā)的電子圍欄區(qū)域坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)施工人員或者大型設(shè)備移動(dòng)時(shí)，將實(shí)時(shí)的北斗高精度組合定位坐標(biāo)信息與電子圍欄警戒區(qū)域信息進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)判斷坐標(biāo)在電子圍欄警戒區(qū)域外時(shí)，將立刻向網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)將接收到的圍欄預(yù)警信息與自身判斷的圍欄預(yù)警進(jìn)行判斷對(duì)比分析，確定為預(yù)警信息時(shí)顯示預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)工務(wù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

徐宏勛算了一筆賬，經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是2013年長(zhǎng)沙繞城高速公路開通后，潯龍河村的交通優(yōu)勢(shì)凸顯出來。從潯龍河村到長(zhǎng)沙繞城高速公路長(zhǎng)龍收費(fèi)站8公里，車程8分鐘，走黃興大道到長(zhǎng)沙縣城星沙15分鐘車程，到黃花國(guó)際機(jī)場(chǎng)、長(zhǎng)沙市區(qū)、長(zhǎng)沙高鐵南站車程均在30分鐘以內(nèi)。

4.系統(tǒng)應(yīng)用指標(biāo)及硬件設(shè)計(jì)

高精度北斗組合定位終端指示燈及功能：

在施工人員利用高精度北斗組合定位終端進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要達(dá)到以下總體技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 技術(shù)總體指標(biāo)

施工人員或者大型設(shè)備的終端具有自身打點(diǎn)功能并將自身的位置上傳到網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，生成以自身為中心的圓形圍欄，但網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)沒有下發(fā)多邊形圍欄指令時(shí)，施工人員或者大型設(shè)備將依據(jù)自身的圓形圍欄進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)下發(fā)多邊形指令時(shí)，施工人員或者大型設(shè)備終端將自動(dòng)生成多邊形圍欄進(jìn)行預(yù)警[6]。

依據(jù)上述的總體技術(shù)指標(biāo)要求，高精度北斗組合定位終端硬件系統(tǒng)包括：微控制單元（MCU）處理器、高精定位模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、慣導(dǎo)模塊、外掛實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、外掛Flash、電源管理模塊、語音模塊、按鍵。

三、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.高精度北斗定位技術(shù)

高精度北斗定位技術(shù)主要利用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)播出的差分信息進(jìn)行高精度定位解算[4]，主要為用戶計(jì)算差分改正數(shù)等數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)解算獲取覆蓋范圍地區(qū)和該時(shí)間段的局域精密星歷及其他改正參數(shù)，同時(shí)能夠連續(xù)不間斷對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的完好性監(jiān)測(cè)，對(duì)衛(wèi)星精密星歷、衛(wèi)星精密鐘差、大氣層傳播延遲等誤差[5]進(jìn)行確定和播送，大大克服導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在可靠性、可用性方面的脆弱性。

Electric Field Distribution of AC Transmission Lines Considering Vertical Sag GUO Linxia,GONG Youjun(103)

2.電子圍欄生成技術(shù)

（2）人員終端硬件設(shè)計(jì)

在自身圓形圍欄或者網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)設(shè)定區(qū)域（矩形、多邊形等）多邊形圍欄時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)將區(qū)域的拐點(diǎn)坐標(biāo)信息通過WiFi鏈路傳導(dǎo)，并通過組網(wǎng)電臺(tái)傳輸?shù)绞┕と藛T終端或者大型設(shè)備終端上，確保對(duì)施工區(qū)域?qū)嵤?shí)時(shí)警戒，一旦有人員或者設(shè)備越界或侵限，將觸發(fā)報(bào)警并上傳到網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。通過警戒雷達(dá)傳遞的列車接近信息，對(duì)列車運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行判斷，結(jié)合圍欄信息，及時(shí)給出列車接近預(yù)警[7]。

基于高精度北斗組合定位電子圍欄技術(shù)研究及應(yīng)用的安全要求較高，必須確保信息的完整性、安全性和真實(shí)性，其中重點(diǎn)在物理安全、信息傳輸安全等方面，結(jié)合無線電臺(tái)傳輸?shù)饶Ｊ剑捎梅謱影踩呗蕴幚?，如圖3所示。

