鄧祖建

（首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司計控檢驗(yàn)中心(北京速力科技有限公司) 北京市 100043）

1 項(xiàng)目背景

近年來，隨著國家“公轉(zhuǎn)鐵”政策落地及首鋼礦業(yè)公司資源再利用產(chǎn)能的提升，運(yùn)輸部運(yùn)量呈大幅增長趨勢。同時，礦業(yè)公司已明確了鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)作為公司第三次大發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。新形勢下，運(yùn)輸部亟需盡快完成由勞動密集型向技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，為全域提速提效提供支撐，從而適應(yīng)高運(yùn)量、快節(jié)奏的鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)需要。同時，通過搭建智能運(yùn)輸體系，促進(jìn)人力資源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，為確?！霸隽坎辉鋈恕眲?chuàng)造條件。

國內(nèi)各冶金企業(yè)鐵路運(yùn)輸部門均已實(shí)施或正在實(shí)施智能調(diào)度、機(jī)車定位監(jiān)控等信息平臺，且取得了較好成效。在此基礎(chǔ)上對“運(yùn)輸一張圖調(diào)度管理系統(tǒng)”建設(shè)的技術(shù)可行性進(jìn)行了評估，認(rèn)為以“機(jī)車動態(tài)跟蹤+智能調(diào)度管控”為核心功能的智能運(yùn)輸一期解決方案已具備實(shí)施條件。該項(xiàng)目實(shí)施后，將為構(gòu)建智能運(yùn)輸體系奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 現(xiàn)狀分析

礦業(yè)公司運(yùn)輸部現(xiàn)有46 臺機(jī)車（內(nèi)燃機(jī)車25 臺，其中：DF4DD 型8 臺，GK1 型17 臺；電機(jī)車21 臺），15 個車站、230 公里鐵路線、450 組道岔、線路南北距離約30 公里。

目前，運(yùn)輸部各機(jī)車均已安裝含GPS 功能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可對機(jī)車運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時跟蹤及軌跡回溯。但數(shù)據(jù)訪問僅能基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，且機(jī)車無法精確定位至準(zhǔn)確股道。機(jī)車調(diào)度指令的下發(fā)通過對講機(jī)實(shí)現(xiàn)，部分社會道口和廠內(nèi)道口視頻已傳輸至調(diào)度室，但機(jī)車司機(jī)不能及時了解路口狀況。機(jī)車端與地面端的信息平臺處于信息不互通的狀態(tài)，未能實(shí)現(xiàn)“車地人”有效聯(lián)動。

運(yùn)輸部一張圖調(diào)度系統(tǒng)的上線能夠極大的發(fā)揮運(yùn)輸系統(tǒng)的潛能，合理調(diào)度車輛、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、減小崗位勞動強(qiáng)度、提高機(jī)車運(yùn)行安全、優(yōu)化人力資源，為運(yùn)輸部“增量不增人”提供支撐，也為全面構(gòu)建智能運(yùn)輸體系夯實(shí)基礎(chǔ)。

3 需求分析與技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 需求分析

機(jī)車調(diào)度人員的主要職責(zé)是負(fù)責(zé)礦區(qū)全段機(jī)車運(yùn)行，集中統(tǒng)一指揮;負(fù)責(zé)接收貨運(yùn)計劃，及時下達(dá)到相關(guān)派班室，合理安排機(jī)車供應(yīng)，并組織兌現(xiàn)，編制實(shí)際機(jī)車周轉(zhuǎn)圖。實(shí)時掌握機(jī)車所在位置、運(yùn)行任務(wù)及所處狀態(tài)。掌握機(jī)車運(yùn)用、整備、檢修動態(tài)，及時變更機(jī)車工作種別，按檢修計劃及時扣車等。長期以來機(jī)車調(diào)度人員都是通過軌道電路來判斷機(jī)車所在的區(qū)段，無法精確確定機(jī)車所在位置，在站場內(nèi)更是不能確定某輛機(jī)車所處的具體股道，都靠及時聯(lián)系及調(diào)度人員個人能力去硬記，要掌握的信息也比較多且雜，造成人員工作強(qiáng)度高，效率低，并且對調(diào)度人員的素質(zhì)要求都相對較高。在面對高運(yùn)量、快節(jié)奏的生產(chǎn)形勢下，生產(chǎn)組織各環(huán)節(jié)的不適性日益突出，總結(jié)起來主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）人不夠用，尤其是乘務(wù)員、調(diào)車員等一線崗位結(jié)構(gòu)性缺員問題突出；

