基于高精度定位技術的車站調車精確指導系統(tǒng)設計

李再林

（國能新朔鐵路有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 概 述

隨著經濟、技術的高速發(fā)展，近年國能新朔鐵路有限責任公司在煤炭運量方面不斷創(chuàng)造新高，對運輸安全提出了極高的要求。在鐵路運輸中，調車作業(yè)事故是鐵路安全重點關注對象。

調車作業(yè)容易出現事故的一個主要原因是，機車在調車過程中由于LKJ在調車狀態(tài)下受軌道電路條件制約，存在無法將地面信號傳至機車、無法獲取機車所處實時精準位置、不能有效防止調車作業(yè)車列越過阻擋信號造成的擠岔事故、超速行駛造成的沖突事故和脫軌事故、特定地點操縱提示以及連掛時距離車列位置等安全隱患[1]。調車作業(yè)時完全依靠調車員和司機確認地面信號，由此引發(fā)因人員失誤造成的“擠、脫、撞”事故。

針對上述問題，文中設計并實現了一種基于北斗高精度定位技術的車站調車精確指導系統(tǒng)。其主要特點是利用測繪的高精度車站地圖，通過車載設備獲取的高精度定位坐標，采用算法實現機車在軌道上的精確位置，并將位置在車載設備顯示，在關鍵點進行調車精細化指導[2,3]。當前，高精度定位技術及地圖測繪技術相對比較成熟，但如何基于二者實現調車過程中動態(tài)精確指導是本文的重點研究方向。本文設計的一種基于機車位置和精準地圖的后臺發(fā)布系統(tǒng)，可通過調車管理人員在發(fā)布系統(tǒng)進行功能編輯，編輯后直接通過無線方式發(fā)送至車載設備，實現在調車過程中的動態(tài)指導。

2 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)分為車載設備部分和地面服務器部分。各部分承擔不同功能，系統(tǒng)構架如圖1所示。

2.1 車載設備部分

車載設備部分由車載無線傳輸裝置（高精度定位）、車載顯示終端、4G/北斗高精度定位天線3部分組成，各部分完成以下功能。

2.1.1 車載無線傳輸裝置（高精度定位）

車載無線傳輸裝置（高精度定位）主要完成建立與地面服務器的4G通信通道、機車運行實時數據采集（通過從LKJ設備采集）、機車高精度位置數據采集、實時數據及定位數據等上傳。

2.1.2 4G/北斗高精度定位天線

4G/北斗高精度定位天線安裝于車頂，主要實現衛(wèi)星信號接收及4G信號接收[4]。

2.1.3 車載顯示終端

車載顯示終端承擔人機交互功能，核心是根據地面動態(tài)精確指導子系統(tǒng)發(fā)布的指導信息與機車運行實時數據和精準位置信息結合，實現操縱指導精細化。

2.2 地面服務器部分

地面服務器部分主要完成高精度地圖制作、動態(tài)精確指導發(fā)布子系統(tǒng)和應用子系統(tǒng)等3大功能。

2.2.1 高精度地圖制作

高精度地圖制作采用無人機航拍后，通過專業(yè)軟件形成影像瓦片數據，并在瓦片數據上進行處理生成基于股道、信號機、盡頭線、道口和停車標等元素的車站高精度地圖[5]。

2.2.2 動態(tài)精確指導發(fā)布子系統(tǒng)

動態(tài)精確指導發(fā)布子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心設計，發(fā)布子系統(tǒng)以影像瓦片數據為底圖，進行調車精細化指導可視化編輯，采用所見即所得原則。如要求在停車標前100 m時提醒司機注意制動停車，只要在可視化瓦片數據上找到對應停車標，然后在停車標100 m的點輸入提醒內容并發(fā)布，車載顯示終端通過4G通道獲取數據后將提示內容植入本地程序，待機車運行到距離停車標100 m時，則自動播報發(fā)布子系統(tǒng)規(guī)定的語音、文字內容，實現調車實時提醒功能[6,7]。

2.2.3 應用子系統(tǒng)

應用子系統(tǒng)采用B/S構架，用于管理對車站機車進行實時管理，實時顯示機車位置、調車操縱指導和查詢歷史運行軌跡等功能。

3 動態(tài)精確指導發(fā)布子系統(tǒng)研究

動態(tài)精確指導發(fā)布子系統(tǒng)采用B/S軟件系統(tǒng)構架。子系統(tǒng)包含的核心模塊如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)核心模塊

3.1 解析生成瓦片及瓦片服務發(fā)布子模塊

瓦片技術類似于影像金字塔的思想，在服務器端對地圖根據預定義生成不同比例尺級別的底圖瓦片，服務的發(fā)布可以更加直觀地查看站場數據及數據標注的輔助確認，其中原始瓦片來自無人機及搭載的云臺，其測繪采集KMZ文件（KMZ是Google Earth默認的輸出文件格式，是一個經過ZIP格式壓縮過的KML文件）。通過服務對KMZ文件進行切片后生成的是標準的XYZ圖層瓦片。