3.列車接近雷達(dá)預(yù)警技術(shù)

對(duì)于列車接近，需要重點(diǎn)區(qū)分兩種情況：列車與施工區(qū)域的相對(duì)位置，是在施工區(qū)域股道上，還是相鄰股道上；列車與施工區(qū)域的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，是接近施工區(qū)域還是遠(yuǎn)離施工區(qū)域。

通過與信號(hào)系統(tǒng)接口連接，可以獲得股道區(qū)段的占用信息，從而提前獲得列車與施工區(qū)域的相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。在沒有數(shù)據(jù)接口的情況下，通過設(shè)置預(yù)警雷達(dá)，可以有效解決上述兩個(gè)問題。

同樣因?yàn)榻?jīng)濟(jì)原因，成績(jī)出色的她，拿著由美國(guó)戰(zhàn)地服務(wù)團(tuán)提供的留美獎(jiǎng)學(xué)金，只身一人前往美國(guó)馬里蘭州的女校學(xué)習(xí)。雖然并不情愿年輕輕就背井離鄉(xiāng)，但這段經(jīng)歷帶給了她出色的英語水平和美國(guó)人的思維方式。高中畢業(yè)后，拉加德在美國(guó)國(guó)會(huì)議員、即后來的國(guó)防部部長(zhǎng)威廉·科恩辦公室做實(shí)習(xí)生。這段早年經(jīng)歷影響了拉加德的一生：“反性格、反周期，你要的什么都相反。”拉加德這樣評(píng)價(jià)自己的成長(zhǎng)軌跡。

通過使用預(yù)警雷達(dá)，可以對(duì)多達(dá)4個(gè)股道區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)照射，區(qū)分人員和機(jī)車，并對(duì)其位置和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行跟蹤，通過設(shè)置防區(qū)，在列車進(jìn)入預(yù)設(shè)防區(qū)或與報(bào)警終端通信中斷時(shí)，產(chǎn)生告警信息。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

依據(jù)基于高精度北斗組合定位電子圍欄技術(shù)研究及應(yīng)用需求，在城市進(jìn)行模擬測(cè)試。

（三）住房改造尚有差距。一是危房識(shí)別較難。有關(guān)區(qū)縣對(duì)D級(jí)危房尚沒有具體的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村把握的尺度不一致。二是D級(jí)危房改造、農(nóng)房“四改”、風(fēng)格風(fēng)貌改造進(jìn)度較慢。因大部分貧困戶居住在條件比較差的地方，住房普遍為土木結(jié)構(gòu)的穿斗房，改造成本高，上級(jí)補(bǔ)助少，自籌資金多，導(dǎo)致部分農(nóng)戶積極性不高，“等靠要”思想嚴(yán)重，住房改造進(jìn)度普遍較慢。

1.高精度定位組合定位終端設(shè)計(jì)及實(shí)際設(shè)備

高精度定位組合定位終端如圖4所示。

（1）系統(tǒng)應(yīng)用指標(biāo)

報(bào)警燈：高亮報(bào)警燈；

高精度北斗組合定位終端嵌入式軟件利用數(shù)傳電臺(tái)，實(shí)時(shí)接收北斗連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）差分信息并傳輸給定位模塊，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位精度，并將位置通過數(shù)傳電臺(tái)或者公網(wǎng)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。

LED1：定位指示；

從中或可窺知，雖然由于每支“昆唱”的長(zhǎng)度均受板則之制約，昆曲多節(jié)型過腔的節(jié)數(shù)不可能無限制地增加，但過腔的這種結(jié)構(gòu)，卻足以表明昆曲基因性構(gòu)架之宏大。事實(shí)上，昆曲對(duì)于這一基因性構(gòu)架功能的利用率，恐怕百分之一都不到，應(yīng)該說，其間還有著很大的發(fā)展空間，這是一塊既完全可以絲毫無損昆曲固有傳統(tǒng)的一切品性，又能充分發(fā)揮其作用的，亟待探索、開發(fā)和利用的新大陸。