（2）車不夠用，造成機(jī)車、車輛不能及時回房整備；

（3）線路不夠用，站場滿線狀態(tài)時有發(fā)生；

（4）調(diào)度崗位腦子不夠用，隨著機(jī)車使用臺數(shù)的增加，完全憑崗位經(jīng)驗(yàn)、靠個人能力，不能保證調(diào)度指令的科學(xué)高效。

現(xiàn)代化的鐵路運(yùn)輸組織要求調(diào)度指揮人員能及時掌控全局動態(tài)信息，并與現(xiàn)場崗位形成有效聯(lián)動，從而確保調(diào)度計劃制定的科學(xué)性、下達(dá)的及時性、執(zhí)行的高效性。基于此現(xiàn)狀且在發(fā)展鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵時期，搭建一套機(jī)車車地聯(lián)控系統(tǒng)是必要的，也是迫切的。

在建設(shè)該項(xiàng)目前，機(jī)車上原有一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶GPS 定位功能，定位精度在正負(fù)10 米左右，只能掌握機(jī)車大體位置，無法精確定位到股道上，車地人無法有效聯(lián)動，無法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求。根據(jù)以上現(xiàn)狀及需求分析，設(shè)計了一張圖調(diào)度系統(tǒng)的相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)指揮的管理目標(biāo)。

一張圖調(diào)度主系統(tǒng)包括機(jī)車信息采集交互系統(tǒng)及調(diào)度中心。機(jī)車信息采集交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)車的精確位置、速度、設(shè)備狀況、能源消耗等信息采集，實(shí)現(xiàn)機(jī)車與調(diào)度中心、道口數(shù)據(jù)交互。運(yùn)輸部調(diào)度中心與四個管控區(qū)域通過電子地圖實(shí)時顯示所有機(jī)車的位置、速度、狀況、車輛配置、物流等信息，站場的股道占用、道岔位置、信號、閉塞等信息，線路的信號信息，道口的信號狀態(tài)等信息，集成顯示物流信息系統(tǒng)、微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)輔助調(diào)度指揮的管理目標(biāo)。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

通過對現(xiàn)狀及需求的多次分析，結(jié)合現(xiàn)在的技術(shù)手段，確定了一張圖調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計方案。結(jié)合機(jī)車所處的運(yùn)行環(huán)境、行駛范圍及投資成本，確定通訊不采用自建基站的方式，而是采用公網(wǎng)4G 傳輸方案，減少投資成本及工程建設(shè)周期。機(jī)車精確定位也不再選用傳統(tǒng)的建立差分基準(zhǔn)站RTK 方式，而是采用新型的衛(wèi)星定位技術(shù)—RAC 衛(wèi)星高精度定位技術(shù)方案。機(jī)車上安裝智能終端主要功能目標(biāo)是：

