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

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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(jí)時(shí)間同步，定位精度達(dá)到亞米級(jí)，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(chǎng)“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(chǎng)防護(hù)模式、防護(hù)理念轉(zhuǎn)變升級(jí)；首次定制了 符合現(xiàn)場(chǎng)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)模化應(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(chǎng)“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(jiǎn)稱： HAAPH基站),HAAPH基站可以接收北斗衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)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(hào)，各HAAPH基站通過相互發(fā)送授時(shí)信號(hào)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(hào)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(hào)處理模塊、電源模塊 與通信模塊正常工作；基帶信號(hào)處理模塊主要用于處理授時(shí)信號(hào)以及生成導(dǎo)航信號(hào)；射頻收發(fā)信機(jī)主要用 于發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)以及向其余基站發(fā)射授時(shí)信號(hào)；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(hào)，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(hào)，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(jí)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(hào)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(hào)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(jí)，支持對(duì)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。基站接電即可投入使 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)模化應(yīng)用。

2)研發(fā)天地一體多模定位模組：針對(duì)原有定位模組僅支持北斗衛(wèi)星型號(hào)的問題，本項(xiàng)目在軟件上重 新設(shè)計(jì)信號(hào)捕獲部分的方法，使其能夠正常捕獲到北斗衛(wèi)星信號(hào)和HAAPH基站信號(hào)；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(cè)值；另外一部分為HAAPH基站 信號(hào)的跟蹤通道，進(jìn)行HAAPH基站信號(hào)的電文和觀測(cè)數(shù)據(jù)解算。基于以上機(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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)預(yù)警設(shè)備，結(jié)合鐵路人身安全防護(hù)系統(tǒng)對(duì)機(jī)車、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、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(chǎng)“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。