牛永晨

(1.太原理工大学，山西太原 030024;2.山西晋煤集团金鼎煤机矿业有限责任公司，山西晋城 048000)

0 引言

在现有铁路线路中，列车定位主要采用轨道电路定位方法。轨道电路定位法通过检测轨道区段是否有列车占用来实现列车定位。然而，轨道电路定位法由于轨道电路工作条件和设备的特殊性，其抗干扰性较差，并且易受振动、天气、环境和车辆轮对洁净程度的影响，比如雨天、下雪天等恶劣天气会导致轨道电路分路不良，此外牵引电流和道砟阻抗变化等因素也会对其造成干扰。因此铁路货运及调度需要更为优化的列车定位技术［1，2］。

全球定位系统(GPS)以接收卫星导航信号为基础，利用导航卫星为用户提供全覆盖、全天候、连续实时的高精度三维位置、三维速度和时间信息。GPS差分技术(包括位置校正和伪距校正)，可以有效消除GPS的共有误差，使差分全球定位系统GPS定位精度可达米级，而非交叉点附近的股道距离一般超过2米，经过差分处理的GPS定位数据完全可以满足要求［3－5］。

在行车安全方面，目前企业专用铁路机车运行主要靠“微机信号联锁系统”，它解决了铁路信号和进路排列等问题。但由于“微机信号联锁系统”是基于轨道电路技术的系统，所以当轨道出现锈蚀、杂物掉在轨道上、或轨道电路电压调节不准等特殊情况时，会出现“飞车”现象(即某轨道有车存在，但现实为无车状态)，这样会造成严重的安全隐患，以致“撞车”、“四股道”、“挤道岔”、“脱线”等安全事故的发生。采用机车卫星定位系统与微机联锁系统相结合的方式，显示信号和轨道状态以及机车在轨道的准确位置，可以有效地防止上述安全事故的发生［6］。

通过机车卫星定位系统，可以随时掌握全部运输机车作业状况，安排协调各站区的机车作业，实现站区机车运能的互补，提高机车作业效率，减少机车运用台数，降低运输成本，因此，该系统的研发设计将极大的增加行车安全和调度效率，具有广阔地应用前景。

1 系统整体设计

1.1 系统构成

基于GPS技术的货运管理系统采用差分GPS与车轮传感器相融合的方式为机车提供准确地位置信息，采用3G/GPRS无线通信方式实现车地通信，在调度中心进行实时监控，并进行机车运行以及货运信息的统计及记录，同时车站设备可实时显示本站附近及相邻区间内车辆的位置及作业信息，并可进行相应的统计与记录。其总体系统结构如图1所示。

图1 总体系统结构图

1.2 差分GPS原理

DGPS是英文 Difference Global Positioning System的缩写，即差分全球定位系统，方法是在一个精确的已知位置(基准站)上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离改正数。该差值通常称为PRC(伪距离修正值)，基准站将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高定位精度。

GPS误差源主要包括:公共误差(接收机时钟偏差、卫星时钟偏差、大气层时延、选择可用性、星历误差)和非公共误差(多径干扰、接收机噪声)。对机车导航定位，其公共误差部分可通过采用差分GPS(DGPS)等技术来消除。

民用GPS单点定位精度一般约为5～10 m，实时伪距差分精度可达到分米级，实时载波相位误差精度可达1～2 cm。由于铁路相邻股道间距一般约为4.5 m，且GPS信号容易受到遮挡，所以仅仅采用单一GPS方式很难满足需求。在本系统中，位于各个车站的差分基站发送差分GPS信息，经车站转发程序发送至调度中心，调度中心根据各机车实际位置，选择发送合适地差分信息给具体的机车。具体的差分链路如图2所示。

图2 差分链路图

机车接收到哪个基站产生的差分数据与列车当前运行的位置有关。GPS差分系统的差分数据播发是有时空相关性的。整条线路被车站分为若干个区间，为了保证机车在任何地方都能连续地接收到差分信息，每个区间被设置为有一定的重叠，如图3所示。列车在进入下一个区间时由监控中心控制相应区间的差分信息播发到机车上。

1.3 数字轨道地图设计

高精度数字轨道地图对机车的准确定位、站场内车辆股道区分等具有非常重要的意义。本系统要求数字轨道地图水平精度优于0.45 m(CEP)，满足区分股道的要求。

数字轨道地图的内容包括3个部分:轨道线路数据、铁路专用数据和地形环境数据。数字轨道地图的生成则分为5个步骤:线路测绘、数据处理、数据库创建、编译、数据验证。流程如图3所示。

图3 数字轨道地图测绘流程

1.4 机车接近预警

本系统利用差分GPS与车轮传感器相融合的方式进行机车定位，结合轨道地图，可获得机车的准确位置信息。车载设备将机车位置信息经3G/GPRS方式传输至监控中心，监控中心根据接近预警逻辑进行判断，实时给出机车预警信息。预警功能原理如图4所示。

