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一城一北斗|基于北斗+技術(shù)的鐵路人身安全防護(hù)研究項(xiàng)目

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申報(bào)單位:國能包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司

聯(lián)合申報(bào)單位:

主要完成人:郭盡朝、羅建濤、辛浩冬、張瑞、包文艷、張杰

一、案例簡介

傳統(tǒng)鐵路營業(yè)線施工作業(yè)安全管理主要靠人防來卡控,由于施工現(xiàn)場復(fù)雜的自然和人為因素,安全漏

洞比較大。該案例在神朔鐵路研發(fā)并部署了基于北斗+技術(shù)的鐵路人身安全防護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了調(diào)度、車站、 機(jī)車和現(xiàn)場四方風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息互聯(lián)互通和聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制。案例首次創(chuàng)新性采用陸基高精度自主導(dǎo)航定位技 術(shù),實(shí)現(xiàn)了隧道定位基站間皮秒級時(shí)間同步,定位精度達(dá)到亞米級,解決了鐵路長大隧道內(nèi)機(jī)車、人員實(shí) 時(shí)定位難題。首次提出了基于鐵路人身安全防護(hù)的調(diào)度、車站、機(jī)車和施工現(xiàn)場“四聯(lián)控”機(jī)制,從“事 前預(yù)告、事中預(yù)警、事后分析”三個(gè)維度實(shí)現(xiàn)了鐵路作業(yè)現(xiàn)場防護(hù)模式、防護(hù)理念轉(zhuǎn)變升級;首次定制了 符合現(xiàn)場實(shí)際需求的北斗芯片模組,配套研發(fā)的手持終端、車載終端、智能穿戴設(shè)備等有效地推動(dòng)鐵路北 斗技術(shù)的應(yīng)用,豐富了北斗鐵路應(yīng)用產(chǎn)品的種類,使集團(tuán)在鐵路行業(yè)北斗規(guī)?;瘧?yīng)用中處于領(lǐng)跑地位;首 次開發(fā)了人車預(yù)警的一體化安全管理平臺(tái),構(gòu)建了車站、調(diào)度、機(jī)車、施工現(xiàn)場“大四聯(lián)控”和施工負(fù)責(zé) 人、安全防護(hù)員/駐站聯(lián)絡(luò)員、車站值班員/調(diào)度值班員、乘務(wù)員“小四聯(lián)控”的鐵路人身安全防護(hù)新體系。

二、技術(shù)方案

1、系統(tǒng)架構(gòu):北斗安全預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、展示層組成。

1)感知層:通過定位設(shè)備實(shí)時(shí)采集上道作業(yè)人員、機(jī)車、自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備及機(jī)具的位置數(shù)據(jù),通過CORS 站和HAAPH站提供位置服務(wù)。

2)傳輸層:利用公眾運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)或鐵路通信專網(wǎng),為感知層與應(yīng)用層之間提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

3)數(shù)據(jù)層:匯集并管理應(yīng)用層所需的各種數(shù)據(jù),包括定位信息、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)管理等數(shù)據(jù), 并提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及交互等核心數(shù)據(jù)資源管理功能。

4)應(yīng)用層:建設(shè)北斗安全預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)平臺(tái),包括人身安全預(yù)警系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)、北斗差分 定位系統(tǒng),提供位置服務(wù)、設(shè)備管理、施工任務(wù)管理、行車計(jì)劃管理及安全預(yù)警等服務(wù),可通過平臺(tái)端、 車載端和手持端訪問。

5)展示層:建設(shè)鐵路電子地圖,可顯示定位設(shè)備、位置服務(wù)設(shè)施等位置和鐵路基礎(chǔ)地理信息。

2、應(yīng)用技術(shù)

HAAPH系統(tǒng)為北斗安全預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)重要的感知底座,其核心應(yīng)用技術(shù)為物朗科技自主研發(fā)的陸基 高精度自主PNT基站(簡稱: HAAPH基站),HAAPH基站可以接收北斗衛(wèi)星授時(shí)信號實(shí)現(xiàn)與北斗時(shí)同步, 同時(shí)能夠向用戶發(fā)送導(dǎo)航信號,各HAAPH基站通過相互發(fā)送授時(shí)信號以自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)同步,最終可 以實(shí)現(xiàn)所有基站與北斗時(shí)同步。HAAPH基站由主控單元、基帶信號處理模塊、射頻收發(fā)信機(jī)、時(shí)鐘模塊、 通信模塊、電源模塊以及天線等組成。基站中的主控模塊主要用于控制基站基帶信號處理模塊、電源模塊 與通信模塊正常工作;基帶信號處理模塊主要用于處理授時(shí)信號以及生成導(dǎo)航信號;射頻收發(fā)信機(jī)主要用 于發(fā)送導(dǎo)航信號以及向其余基站發(fā)射授時(shí)信號;時(shí)鐘模塊用于接收北斗授時(shí)以及其他基站授時(shí)信號,實(shí)現(xiàn) 基站與北斗時(shí)鐘同步;通信模塊主要用于收發(fā)基站與OMC系統(tǒng)交互信息;電源模塊為基站提供供電保障。 系統(tǒng)中,需要至少一臺(tái)HAAPH基站充當(dāng)主站,負(fù)責(zé)提供本地時(shí)間基準(zhǔn),其他基站則作為從站,負(fù)責(zé)接收 主站的授時(shí)信號,以消除系統(tǒng)中所有基站之間的時(shí)間偏差,完成時(shí)鐘同步。

