无线定位技术在动车组运用检修中的应用研究

杨春辉，詹珂昕，王 胜

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

在保障动车组运行安全的措施中，动车组的运用检修发挥着极为重要的作用。为了满足对现场作业流程的规范化、精细化管理需求和对现场操作的可追溯性要求，动车组运用检修过程数据的采集和监控已成为不可或缺的环节。

运用检修过程数据采集和监控的核心就是对作业人员的定位跟踪，目前对检修作业人员的定位跟踪主要存在以下问题：

（1）动车组检修库环境干扰较大，动车检修库内会进行包括洗车、高压供断电以及探伤镟修等大型检修项目，对于人员位置的跟踪记录影响较大。

（2）由于待检修列车较多，运用检修作业极为紧凑，尤其是一级检修作业，要求4 h内必须完成。对于规模比较大的运用所，运用检修作业更是繁忙，因此人员定位设备的使用必须简单便捷，不能增加现场作业人员的工作负担。

（3）动车组检修库内需要合理安排调车进行检修作业，因此对于人员的定位要求实时高效，以便于对动车组检修作业进行有效的调度指导。

（4）对人员的定位监控要求具有较高的精度，在复杂检修环境下只有实现高精度的定位，才能完成对作业人员检修位置的准确采集，从而实现对检修作业过程的精准高效管理。

目前，室内人员定位的主流技术有红外技术、WiFi(Wireless Fidelity)技术、ZigBee技术、射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）技术、蓝牙技术和UWB技术等。红外技术基于光的直线传播原理，在室内定位的精度很高，但是穿透性较差，当存在遮挡时会极大影响定位效果[1-4]；WiFi定位技术通过扫描WiFi信号的强度来进行位置定位，操作简单、成本低，但是在室内复杂环境下，抗干扰能力差，信号强度容易产生跳变，导致定位偏差较大[5]；ZigBee定位技术采用低功耗、低成本的低速短距离传输的局域网协议，操作简单、易于实现，但在传播时遇到障碍物会严重影响到信号的强度，从而产生定位偏差[6]；RFID室内定位技术作用距离较近，不具有通信能力，抗干扰能力较差[7]。

综上可知，上述几种室内定位技术均不适合应用于运用检修过程中，因此，亟待提出适合应用在动车组运用检修场景的无线定位技术方案。

1 无线定位技术方案

1.1 蓝牙定位技术

蓝牙定位技术是一种工作在2.4 GHz ISM频段的无线通信技术规范。它是基于接收信号场强指示（RSSI，Received Signal Strength Indication）定位原理进行定位的，主要由终端设备和蓝牙定位信标构成。当终端设备进入蓝牙定位信标信号覆盖范围，就能感应到蓝牙定位信标的广播信号，以此测算出在不同蓝牙定位信标下的RSSI值，并通过终端内置的定位算法测算出终端设备的具体位置。蓝牙定位技术具有低成本、低功耗、较强穿透能力的特点[8]。

1.2 UWB定位技术

超宽频（UWB，Ultra Wide Band）技术是一种无载波通信方式，也称作脉冲无线电通信或时域通信。它不利用传统的载波来传输数据，而是通过发送和接收具有纳秒及纳秒以下的极窄脉冲来传输数据，并具有千兆赫量级的带宽。因此UWB是一种传输速率高、抗干扰性强、功耗低的无线通信技术。

UWB定位系统由标签、定位基站、主基站和定位平台组成，标签能够发射UWB信号，定位基站通过接收该信号信息，测得标签与自身的距离，通过无线通信模块发送给主基站，主基站负责接收定位基站传回的距离数据，并发回服务器定位平台，定位平台负责获取、分析并传输信息给用户和其他相关信息系统。同时定位平台还可以通过主基站对定位基站进行配置和查询[9-10]。UWB定位系统的架构如图1所示。

图1 UWB定位系统架构图

1.3 运用检修无线定位方案

考虑到运用检修库内作业环境的复杂性，根据现场的实际环境测试，选择使用蓝牙和UWB定位技术相结合的方案以实现对作业人员全方位、精准的定位监控，并与动车组管理信息系统的相关业务数据相结合，为运用检修作业过程的管理提供应用支撑。

无线定位方案基站设备的部署方式是，在检修动车组的支撑立柱上部署蓝牙定位信标，在检修库的顶部部署UWB定位基站设备，部署方式如图2所示。采用这种部署方式，主要考虑的因素有以下几点。