车载设备根据接收到的预警信息，采用三级式告警机制在相应等级的安全态势下给出预警，向司机给出当前安全状态的提示，为司机操作提供辅助。

图4 预警功能原理

图5 告警机制

1.5 监控中心设备

监控中心系统是整个系统的“神经中枢”，集中实现对机车的全程跟踪和管理。监控中心的主要功能是:向机车发送调度指令;接收各车站的GPS差分信息并向机车发布;在调度中心的显示设备上以GIS(地理信息系统)方式显示车辆的实际位置;显示机车的内部视频信息;显示车辆状态信息;机车预警信息显示;机车作业统计等。监控中心的主要设备包括通信与预警服务器、地图匹配服务器、差分数据服务器。监控中心设备的结构框图如图6所示。

图6 监控中心设备结构图

2 系统单元设计

2.1 车载设备

车载设备的主要功能是:接收GPS定位信息与差分GPS信息，并与轨道电子地图进行融合匹配后，将机车位置信息、状态信息等经无线网络传输至调度中心;接收、响应调度中心的调度指令;预留人机交互接口。

车载设备包括主控单元、GPS接收机及GPS天线、速度传感器、视频采集接口、3G/GPRS无线通信模块及天线，并预留人机交互接口，结构如图7所示。

图7 车载设备结构图

车载设备的GPS接收机利用天线获得的GPS信息与无线通信模块获得的调度中心转发的GPS差分信息，进行差分定位。

车载设备的无线通信模块实现机车与调度中心及车站间的双向通信。主控单元并将GPS定位信息与速度传感器相融合，并结合轨道电子地图，获得机车的准确位置信息。并响应调度中心的调度指令。机车可实时响应调度中心发出的预警信息，并进行相应的显示与告警，同时车载设备保存行车记录，通信报文及相关日志文件三个月。

2.2 通信网络

本系统通信网络包括无线网络和有线网络。无线通信网络包括卫星通信网络以及车载终端与调度监控中心间的数据传输网络，包括GPS差分信息，车辆位置信息、车内视频信息及其他相关信息、调度监控中心控制指令等。现场采用电信CDMA2000以及联通的WCDMA双3G网络，保证数据交换的速度与稳定性。有线网络主要包括各个监控终端计算机和监控中心设备之间的局域网络，该网络通过晋煤集团内部办公局域网络实现。

3 现场测试

3.1 差分基站与地面服务器

2013年7月于晋煤集团铁运公司现场进行差分基站工业现场测试，其中3台差分基站分别安装于集配站、成庄站、古书院站，并进行了超过48小时的数据采集与通信测试。现场测试各项指标正常，通信稳定，通信距离达到要求，数据采集达到预期目标，工作稳定。

2013年8月于晋煤集团铁运公司计算机监控室进行地面服务器安装与测试。现场测试各项指标正常，通信稳定，数据采集达到预期目标，工作稳定。

车载设备安装后，车地联调测试2个月，系统运行正常，各项指标达到设计要求。

3.2 车载设备安装与测试

车载设备分别安装于晋煤集团铁运公司DF7和DF8共计10辆机车上，安装后进行了为期3个月的现场调试与系统测试，包括通信测试、定位性能测试、工作场景等测试。现场测试各项指标正常，通信稳定，数据采集达到预期目标，工作稳定。

3.3 监控系统软件

基于GPS技术的货运管理系统监控软件基于B/S系统架构，如图8即为货运管理系统的监控软件，可以精确的实现对机车的实时定位，极大地提高了机车管理效率，图9为监控软件进行追踪接近预警，除此之外，还有司机驾驶室视频监控、机车运行作业统计等功能。

4 结论

图9 机车接近预警

基于GPS技术的货运管理系统主要实现了机车精确定位、机车地面之间双向通信、列车驾驶室实时视频监控、机车接近预警、货运关键点时间采集、机车实时跟踪等功能。该项目的实施加大了作业机车的监控力度;提高了铁路限制咽喉的通过能力;优化了铁路行车组织;提高了机车作业效率，减少机车使用台数，降低运输成本;并加强了运输机车作业标准化的监督，减少行车事故的发生。

［1］ 郁松，吕丰，阙铭飞，等.基于GPS和GPRS的巡道移动终端的研究与实现［J］.计算机应用，2013，33(A02):42－45.

［2］ 郏东耀，黄轲.铁路站场巡检人员多环节地图匹配定位算法［J］. 铁道学报，2013，35(9):52－58.

［3］ 张冰，孙长国.基于GPS与地图匹配的铁路运输安全监控技术研究［J］.计算机与网络，2013，39(18):68－70.

［4］ 张现忠.GPs系统在煤矿铁路运输管理中的应用［J］.时代报告:学术版，2013(3):153－153.

［5］ 王斌，胡珠寿，金立新，等.基于GPS技术的铁路既有线中线测量研究［J］.北京交通大学学报:自然科学版，2006，30(1):44－46.

［6］ 毕危危，王剑，蔡伯根.基于GPRS和DGPS的车辆管理系统［J］.北京交通大学学报:自然科学版，2006，30(2):57－60.