（1）機(jī)車精準(zhǔn)定位（精度20-60 厘米）、速度采集上傳；

（2）機(jī)車設(shè)備狀況、能源消耗采集上傳；

（3）機(jī)車視頻集成顯示、存儲、上傳；

（4）接收顯示調(diào)度中心信息（站場信息、物流信息、作業(yè)任務(wù)等）；

（5）行車電子地圖顯示；

（6）行車安全提示（防追尾及超速報警等功能）。

機(jī)車信息采集交互系統(tǒng)包括：機(jī)車控制單元、行車電腦、RAC 定位模塊、RFID 定位模塊、交換機(jī)、4G通訊模塊、視頻模塊等。

機(jī)車精準(zhǔn)定位，要求定位精度在60 厘米以下，因?yàn)楣傻缹挾葹?435mm 的稱標(biāo)準(zhǔn)軌距，現(xiàn)有鐵路雙線區(qū)間，兩正線中心線間的最小距離為4000mm;車站內(nèi)相鄰兩股到發(fā)線中心線間最小距離規(guī)定為5000mm。按現(xiàn)在定位技術(shù)主推RTK 差分定位技術(shù)，在RTK 差分技術(shù)上分二種實(shí)現(xiàn)方式，一種是自建RTK 差分基站，首次投入高，日后維護(hù)保養(yǎng)。另一種是網(wǎng)絡(luò)RTK 方式，由專門的運(yùn)營商提供差分?jǐn)?shù)據(jù)終端通過網(wǎng)絡(luò)接收，然后在終端方進(jìn)行數(shù)據(jù)差分，實(shí)現(xiàn)高精定位，定位精度能達(dá)到厘米級內(nèi)。然而此次我們經(jīng)過多方咨詢、考察、測試后，確定采用新的高精度定位技術(shù)——RAC 高精度衛(wèi)星定位技術(shù)。

此新型的RAC 高精度衛(wèi)星定位接收機(jī)，其特點(diǎn)是不使用RTK 差分技術(shù)，僅采用普通民用單頻信號（GPS L1 或北斗B1），就能實(shí)現(xiàn)絕對定位優(yōu)于亞米/分米級，相對動態(tài)定位厘米級的定位精度。實(shí)時陣列校準(zhǔn)RAC 定位技術(shù)是一種創(chuàng)新性的提高GNSS 定位精度的技術(shù)，與RTK、RTX 等傳統(tǒng)技術(shù)路線共存。RAC 技術(shù)通過創(chuàng)新的天線陣列設(shè)計方案和軟件算法，使得水平定位精度誤差大大降低，較大的提高了定位的精度和穩(wěn)定性。并且RAC 技術(shù)方案不需要建立基準(zhǔn)站，減少固定投資及日常維護(hù)，同時終端選擇上也不需要與之匹配的衛(wèi)星定位芯片來為差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)，終端設(shè)備的選擇更自由，開放。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

如圖1 所示，系統(tǒng)由機(jī)車控制單元、行車電腦、RAC 定位模塊、RFID 定位模塊、交換機(jī)、4G 通訊模塊、視頻模塊組成。

圖1：系統(tǒng)組成

系統(tǒng)利用RAC 定位模塊獲得高精定位信息并與車載RFID 定位模塊相結(jié)合計算出準(zhǔn)確的機(jī)車位置，傳送給中心控制單元；機(jī)車信息采集模塊負(fù)責(zé)將機(jī)車設(shè)備狀況、能源消耗等運(yùn)行信息傳送給中心控制單元;中心控制單元通過4G 通訊模塊實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心信息交互，上位系統(tǒng)通過無人機(jī)高清正射影像飛行得到的底圖，把機(jī)車定位坐標(biāo)投影于底圖之上。最終將機(jī)車的實(shí)際位置展示出來。

車載視頻系統(tǒng)通過行車電腦直接顯示車載視頻信息，同時通過交換機(jī)及4G 通訊模塊將視頻信息傳到調(diào)度中心；道口狀態(tài)、信號、視頻信息通過4G 通訊模塊采集上機(jī)車，并通過行車電腦顯示。

調(diào)度中心的調(diào)度信息、物流信息、道路信息通過4G 通訊模塊傳到行車電腦顯示。

4.2 RAC高精定位接收模塊

此次采用的高精定位接收機(jī)型號為RAC-F1，是一款類 G-MOUSE 衛(wèi)星接收器，內(nèi)置衛(wèi)星接收天線，具有全方位高精度定位功能，采用RAC 定位技術(shù)，定位精度可以達(dá)到靜態(tài)小于60cm，動態(tài)小于 20cm；能滿足機(jī)車區(qū)分所在股道的使用需要。

什么是RAC 技術(shù)，所謂RAC 即Realtime Array Calibration(實(shí)時陣列校準(zhǔn))一種新型的高精度衛(wèi)星定位接收機(jī)，其特點(diǎn)是在不使用任何差分技術(shù)、慣性導(dǎo)航、及任何輔助技術(shù)，僅僅采用普通民用單頻信號(GPS L1或北斗B1)，就能實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 米(20-60 厘米)的定位精度。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，使高精度衛(wèi)星定位既擺脫了對地基增強(qiáng)網(wǎng)的依賴，同時又大幅降低了成本，有助于推動高精度衛(wèi)星定位大規(guī)模普及應(yīng)用、促進(jìn)各行業(yè)信息化建設(shè)發(fā)展。RAC 衛(wèi)星定位的工作原理圖如圖2：是由安裝在機(jī)車頂端的三組普通定位接收機(jī)和處理單元組成的。

