Research on train tracking and safety early warning system based on position reporting by train driver’s hand-held terminal
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摘要: 确保运输安全、提高运输效率是铁路行车指挥的终极目标，实时掌握运行中列车的高精度位置对于保证行车安全十分重要。基于中国国家铁路集团有限公司正在实施的运统1电子化传递项目，提出利用该项目为机车乘务员配备的手持终端，采用卫星定位、移动物联网及数据融合技术，研究实时的全国铁路列车追踪与安全预警系统，可为调度员提供全国铁路路网图列车运行追踪监控画面，并可依据列车有效制动距离提供分级安全预警。Abstract: Ensuring traffic safety and improving transportation efficiency is the ultimate goal of railway traffic command and real-time acquisition of high precision position of running trains is essential to traffic safety. Based on the project of electronic delivery of train list information that has been implemented across CHINA RAILWAY, it is proposed to make use of the train driver's handheld terminal equipped in this project to realize real-time whole-railway train tracking and safety early warning system by using satellite positioning, mobile IoT and fusion data technology. This system can offer visualized dynamic monitoring picture of train tracking on railway network diagram and graded safety warning according to effective braking distance of the trains.
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实时、准确地追踪运行列车的位置，是铁路行车指挥最为关心的工作之一，也是保障运输安全、提高运输效率、改善服务质量的关键。
中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）开展了运统1电子化传递系统项目（简称：运统1项目）的实施，该项目为机车乘务员配备了支持移动通信和卫星定位功能的手持终端。为此，本文提出一套列车运行追踪与安全预警系统（简称：列车追踪预警系统）方案，在无需增加硬件投入的前提下，通过机车乘务员手持终端获取列车运行位置的准实时信息，再结合由运统1项目提供的车站与线路地理坐标数据铺画而成的全国铁路路网图，实现全国铁路列车运行追踪的可视化监控；并依据列车有效制动距离确定安全预警级别，实现列车追踪运行安全预警。
1 国内列车运行追踪相关信息系统研究现状
在保证列车安全运行的前提下，如何更为有效地提高列车运行效率、提高线路能力利用率一直是铁路调度面临的重要难题[1]，实现列车运行追踪和安全预警对于保证铁路行车安全具有重要意义[2]。
为解决列车运行追踪和安全预警问题，国内已开展了不少研究。刘敏提出列车辅助追踪预警系统[3]，利用ATP获取运行列车定位信息，通过TDMA实现运行列车位置信息的传输；马腾云提出铁路列车追踪预警系统[4]，采用多种定位方式（GPS差分+惯导）和多模通信（GSM-R+450 MHz无线通信）实现运行列车定位信息的采集和传输；余颜丽等人提出铁路列车定位与辅助预警系统[5]，利用北斗卫星系统实现列车定位，通过GSM-R传输运行列车的位置信息。但由于成本、技术等原因，上述研究成果均未形成覆盖全路列车运行追踪的成熟解决方案。
2 列车运行追踪与安全预警系统方案
2.1 系统架构
列车运行追踪与安全预警系统的网络结构如图1所示，由移动物联网、国铁集团外部服务网、国铁集团安全生产网3部分组成。