3、規(guī)模部署方案

為了實(shí)現(xiàn)重載鐵路全線路的連續(xù)定位, HAAPH系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星定位、慣導(dǎo)、GIS等系統(tǒng)進(jìn)行融合定 位,其定位結(jié)果直接用于列車和工作人員的精準(zhǔn)定位,并被發(fā)送至北斗應(yīng)用服務(wù)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源池,經(jīng) 處理后供其他相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)使用。 HAAPH系統(tǒng)在重載鐵路隧道進(jìn)行連續(xù)部署,為實(shí)現(xiàn)與北斗時(shí)鐘同步, 通常在隧道口部署首座HAAPH基站,隧道內(nèi)其他基站依次與隧道口基站實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。每個(gè)HAAPH基 站通過4G/5G通信鏈路連接到HAAPH系統(tǒng)操作維護(hù)中心,實(shí)現(xiàn)HAAPH基站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。 HAAPH基 站的部署方式是在通視良好的條件下800~1200m部署一個(gè)基站,在彎道弧度較大的區(qū)域增加基站的數(shù)量。

三、創(chuàng)新亮點(diǎn)

1)研發(fā)并投運(yùn)國內(nèi)首座隧道內(nèi)陸基導(dǎo)航定位基站。陸基高精度自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了皮秒級高精 度時(shí)鐘同步,突破了近地復(fù)雜電磁環(huán)境下低電平信號精準(zhǔn)抓取技術(shù),解決了通信基站定位、WIFI定位、藍(lán) 牙定位、UWB定位等常規(guī)非暴露空間導(dǎo)航定位技術(shù)面臨的定位誤差大、覆蓋范圍小、支持用戶量小、用 戶間信號干擾大、無法支持高動(dòng)態(tài)用戶定位等諸多難題。陸基高精度自主導(dǎo)航定位基站間最大布站距離達(dá) 到1.5km,基站間采用微波時(shí)間同步技術(shù),同步精度達(dá)到50皮秒,定位精度達(dá)到亞米級,支持對時(shí)速120 千米每小時(shí)以下列車高精度定位,解決了鐵路長大隧道內(nèi)機(jī)車、人員實(shí)時(shí)定位難題?;窘与娂纯赏度胧?用,基站間無需部署光纖或電纜,安裝方便,綜合使用成本低,便于開展規(guī)?;瘧?yīng)用。

2)研發(fā)天地一體多模定位模組:針對原有定位模組僅支持北斗衛(wèi)星型號的問題,本項(xiàng)目在軟件上重 新設(shè)計(jì)信號捕獲部分的方法,使其能夠正常捕獲到北斗衛(wèi)星信號和HAAPH基站信號;劃分跟蹤通道為兩 部分,其中一部分為北斗衛(wèi)星跟蹤通道,正常解算北斗衛(wèi)星的電文和觀測值;另外一部分為HAAPH基站 信號的跟蹤通道,進(jìn)行HAAPH基站信號的電文和觀測數(shù)據(jù)解算?;谝陨蠙C(jī)制,能夠?qū)崿F(xiàn)在一顆硬件模 組上通過修改軟件的手段實(shí)現(xiàn)天地一體多模定位輸出。

3)研發(fā)鐵路人身安全防護(hù)系統(tǒng):面向重載鐵路不同施工場景人身安全防護(hù)需求,以“事前預(yù)防、事 中管控、事后分析”為設(shè)計(jì)原則,研究建立9大施工作業(yè)場景人車距離預(yù)警規(guī)則,以鐵路電子地圖為基礎(chǔ), 結(jié)合機(jī)車、人員定位終端實(shí)時(shí)精確位置,對營業(yè)線施工全過程進(jìn)行綜合管控及安全預(yù)警,實(shí)現(xiàn)調(diào)度、車站、 機(jī)車和施工現(xiàn)場的信息互聯(lián)互通,確保作業(yè)人員人身安全。

4)建立基于人車距離預(yù)警的多方聯(lián)動(dòng)一體化安全管理新模式:通過在機(jī)車端部署車載定位預(yù)警終端, 在作業(yè)現(xiàn)場端設(shè)置電子圍欄,在作業(yè)人員端配置手持定位終端及智能穿戴設(shè)備,在鐵路沿線部署周界入侵 及異物侵限監(jiān)測預(yù)警設(shè)備,結(jié)合鐵路人身安全防護(hù)系統(tǒng)對機(jī)車、作業(yè)現(xiàn)場、作業(yè)人員進(jìn)行綜合管控,實(shí)現(xiàn) 不同距離下的人車預(yù)警、人與電子圍欄預(yù)警,建立了調(diào)度指揮中心、車站、機(jī)車和施工現(xiàn)場“大四聯(lián)控”, 以及施工負(fù)責(zé)人、安全防護(hù)員/駐站聯(lián)絡(luò)員、車站值班員/調(diào)度值班員、機(jī)車乘務(wù)員“小四聯(lián)控”管理模式, 實(shí)現(xiàn)各方信息互聯(lián)互通及協(xié)同安全一體化閉環(huán)管理。

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