一城一北斗|基于北斗+技術的鐵路人身安全防護研究項目

申報單位：國能包神鐵路集團有限責任公司

聯合申報單位：

主要完成人：郭盡朝、羅建濤、辛浩冬、張瑞、包文艷、張杰

一、案例簡介

傳統鐵路營業線施工作業安全管理主要靠人防來卡控，由于施工現場復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并部署了基于北斗+技術的鐵路人身安全防護系統，實現了調度、車站、 機車和現場四方風險預警信息互聯互通和聯防聯控機制。案例首次創新性采用陸基高精度自主導航定位技 術，實現了隧道定位基站間皮秒級時間同步，定位精度達到亞米級，解決了鐵路長大隧道內機車、人員實 時定位難題。首次提出了基于鐵路人身安全防護的調度、車站、機車和施工現場“四聯控”機制，從“事 前預告、事中預警、事后分析”三個維度實現了鐵路作業現場防護模式、防護理念轉變升級；首次定制了 符合現場實際需求的北斗芯片模組，配套研發的手持終端、車載終端、智能穿戴設備等有效地推動鐵路北 斗技術的應用，豐富了北斗鐵路應用產品的種類，使集團在鐵路行業北斗規模化應用中處于領跑地位；首 次開發了人車預警的一體化安全管理平臺，構建了車站、調度、機車、施工現場“大四聯控”和施工負責 人、安全防護員/駐站聯絡員、車站值班員/調度值班員、乘務員“小四聯控”的鐵路人身安全防護新體系。

二、技術方案

1、系統架構：北斗安全預警防護系統架構由感知層、傳輸層、數據層、應用層、展示層組成。

1)感知層：通過定位設備實時采集上道作業人員、機車、自輪運轉設備及機具的位置數據，通過CORS 站和HAAPH站提供位置服務。

2)傳輸層：利用公眾運營商網絡或鐵路通信專網，為感知層與應用層之間提供數據傳輸服務。

3)數據層：匯集并管理應用層所需的各種數據，包括定位信息、基礎空間數據及業務管理等數據， 并提供數據存儲、處理及交互等核心數據資源管理功能。

4)應用層：建設北斗安全預警防護系統平臺，包括人身安全預警系統、物聯網管理系統、北斗差分 定位系統，提供位置服務、設備管理、施工任務管理、行車計劃管理及安全預警等服務，可通過平臺端、 車載端和手持端訪問。

5)展示層：建設鐵路電子地圖，可顯示定位設備、位置服務設施等位置和鐵路基礎地理信息。

2、應用技術

HAAPH系統為北斗安全預警防護系統重要的感知底座，其核心應用技術為物朗科技自主研發的陸基 高精度自主PNT基站(簡稱： HAAPH基站),HAAPH基站可以接收北斗衛星授時信號實現與北斗時同步， 同時能夠向用戶發送導航信號，各HAAPH基站通過相互發送授時信號以自組網實現系統內同步，最終可 以實現所有基站與北斗時同步。HAAPH基站由主控單元、基帶信號處理模塊、射頻收發信機、時鐘模塊、 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處理模塊、電源模塊 與通信模塊正常工作；基帶信號處理模塊主要用于處理授時信號以及生成導航信號；射頻收發信機主要用 于發送導航信號以及向其余基站發射授時信號；時鐘模塊用于接收北斗授時以及其他基站授時信號，實現 基站與北斗時鐘同步；通信模塊主要用于收發基站與OMC系統交互信息；電源模塊為基站提供供電保障。 系統中，需要至少一臺HAAPH基站充當主站，負責提供本地時間基準，其他基站則作為從站，負責接收 主站的授時信號，以消除系統中所有基站之間的時間偏差，完成時鐘同步。

3、規模部署方案

為了實現重載鐵路全線路的連續定位， HAAPH系統與北斗衛星定位、慣導、GIS等系統進行融合定 位，其定位結果直接用于列車和工作人員的精準定位，并被發送至北斗應用服務云平臺的數據資源池，經 處理后供其他相關應用系統使用。 HAAPH系統在重載鐵路隧道進行連續部署，為實現與北斗時鐘同步， 通常在隧道口部署首座HAAPH基站，隧道內其他基站依次與隧道口基站實現時鐘同步。每個HAAPH基 站通過4G/5G通信鏈路連接到HAAPH系統操作維護中心，實現HAAPH基站運行狀態監控。 HAAPH基 站的部署方式是在通視良好的條件下800~1200m部署一個基站，在彎道弧度較大的區域增加基站的數量。

三、創新亮點

1)研發并投運國內首座隧道內陸基導航定位基站。陸基高精度自主導航定位系統實現了皮秒級高精 度時鐘同步，突破了近地復雜電磁環境下低電平信號精準抓取技術，解決了通信基站定位、WIFI定位、藍 牙定位、UWB定位等常規非暴露空間導航定位技術面臨的定位誤差大、覆蓋范圍小、支持用戶量小、用 戶間信號干擾大、無法支持高動態用戶定位等諸多難題。陸基高精度自主導航定位基站間最大布站距離達 到1.5km,基站間采用微波時間同步技術，同步精度達到50皮秒，定位精度達到亞米級，支持對時速120 千米每小時以下列車高精度定位，解決了鐵路長大隧道內機車、人員實時定位難題。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，便于開展規模化應用。

2)研發天地一體多模定位模組：針對原有定位模組僅支持北斗衛星型號的問題，本項目在軟件上重 新設計信號捕獲部分的方法，使其能夠正常捕獲到北斗衛星信號和HAAPH基站信號；劃分跟蹤通道為兩 部分，其中一部分為北斗衛星跟蹤通道，正常解算北斗衛星的電文和觀測值；另外一部分為HAAPH基站 信號的跟蹤通道，進行HAAPH基站信號的電文和觀測數據解算。基于以上機制，能夠實現在一顆硬件模 組上通過修改軟件的手段實現天地一體多模定位輸出。

3)研發鐵路人身安全防護系統：面向重載鐵路不同施工場景人身安全防護需求，以“事前預防、事 中管控、事后分析”為設計原則，研究建立9大施工作業場景人車距離預警規則，以鐵路電子地圖為基礎， 結合機車、人員定位終端實時精確位置，對營業線施工全過程進行綜合管控及安全預警，實現調度、車站、 機車和施工現場的信息互聯互通，確保作業人員人身安全。

4)建立基于人車距離預警的多方聯動一體化安全管理新模式：通過在機車端部署車載定位預警終端， 在作業現場端設置電子圍欄，在作業人員端配置手持定位終端及智能穿戴設備，在鐵路沿線部署周界入侵 及異物侵限監測預警設備，結合鐵路人身安全防護系統對機車、作業現場、作業人員進行綜合管控，實現 不同距離下的人車預警、人與電子圍欄預警，建立了調度指揮中心、車站、機車和施工現場“大四聯控”, 以及施工負責人、安全防護員/駐站聯絡員、車站值班員/調度值班員、機車乘務員“小四聯控”管理模式， 實現各方信息互聯互通及協同安全一體化閉環管理。