图2 蓝牙和UWB基站部署示意图

（1）检修库内环境复杂，有多种复杂钢结构和大型检修设备等干扰因素。UWB技术可以有效地排除此类干扰并且定位精确度较高，结合在动车组底部检修区域的支柱上部署穿透力较好、体积小的蓝牙定位信标，可以实现对检修区域的精确定位和完全覆盖。

（2）采用该定位方式，检修作业人员工作时只需要携带手持终端机和UWB定位标签，携带轻便、方便现场的管理。

综上，通过采用蓝牙和UWB组合定位的方式，能在不增加作业人员工作负担的情况下，有效解决复杂环境产生的干扰问题，实现比较精准的全覆盖的定位监控效果。

2 无线定位技术在运用检修中的应用

2.1 作业过程监控功能

作业过程监控功能是指利用定位技术，并结合运用检修的任务和故障信息，实现对运用检修作业过程状态的实时监控。功能实现的结构流程如图3所示。

检修调度员从动车组管理信息系统获取检修任务信息并下发任务。检修工长获取任务信息后，对作业人员进行派工，作业人员通过手持终端实时获取到作业任务信息。作业人员在检修作业时通过定位设备，实时将作业进度信息展示到作业过程监控大屏上。作业过程的监控界面如图4所示。

图3 作业过程监控功能结构流程图

服务器会实时获取当前检修库内股道上的动车组数据，以及该动车组的检修任务情况，并在作业过程监控界面上进行实时更新展示。检修作业人员在作业时，通过定位设备，将定位的信息实时通过图标的形式展示出来，在动车组下方的图标展示了该车位置的故障信息，通过不同形式的故障图标清晰的指示出各节车体是否有需要处理的故障信息等，从而实现对运用检修作业过程的高效控制和管理。

图4 作业过程监控界面

2.2 故障定位功能

检修作业人员在运用检修作业过程中经常需要处理很多临时的故障信息。故障定位功能借助无线定位技术实现人员所在位置故障的实时推送和播报，功能的具体实现流程如图5所示。

图5 故障定位功能流程图

检修作业人员在进行作业时，系统会根据当前的动车组检修位置，自动从服务器获取实时的、详细的故障信息。如果当前位置有需要处理的故障，系统会通过手持终端设备自动向作业人员推送，并对故障信息进行语音播报，使得作业人员能第一时间准确掌握需要处理的动车组故障。

2.3 路线时长统计及预警功能

路线时长统计及预警功能是针对作业过程中各类路线作业时长进行统计分析并实时预警的功能。作业时长统计的内容主要包括：（1）按人员统计作业时长；（2）按班组统计平均作业时长；（3）按不同作业位置统计作业时长。

作业时长预警功能将检修作业人员的作业时长和标准的作业时长进行对比，若超出标准范围则实时给出预警提示信息。标准作业时长可由用户自行设定，可根据车型和作业位置的不同分别进行设置。检修作业人员在作业过程中如果在某一检修位置的作业时长超出设定的标准作业时长范围，系统会自动将预警信息推送到该作业人员手持终端上，便于其及时进行检修作业进度的调整，从而实现对检修作业进行标准化管理的目的。手持终端的作业时长预警推送界面如图6所示。

图6 手持终端作业时长预警推送界面

3 结束语

目前，该无线定位技术方案已经在广州南动车运用所应用实施。在未增加作业人员负担的前提下，实现了对人员作业位置精准、实时、高效的定位。通过作业过程监控、故障定位和路线时长统计及预警功能，提高了对检修作业过程精细化、标准化的管理水平。

根据运用所内复杂的环境特点，选择将蓝牙和UWB定位技术相结合的技术方案，实现了对检修作业人员全面、精确的跟踪监控。但是目前的定位效果依赖的定位设备数量较多、成本较高，很难全面推广。后续需要进一步根据运用所环境和特点，对定位设备的部署方案进行优化和调整。另外，通过更深度的结合检修业务数据，还可进行以下几个方面的研究。（1）检修作业路线的标准化检测预警，通过定位设备获取人员作业轨迹，将其和标准的作业路线进行比对，如果超出标准路线要求的区域则进行预警提示。（2）智能检修任务分配，通过当前检修作业的进度和待完成的检修任务信息以及所处的股道信息，系统自动、合理、高效地安排作业人员的检修任务。（3）自动考勤，根据实时位置信息，检测作业人员是否按时按点进行作业，并进行考勤统计。（4）工序效率分析，针对每一步检修作业工序，进行作业效率分析，为检修作业工序优化提供决策支持。