（1）机车乘务员手持终端和移动物联网：运统1项目为全国铁路所有机车乘务员配备了手持终端和移动物联网SIM卡，手持终端上安装有该系统的移动终端运统1App，要求所有机车乘务员在出勤时必须登录运统1App，并在出勤过程中始终保持在线。本系统在运统1App中增加了实时位置上报插件，当机车乘务员登录运统1App后，该插件会自动获取手持终端中定位芯片所采集到的位置经纬度和速度信息，通过移动物联网将该信息传送至国铁集团的外部服务网。
（2）国铁集团外部服务网服务器：接收全国铁路机车乘务员手持终端上报的列车运行位置、速度信息，并通过国铁集团安全平台，传送至国铁集团安全生产网内。
（3）国铁集团安全生产网服务器：接收国铁集团外部服务网服务器传输过来的数据，完成列车运行追踪与安全预警计算处理，包括：车站位置字典、线路字典等铁路线路图基础数据的读写、更新处理；将机车乘务员手持终端上报的列车运行位置和速度信息与铁路线路图基础数据进行融合，计算生成全国铁路列车运行追踪数据；提供全国铁路列车运行追踪过程的可视化监控画面，并以网页形式提供给调度人员查询；接收调度人员下达的指令，传递给机车乘务员手持终端。
2.2 技术架构
列车运行追踪与安全预警系统的数据量大，覆盖全路客货列车，实时性要求较高。该系统采用微服务技术架构，如图2所示，总体上划分为应用层和基础设施层。
2.2.1 应用层
应用层是列车追踪预警系统实现数据处理和业务处理各类模块。
（1）后台：完成基础数据管理与维护、数据读写等。
（2）中台：完成铁路路网铺画的数据计算、列车位置与速度数据处理、坐标转换计算等逻辑处理。
（3）前台：完成用户界面展示、应用交互页面处理等功能。
2.2.2 基础设施层
基础设施层提供列车追踪预警系统的应用层所依赖的运行环境。
（1）物理设备层：包括服务器、存储、网络、信息安全设备等。
（2）虚拟化层：提供硬件虚拟化服务，便于管理硬件设备资源，并可隔离硬件设备对上层服务的影响。
（3）平台即服务层（PaaS层）：采用K8s系统作为PaaS平台，为基于微服务架构的应用提供容器运行时，使之具备自动化信息生命周期管理和水平扩展能力。
（4）Spring Cloud微服务组件：包括Eureka、Ribbon、Hystrix、Zuul等，具有良好的可移植性。
3 主要算法及模型
3.1 基于地理坐标的铁路路网铺画模型
为实现全国铁路列车运行追踪和安全预警功能，需要建立基于精确坐标的全路路网模型。运统1电子化传递系统可提供车站经纬度字典、全国铁路运营线路字典等基础数据，车站地理坐标精确到到发线警冲标的地理位置，可以利用这些基础数据完成全国铁路路网的铺画。由于地理坐标为球面坐标，需要进行地图投影后，才能在平面图上精确显示。
常用的地图投影算法有高斯−克吕格投影和墨卡托投影算法。本文采用基于墨卡托投影算法[6]，设车站经纬坐标为（λ，Φ），对应的平面投影坐标为（x，y），R为地球半径，则投影坐标和经纬坐标的换算关系为：
$$ \begin{split} & x = R \cdot \lambda \\ & y = R \cdot ln\left( {\tan \left( {\frac{{\text{π}} }{4} + \frac{\Phi }{2}} \right)} \right) \end{split} $$ (1) 3.2 列车运行位置的计算模型
本文采用的铁路路网模型中，相邻两个车站之间（区间）的线路采用直线表示（即图3中所示的虚线）；然而，区间内线路往往不是直线，造成列车上报的位置数据（即图3中所示的各点）无法显示在区间直线上。因此，采用如下算法将列车位置投影到区间直线上。
（1）计算列车所在运行区间的起点站和终点站之间的直线距离LCss：
$$L{C_{{\rm{ss}}}} = \sqrt {{{\left( {J{D_{\rm{s}}} - J{D_{\rm{d}}}} \right)}^2} + {{\left( {W{D_{\rm{s}}} - W{D_{\rm{d}}}} \right)}^2}} $$ (2) 其中，JDs是该区间起点站的经度， JDd是该区间终点站的经度， WDs是该区间起点站的纬度， WDd是该区间终点站的纬度。
（2）计算这两个车站的实际站间线路距离XCss，此距离可根据线路字典中这两个车站的警冲标位置相减计算得到。
（3）计算列车在该区间内第 n 次上报位置时与区间起点站的实际距离 XC t，如图3所示，该值可分段计算后累加求得：
$$X{C_t} = \mathop \sum \limits_{i=1}^n \sqrt {{{\left( {J{D_i} - J{D_{i - 1}}} \right)}^2} + {{\left( {W{D_i} - W{D_{{{i}} - 1}}} \right)}^2}} $$ (3) 其中， JD i 是列车在该区间内第 i 次上报位置的经度， JD i−1 是列车前一次上报位置的经度， WD i 是列车第 i 次上报位置的纬度， WD i−1 是列车前一次上报位置的纬度；当 i=1时， JD 0 取该区间始发站的经度， WD 0 取该区间始发站位置的纬度。