LED2：高精度定位狀態(tài)指示；

LED3：充電顯示；

語音報(bào)警喇叭設(shè)計(jì)。

高精度北斗組合定位終端功能：

自身設(shè)置圓形圍欄；

圖4 高精度定位組合定位終端

接收上位機(jī)的多邊形圍欄點(diǎn)生成圍欄；

判斷進(jìn)出圍欄狀態(tài)并報(bào)警；

吸引一批文化工作者、黃河文化演藝人員、手工藝者扎根黃河景區(qū)，提升景區(qū)文化活力；吸引旅游經(jīng)營(yíng)和管理類人才、創(chuàng)新型人才進(jìn)行旅游創(chuàng)業(yè)，完善本地居民參與黃河全域旅游的發(fā)展機(jī)制；培養(yǎng)一批景區(qū)專業(yè)講解人員；目的地建設(shè)還要本著全域生態(tài)優(yōu)先的原則，保護(hù)旅游生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)全域旅游可持續(xù)發(fā)展。

將自身的位置實(shí)時(shí)上傳到平臺(tái)客戶端。

2.實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

圖5 圓形圍欄實(shí)際測(cè)試動(dòng)靜態(tài)測(cè)試精度分析

圓形圍欄實(shí)際測(cè)試動(dòng)靜態(tài)測(cè)試精度分析如圖5所示。依據(jù)高精度北斗組合定位終端當(dāng)前的位置點(diǎn)信息，打點(diǎn)設(shè)置半徑可調(diào)的圓形圍欄，測(cè)試時(shí)半徑設(shè)置為25m，通過測(cè)試可以看出實(shí)際的測(cè)試精度為3cm以內(nèi)并且語音報(bào)警。

如圖6所示為動(dòng)靜態(tài)測(cè)試精度分析。在高精度北斗組合定位終端長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)下，測(cè)試精度至少在1m內(nèi)，后續(xù)通過分析可看出測(cè)試精度在20cm，在動(dòng)態(tài)測(cè)試的時(shí)候，并且沒有差分信息時(shí)，其定位精在5m以內(nèi)。

圖6 動(dòng)靜態(tài)測(cè)試精度分析（上圖為動(dòng)態(tài)測(cè)試精度分析，下圖為靜態(tài)測(cè)試精度分析）

五、結(jié)束語

基于高精度北斗組合定位施工防護(hù)電子圍欄技術(shù)研究，可以實(shí)時(shí)采集工程測(cè)量、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)等項(xiàng)目需要用到的位置坐標(biāo)，替代傳統(tǒng)人工采集，極大地提高施工人員和大型設(shè)備的定位精度和準(zhǔn)確性，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)工務(wù)施工人員或大型設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控[8]。

在使用機(jī)械化進(jìn)行水稻插秧過程中，如果機(jī)械處于較為稀爛的田塊會(huì)導(dǎo)致插秧機(jī)過深的陷入到田間，機(jī)械設(shè)備在向前行進(jìn)過程中，秧苗直立狀態(tài)較差，常常東倒西歪，缺苗率和漏苗率較高。在機(jī)械操作過程中，一旦操作人員技術(shù)不熟練，缺苗、漏苗現(xiàn)象將更為嚴(yán)重。當(dāng)農(nóng)機(jī)手遇到秧苗土壤薄厚不均勻的情況，需要結(jié)合秧苗的實(shí)際情況對(duì)秧苗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低作業(yè)效率。

通過設(shè)置電子圍欄警戒，配合列車接近預(yù)警雷達(dá)技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)人員和設(shè)備越界或侵限、列車或大型設(shè)備接近施工區(qū)域和現(xiàn)場(chǎng)的列車接近進(jìn)行預(yù)警，統(tǒng)籌運(yùn)用人防、物防、技防等措施，確保人員和大型設(shè)備的安全，為鐵路工務(wù)施工安全提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保障。

近年來，中央及各地政府機(jī)構(gòu)加大財(cái)政投入，加強(qiáng)資源整合，在農(nóng)村地區(qū)開展衛(wèi)生治理、村莊環(huán)境建設(shè)、道路修建等一系列基礎(chǔ)建設(shè)工作，使得鄉(xiāng)村呈現(xiàn)出天藍(lán)、水綠、村民安居樂業(yè)的美好景象。