XYZ圖層是基于標準XYZ Grid而發(fā)布的瓦片圖層，其中X是指瓦片的行號，Y是指瓦片的列號，Z是指瓦片的級數。三者相結合能確定在某一個縮放級別下的唯一張地圖瓦片，因此只要指定了所有地圖瓦片的通用URL，那么就能加載該地圖。地圖加載流程如圖3所示。

圖3 地圖加載流程

KMZ文件在成功切片后將瓦片文件上傳到瓦片服務器并發(fā)布瓦片服務后，WebGIS就可以通過URL格式（在WWW上，每一信息資源都有統(tǒng)一的且在網上唯一的地址，該地址稱為統(tǒng)一資源定位器（Uniform Resource Locator，URL），是WWW的統(tǒng)一資源定位標志，指網絡地址）加載出航拍出的高清晰的站場。當在提醒數據標注及基礎股道信號機等數據繪制時，可以更方便地確認站場的相關信息[8]。解析生成瓦片及瓦片服務發(fā)布子模塊流程如圖4所示。

3.2 外部數據源解析導入子模塊

支持QGIS繪制的數據（股道 信號機 停車表 對位標等）導入到后臺管理系統(tǒng)系統(tǒng)中，通過提供前端UI可視化界面接口的方式實現Shapefile文件的上傳解析[9]。

Shapefile屬于一種矢量圖形格式，能夠保存幾何圖形的位置及相關屬性。shape文件不只是一個文件，可以是一個包含了很多文件的文件夾，其中有“.shp”“.shx”與“.dbf”3個文件必不可少。其中，“.shp”表示圖形格式，用于保存元素的幾何實體；“.shx”表示圖形索引格式，幾何體位置索引記錄每一個幾何體在“.shp”文件中的位置，能夠加快向前或向后搜索一個幾何體的概率；“.dbf”表示數據格式，以dBase IV的數據表格式存儲的每個幾何形狀的屬性數據。

在上傳必須文件后，解析導入子模塊會自動分析文件上傳的文件，通過協(xié)議解析出已定義的屬性數據，并根據所選擇的所屬類型進行自動封裝生成列表持久化到數據庫中，完成基礎的導入，后面就可以進行數據的匹配關聯(lián)。

3.3 數據匹配解析關聯(lián)子模塊

數據匹配解析關聯(lián)子系統(tǒng)主要就是將外部數據源導入的數據進行匹配，流程如圖5所示。如將信號機數據匹配到對應的股道，將股道匹配成有序的線段以方便在車載顯示終端上實現業(yè)務數據的延伸。匹配解析是根據選擇的不同類型使用其對應的算法進行計算，如股道算法會在匹配時尋找最優(yōu)左右相鄰股道以形成左右股道的連接，如信號機等基礎數據是通過其最小直線距離計算所屬股道信息數據。為了簡化數據標書的復雜性，針對非嚴格的標注數據如小于0.5 m的數據、通過算法自動匹配到正確的股道上。當數據匹配解析完成會關聯(lián)成功，關聯(lián)成功的數據是完整的數據，這時候后臺管理系統(tǒng)才會進行數據版本的發(fā)布。

圖5 數據關聯(lián)流程

3.4 提醒數據WebGIS繪制子模塊

本模塊利用MYSQL建立了多個信息數據表，對調車作業(yè)時所需要的信息數據進行分類保存，方便用戶對相關數據的管理[10]。存儲的數據都是按照站場平面圖定義的基礎要素數據。

基于基礎數據WebGIS繪制子功能，可以在WebGIS上方便地查看調車作業(yè)環(huán)境相關要素的信息?；赪ebGIS直觀顯示基礎要素的基本信息，可更直觀查看基礎要素信息。

3.5 數據文件版本發(fā)布子模塊

數據文件版本發(fā)布子模塊發(fā)布的數據文件將直接影響到車載顯示終端的實時計算算法，其中數據文件將分為。股道數據文件、股道網格拆分文件、信號機數據文件、提示語音數據文件、區(qū)域提示數據文件以及站點數據文件。

4 結 論

本系統(tǒng)設計方案完成了軟硬件系統(tǒng)開發(fā)，并在國能新朔鐵路有限責任公司DF4系列調車機進行了車載設備安裝。點岱溝機務段進行高精度地圖測繪，地面服務器部署分公司機房，經過半年的試驗，達到預期目標。本研究根據機務調車方面的缺陷做了深度探索，系統(tǒng)使用可有效避免傳統(tǒng)調車作業(yè)完全依靠乘務員經驗可能導致的安全風險，同時提升作業(yè)效率。該系統(tǒng)的應用使各級領導和管理人員能夠更加及時、正確地掌握管轄范圍內調車作業(yè)工作狀況，增強處理指揮管理能力，及時發(fā)現并處理故障隱患，保障調車作業(yè)安全，有效地提升管理水平，提高各級管理部門的信息化和自動化水平。