圖2：RAC 衛(wèi)星定位的工作原理圖

RAC 高精定位接收機(jī)工作原理：

（1）如原理圖所示，由三個接收機(jī)天線相位中心的所圍成的物理幾何圖形為三角形ABC；另一個是以位于頂點(diǎn)的接收機(jī)的觀測值（三個接收機(jī)計算出來的）所畫出的幾何圖形A′B′C′。如圖3 所示。

圖3：幾何圖形

（2）三角形幾何圖形A′B′C′與ABC 對比：各個接收機(jī)天線相位中心的坐標(biāo)觀測值之間的相對位置的矢量，與已知的各個接收機(jī)天線相位中心之間的相對位置的矢量對比，就可以提取出由于各種誤差而引起的偏差矢量，形成一個偏差矢量矩陣函數(shù)。

（3）再采用收斂的算法使偏差矢量矩陣趨近于零。

（4）使三角形幾何圖形A′B′C′無限趨近于ABC。

（5）重復(fù)進(jìn)行此過程，直到偏差矢量接近于零。此時三角形ABC 與A′B′C′形狀與大小相同。

（6）此時便可以解算出天線陣列幾何中心點(diǎn)的高精度觀測值的坐標(biāo)信息。

4.3 RAC高精定位優(yōu)勢

使用范圍修改費(fèi)流量費(fèi)短暫遮擋天線使用操作高動態(tài)RTK（載波相位） 地基網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)有有有敏感需注冊聯(lián)網(wǎng)不能RTD（偽距差分） 地基網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)有有有敏感需注冊聯(lián)網(wǎng)不能RAC（單頻）開闊任何地點(diǎn)無無無不敏感無能

最近幾十年來，衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)必須依靠地基增強(qiáng)系統(tǒng)RTK的支持才能獲得厘米級的定位精度，建設(shè)、維護(hù)和使用地基增強(qiáng)系統(tǒng)需要的成本巨大。然而RAC定位技術(shù)不需要任何地面基準(zhǔn)站、差分站、慣性導(dǎo)航、星基增強(qiáng)等輔助性技術(shù)，僅使用L1 或B1 頻段便可獲得亞米/分米級定位精度。并解決了RTK 使用中的二個痛點(diǎn)問題，不受差分站地域限制，成本大幅度下降。且具有高精度、高靈敏度、低功耗、體積小等特點(diǎn)。如圖4 所示。

圖4：RAC 高精定位優(yōu)勢

將RAC 定位技術(shù)運(yùn)用于此次機(jī)車定位中，終端定位芯片不再需要單獨(dú)定制，也無須再單獨(dú)安裝定位天線，此RAC 衛(wèi)星接收機(jī)是集定位芯片及天饋于一體，安裝方便，操作簡單，只需要提供電源便能返回所在位置的定位坐標(biāo)值。提供的定位值經(jīng)過簡單的代碼處理就能應(yīng)用于實(shí)際，相比于原來的RTK 方式，方便且節(jié)省投資。

4.4 RAC實(shí)施效果測試

RAC 定位接收裝置是要求安裝于頂部無遮擋的部位，遠(yuǎn)離高壓設(shè)備裝置，且高于平面一定高度水平的位置，在名種型號的機(jī)車上安裝位置略有不同，最終測試安裝于機(jī)車車頂中央大燈上，位置最優(yōu)。

測試第一步為檢測定位接收機(jī)的信號接收能力。通過通道數(shù)與衛(wèi)星跟蹤能力測試信號接收性能，通過接收機(jī)返回語句查看接收機(jī)收到衛(wèi)星信號的通道數(shù)及跟蹤衛(wèi)星個數(shù)。所測試的RAC 衛(wèi)星定位接收機(jī)有22 個跟蹤通道，56 個捕獲通道，測試時選用NMEA0183 協(xié)議以方便觀察衛(wèi)星的信息。測試過程中發(fā)現(xiàn)在空曠地帶時，接收機(jī)星數(shù)能滿足實(shí)際需求，在通過有遮擋的位置時，星數(shù)及通道數(shù)欠佳。在從有遮擋到無遮擋能夠快速的搜星并重新定位。