（5）计算列车运行位置在区间直线上的投影长度LCt：
$$L{C_t} = \frac{{X{C_t} \cdot L{C_{{\rm{ss}}}}}}{{X{C_{{\rm{ss}}}}}} $$ (4) 按照上述算法，可将列车当前运行位置较为精确地投影至区间直线上。
3.3 列车追踪运行安全预警级别的确定
在实现准实时列车运行追踪的基础上，可以进一步准确估算同一条线路上追踪运行列车间的距离。系统监控同一条线路上追踪运行列车之间的距离，当低于安全距离时予以预警。同一条线路上追踪运行列车之间的安全距离由列车有效制动距离。列车有效制动距离[7]的计算公式为：
$${S_e} = \mathop \sum \nolimits \frac{{4.17\left( {{v_1}^2 - {v_2}^2} \right)}}{{1\;000{\varphi _{\rm{h}}}{\theta _{\rm{h}}}{\beta _{\rm{c}}} + {w_0} + {i_{\rm{j}}}}} $$ (5) 其中，v1、v2分别为列车制动过程的初始速度和终止速度（紧急制动时，v2终止速度可取值为0，v1取值为机车乘务员手持终端的上报的当前速度）；ψh为闸瓦换算摩擦系数，θh为列车换算制动率，βc为常用制动系数，w0为列车单位基本阻力，ij为制动地段的加算坡度千分数；这些系数可由列车的牵引机车机型以及列车当前的所在位置确定。
根据式（5）计算得到各列车的有效制动距离Se，然后再根据列车经纬度信息计算前后相邻列车的间距X，根据Se和X之间的关系，定义列车追踪运行安全预警级别，如表1所示。
表 1 列车追踪运行安全预警级别对照表级别 类型 处置措施 级别1 后车Se=X，后车速度<前车速度 予以关注 级别2 后车Se=X，后车速度>前车速度 予以重点关注 级别3 后车Se<X，后车速度>前车速度 联系机车乘务员确认运行状况 4 系统应用效果
目前，已经实现列车运行追踪与安全预警系统的基本核心功能，可生成全国铁路路网图，并根据车站的经纬度数据，在全国铁路路网图上准确地显示线路上的车站位置。
图4是某条线路上多列列车追踪运行的监控画面，调度员可以直观地监视运行列车目前所在区间的具体位置和运行速度。机车乘务员手持终端每隔10 s报告一次位置信息，按时速300 km计算，运行列车实时位置的最大误差约为830 m，基本可以满足列车追踪运行安全预警的要求。
目前，列车追踪预警系统已经覆盖全路除动车组外的所有客、货列车，日均追踪列车约16000列，该系统注册机车乘务员约15万人，每日共有约24000位出勤机车乘务员通过手持终端实时上报位置、速度信息。经系统试运行期间收集的数据分析，机车乘务员手持终端通过移动物联网与安全生产网的日均信息交互请求约为1524万次，系统处理请求时间平均为412 ms。该系统能够支撑全路列车运行追踪与安全预警应用，实现准实时列车运行位置追踪。
5 结束语
列车运行追踪与安全预警系统通过机车乘务员手持终端实时采集全路在线列车运行位置和速度信息，利用移动物联网实现车地信息传输；结合运统1电子化传递系统提供的线路和车站基础数据，利用计算模型完成铁路路网图铺画和列车位置动态更新显示，以可视化方式在全国铁路路网图上实现列车运行追踪监控与安全预警。与以往的列车追踪系统方案相比，系统充分利用既有资源，硬件投入少，覆盖面广。
下一步拟将结合铁路行车管理业务的创新，考虑向机车乘务员手持终端推送语音、消息等提醒服务信息。例如，将某列车本线前后相邻的列车及相邻线路上交会列车的相关信息及时发送到该列车机车乘务员手持终端上，使机车乘务员能够随时掌握相关列车运行情况，支持机车乘务员更好地执行安全行车任务。
此外，由于全国铁路路网列车运行环境复杂多样，当列车在某些特定环境（如深山、隧道）的线路上运行时，机车乘务员移动终端往往无法实时采集和传输定位信息。对于这类情况，下一步将研究利用移动物联网基站位置信息，来解决机车乘务员移动终端暂时中断上报位置信息的问题，以保证列车追踪的连续性。
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表 1 列车追踪运行安全预警级别对照表
级别 类型 处置措施 级别1 后车Se=X，后车速度<前车速度 予以关注 级别2 后车Se=X，后车速度>前车速度 予以重点关注 级别3 后车Se<X，后车速度>前车速度 联系机车乘务员确认运行状况 
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