中国铁路设计集团有限公司 刘博
为了完善智能铁路服务平台设计方案,选取北斗卫星导航系统作为平台开发工具,打造一体化集成平台。该平台以铁路数据服务平台作为支撑,对卫星采集到的信息加以处理,向用户提供定位、通信、授时等服务。应用测试结果显示,本平台能够生成各个节点采集的位移信息,从而准确判断边坡问题。另外,平台通讯作业稳定,获取数据时效性、精准度较高,可以作为铁路服务辅助工具。
随着科学技术的快速发展,智能化建设成为各个领域建设要点。智能铁路服务平台作为智能化建设的一部分,需要利用多套卫星导航系统,建设导航定位体系,实现人—机—物的联动及数据资源共享[1]。目前,关于此方面的研究比较少,虽然提出了一些北斗卫星导航系统在智能铁路服务平台构建中的应用思想,但是大部分应用思想较为零散,尚未形成完整的构建方案[2,3]。本文通过对这些零散的应用思想进行整理,将其整合到一体,提出一体化集成智能铁路服务平台的构建研究。
本研究运用北斗卫星导航系统,构建智能铁路服务平台。该平台集多项功能为一体,为用户提供高精度位置服务、通信服务、授时服务、运营管理服务、系统管理服务、在网设备管理服务。如图1所示为系统总体架构设计方案。
图1 系统总体架构Fig.1 Overall architecture of the system
本平台支持铁路基础设施状态监测,为了满足长期监测需求,解决作业时间受限问题,本研究提出一种综合技术方案。该技术方案将实时统一解算与单基站RTK模式融合一起,搭建设施状态监测体系,从而实现地表沉降、边坡位移、桥梁变形的实时监测。关于此项功能的实现,通过搭建如图2所示的铁路监测基础设施体系得以实现。
图2 铁路监测基础设施体系Fig.2 Railway monitoring infrastructure system
该体系以太阳能和蓄电池组成系统供电模块,为GNSS接收机提供作业电能,通过GNSS天线,与北斗卫星建立通信,获取北斗卫星导航信息,获取变形问题产生的具体位置,从而实现基础设施实时监测。为了提高该体系安全性,本设计方案在接收机与天线之间增加了天馈防雷器,从而避免特殊天气雷电影响。
1.3.1 隧道外应急通信设计
如果隧道外铁路沿线突发某事件,则按照网络覆盖情况不同,采取相应通信应急策略。(1)针对事件发生所在地区有公网4G/5G覆盖情况,直接利用公网应急设备中的移动布控球、手机App、专用手持台、无人机等设备,采集相关信息,并通过无线传输装置发送至指挥中心,在管控人员的指挥下,完成隧道外突发事件的处理。(2)针对事件发生所在地区无公网4G/5G覆盖情况,启动Ka高通量宽带卫星终端,改用该终端传输实时视频信息。
1.3.2 隧道内应急通信设计
如果隧道内铁路沿线突发某事件,为了建立隧道内与指挥中心的通信连接,同样需要借助一些设备,完成隧道内视频信息的传送。考虑到隧道内可能存在无公网覆盖情况,所以在设计应急通信方案时,需要分为两种情况。(1)针对隧道内存在公网4G/5G覆盖情况,利用专用手持台(手机App)、移动布控球传送信息,通过隧道外配备的工业路由器,将视频信息转发至指挥中心,形成完整的自组网络体系。(2)针对无公网4G/5G覆盖情况,为了保证专用手持台(手机App)、移动布控球能够将隧道内的视频信息传送出去,在隧道外配备Ka高通量卫星终端设备,建立互联网体系,从而将信息发送至指挥中心。
追踪定位作为铁路服务的重要项目之一,对铁路项目施工现场安全性影响较大。根据系统开发需求,本研究利用地面传输网络,创建中心调度与施工现场的通信连接,利用基站转发铁路现场施工信息,此部分信息将作为追踪定位参考依据。关于铁路施工现场追踪定位架构的设计,是以车外与车内云台摄像机采集相关数据信息,而后通过基站发送至中心调度室。如果现场存在安全问题,则通过基站将转移、撤离等指挥消息发送至各个作业人员的通讯设备中,同时借助电台发出警告,为现场人员安全提供一定保障。
本文以智能京张铁路建设为例,检验本平台设计方案可靠性。根据该铁路项目建设地理位置特点,将本平台硬件设备合理搭建在该地理环境中,对铁路建设现场情况进行监测。
该平台利用铁路内网,创建服务平台与铁塔测斜监测、作业人员手持终端设备的通信连接,管理人员可以在管控中心的计算机屏幕上观察铁路项目当前的建设状况,根据监测信息,对建设状况给予判断。其中,作业人员手持终端和服务平台获取的信息,均通过北斗卫星导航功能获取。为了获取较为全面的信息,本次应用布设多个信息采集点,并且为每一名作业人员配备定位设备。
本平台在北斗卫星导航系统的作用下,能够得到铁路项目施工现场的相关信息,定位到每一名作业人员的具体位置。通过对位置相关信息进行整理,可以形成作业人员在工作期间行走的轨迹,作为现场指挥参考依据。如图3所示为智能京张铁路北斗应用服务一体化平台布设方案。
图3 智能京张铁路北斗应用服务一体化平台布设方案Fig.3 Layout plan of the Beidou application service integration platform for the intelligent Beijing-Zhangjiakou Railway
按照此方案部署各类硬件设备,其中边坡部署的位移计数量较多,分布在不同高度、不同角度多个位置,彼此之间的间距几乎相等。通过运行本平台,能够生成各个节点采集的位移信息,从而准确判断边坡问题。
另外,本次平台的应用测试,强调了作业人员的防护功能,利用平台定位作业人员位置,作为施工指挥和安全撤离指挥参考依据。如图4所示为铁路北斗上道作业人员辅助防护系统操作界面。
图4 铁路北斗上道作业人员辅助防护系统操作界面Fig.4 The operation interface of the auxiliary protection system for the workers on the railway Beidou
通过观察该界面,可以得到作业人员所处环境的安全情况,如果某作业人员发现负责区域内出现异常,连接发出警报,操作界面会显示其所处位置,并将此警报发送至其他作业人员通信设备当中,作为安全防护指挥命令下达依据。从当前测试结果来看,平台通讯稳定,获取数据时效性较高,并且数据精准度为100%。
本文围绕智能铁路服务平台建设问题展开探究,以北斗卫星导航系统作为平台开发工具,搭建系统框架结构。该架构以基站作为系统与平台的通信桥梁,通过在铁路现场布设位移计等信号采集装置,获取铁路环境信息,从而为用户提供高质量铁路服务。应用测试结果显示,本平台能够精准监测铁路环境中的边坡变形情况,可以掌握现场每一名作业人员的地理位置信息,支持数据处理,作为铁路其他应用数据支撑。
引用
[1] 田孟磊.北斗定位技术在高速铁路沉降变形监测中的应用[J].智能城市,2021,7(12):71-72.
[2] 李元鸿,孙艳丽,张英,等.北斗林业生态移动巡护平台在森林管护中的研发及应用[J].林业资源管理,2020(4):153-160.
[3] 李博,方彤.北斗卫星导航系统(BDS)在智能电网的应用与展望[J].中国电力,2020,53(8):107-116.