第二是靜態(tài)定位精度測試，測試RAC 定位技術(shù)在終端上應(yīng)用的定位精度。按以下公式計算定位精度。

Xi,Yi——被測設(shè)備解算出的第i 個數(shù)據(jù)的水平坐標(biāo)值；

X0,Y0——已知坐標(biāo)點(diǎn)的水平坐標(biāo)值。

測試時機(jī)車速度為0，測試時長為10min，同時記錄被測設(shè)備與手持RTK 接收機(jī)的定位輸出結(jié)果，將被測設(shè)備解算的位置與同一時刻RTK 接收機(jī)輸出的位置值相比較。

第三為動態(tài)定位精度測試，計算公式如下：

XiD,YiD——被測設(shè)備解算出的第i 個數(shù)據(jù)的水平坐標(biāo)值

Xi0,Yi0——RTK 接收機(jī)輸出的水平坐標(biāo)值

采用動態(tài)定位精度測試RAC 技術(shù)在終端上應(yīng)用的定位精度時，將機(jī)車速度控制在30km/h 范圍內(nèi)，測試時長為10min，同時記錄被測設(shè)備與RTK 接收機(jī)的定位輸出結(jié)果，將被測設(shè)備解算的位置與同一時刻RTK 接收機(jī)輸出的位置值相比較。

截取部分運(yùn)動中的定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)換成為WGS84 坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，通過GIS 投影在無人機(jī)飛行的高清底圖上，軌跡如圖5 顯示，二者在動態(tài)下重合度很高，但是在靜態(tài)下RTK 優(yōu)于RAC。

圖5：解算對比

通過對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算對比，在開闊地域衛(wèi)星搜星正常的情況下，定位精度值PDOP 的值在小于3 范圍內(nèi)，與RTK 所得到的位置信息有相應(yīng)的偏差，能滿足實(shí)際使用需求。其中RAC 定位在運(yùn)動過程中能把定位精度控制在20CM 內(nèi)，在靜態(tài)時表現(xiàn)欠佳，長時間靜止時靜態(tài)漂移大，靜態(tài)漂移偏差最高能達(dá)90CM 左右。

在一張圖調(diào)度系統(tǒng)中，系統(tǒng)與原來的軌道電路相結(jié)合將軌道形成路網(wǎng)，系統(tǒng)中實(shí)時顯示機(jī)車所在股道位置及前方信號燈情況，道口視頻。在定位坐標(biāo)投影在地圖上前，首先將定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對靜態(tài)漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行算法過濾、結(jié)合軌道路網(wǎng)、RFID 軌道標(biāo)簽信息的輔助、對偏移出股道的機(jī)車加偏移量進(jìn)行修正補(bǔ)償，始終保證機(jī)車能正確實(shí)時顯示在所在股道上，完成機(jī)車精確定位股道的功能。如圖6 所示，機(jī)車在站場停車后，在靜止?fàn)顟B(tài)下也能綁定機(jī)車到正確的股道上，達(dá)到設(shè)計使用需求。

圖6：機(jī)車股道定位

5 結(jié)論

運(yùn)輸部一張圖系統(tǒng)的成功應(yīng)用極大提高了站場調(diào)度人員的工作效率和機(jī)車定位準(zhǔn)確度，改變了傳統(tǒng)的靠調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)調(diào)派車輛的現(xiàn)象，降低了調(diào)度人員的勞動強(qiáng)度，減少了各站場調(diào)度人員的電話溝通。通過系統(tǒng)就能實(shí)時顯示所有運(yùn)行機(jī)車的指令信息，位置信息。提升機(jī)車運(yùn)行效率。通過實(shí)施智能化車地聯(lián)控，使地面調(diào)度人員與機(jī)車乘務(wù)人員之間形成高效聯(lián)動，達(dá)到“一張圖調(diào)度指揮”的管理目標(biāo)，為打造現(xiàn)代化的鐵路運(yùn)輸物流產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。該項(xiàng)目的實(shí)施應(yīng)用，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益、管理效益及社會效益。同時也對RAC 高精度定位技術(shù)在鐵路運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用提供了研究價值，在其定位性能下輔助以其它算法功能，是能夠滿足設(shè)計使用需求，具備可運(yùn)用價值，具有推廣使用的可行性。