一城一北斗|基于北斗+技术的铁路人身安全防护研究项目

申报单位：国能包神铁路集团有限责任公司

联合申报单位：

主要完成人：郭尽朝、罗建涛、辛浩冬、张瑞、包文艳、张杰

一、案例简介

传统铁路营业线施工作业安全管理主要靠人防来卡控，由于施工现场复杂的自然和人为因素，安全漏

洞比较大。该案例在神朔铁路研发并部署了基于北斗+技术的铁路人身安全防护系统，实现了调度、车站、 机车和现场四方风险预警信息互联互通和联防联控机制。案例首次创新性采用陆基高精度自主导航定位技 术，实现了隧道定位基站间皮秒级时间同步，定位精度达到亚米级，解决了铁路长大隧道内机车、人员实 时定位难题。首次提出了基于铁路人身安全防护的调度、车站、机车和施工现场“四联控”机制，从“事 前预告、事中预警、事后分析”三个维度实现了铁路作业现场防护模式、防护理念转变升级；首次定制了 符合现场实际需求的北斗芯片模组，配套研发的手持终端、车载终端、智能穿戴设备等有效地推动铁路北 斗技术的应用，丰富了北斗铁路应用产品的种类，使集团在铁路行业北斗规模化应用中处于领跑地位；首 次开发了人车预警的一体化安全管理平台，构建了车站、调度、机车、施工现场“大四联控”和施工负责 人、安全防护员/驻站联络员、车站值班员/调度值班员、乘务员“小四联控”的铁路人身安全防护新体系。

二、技术方案

1、系统架构：北斗安全预警防护系统架构由感知层、传输层、数据层、应用层、展示层组成。

1)感知层：通过定位设备实时采集上道作业人员、机车、自轮运转设备及机具的位置数据，通过CORS 站和HAAPH站提供位置服务。

2)传输层：利用公众运营商网络或铁路通信专网，为感知层与应用层之间提供数据传输服务。

3)数据层：汇集并管理应用层所需的各种数据，包括定位信息、基础空间数据及业务管理等数据， 并提供数据存储、处理及交互等核心数据资源管理功能。

4)应用层：建设北斗安全预警防护系统平台，包括人身安全预警系统、物联网管理系统、北斗差分 定位系统，提供位置服务、设备管理、施工任务管理、行车计划管理及安全预警等服务，可通过平台端、 车载端和手持端访问。

5)展示层：建设铁路电子地图，可显示定位设备、位置服务设施等位置和铁路基础地理信息。

2、应用技术

HAAPH系统为北斗安全预警防护系统重要的感知底座，其核心应用技术为物朗科技自主研发的陆基 高精度自主PNT基站(简称： HAAPH基站),HAAPH基站可以接收北斗卫星授时信号实现与北斗时同步， 同时能够向用户发送导航信号，各HAAPH基站通过相互发送授时信号以自组网实现系统内同步，最终可 以实现所有基站与北斗时同步。HAAPH基站由主控单元、基带信号处理模块、射频收发信机、时钟模块、 通信模块、电源模块以及天线等组成。基站中的主控模块主要用于控制基站基带信号处理模块、电源模块 与通信模块正常工作；基带信号处理模块主要用于处理授时信号以及生成导航信号；射频收发信机主要用 于发送导航信号以及向其余基站发射授时信号；时钟模块用于接收北斗授时以及其他基站授时信号，实现 基站与北斗时钟同步；通信模块主要用于收发基站与OMC系统交互信息；电源模块为基站提供供电保障。 系统中，需要至少一台HAAPH基站充当主站，负责提供本地时间基准，其他基站则作为从站，负责接收 主站的授时信号，以消除系统中所有基站之间的时间偏差，完成时钟同步。

3、规模部署方案

为了实现重载铁路全线路的连续定位， HAAPH系统与北斗卫星定位、惯导、GIS等系统进行融合定 位，其定位结果直接用于列车和工作人员的精准定位，并被发送至北斗应用服务云平台的数据资源池，经 处理后供其他相关应用系统使用。 HAAPH系统在重载铁路隧道进行连续部署，为实现与北斗时钟同步， 通常在隧道口部署首座HAAPH基站，隧道内其他基站依次与隧道口基站实现时钟同步。每个HAAPH基 站通过4G/5G通信链路连接到HAAPH系统操作维护中心，实现HAAPH基站运行状态监控。 HAAPH基 站的部署方式是在通视良好的条件下800~1200m部署一个基站，在弯道弧度较大的区域增加基站的数量。

三、创新亮点

1)研发并投运国内首座隧道内陆基导航定位基站。陆基高精度自主导航定位系统实现了皮秒级高精 度时钟同步，突破了近地复杂电磁环境下低电平信号精准抓取技术，解决了通信基站定位、WIFI定位、蓝 牙定位、UWB定位等常规非暴露空间导航定位技术面临的定位误差大、覆盖范围小、支持用户量小、用 户间信号干扰大、无法支持高动态用户定位等诸多难题。陆基高精度自主导航定位基站间最大布站距离达 到1.5km,基站间采用微波时间同步技术，同步精度达到50皮秒，定位精度达到亚米级，支持对时速120 千米每小时以下列车高精度定位，解决了铁路长大隧道内机车、人员实时定位难题。基站接电即可投入使 用，基站间无需部署光纤或电缆，安装方便，综合使用成本低，便于开展规模化应用。

2)研发天地一体多模定位模组：针对原有定位模组仅支持北斗卫星型号的问题，本项目在软件上重 新设计信号捕获部分的方法，使其能够正常捕获到北斗卫星信号和HAAPH基站信号；划分跟踪通道为两 部分，其中一部分为北斗卫星跟踪通道，正常解算北斗卫星的电文和观测值；另外一部分为HAAPH基站 信号的跟踪通道，进行HAAPH基站信号的电文和观测数据解算。基于以上机制，能够实现在一颗硬件模 组上通过修改软件的手段实现天地一体多模定位输出。

3)研发铁路人身安全防护系统：面向重载铁路不同施工场景人身安全防护需求，以“事前预防、事 中管控、事后分析”为设计原则，研究建立9大施工作业场景人车距离预警规则，以铁路电子地图为基础， 结合机车、人员定位终端实时精确位置，对营业线施工全过程进行综合管控及安全预警，实现调度、车站、 机车和施工现场的信息互联互通，确保作业人员人身安全。

4)建立基于人车距离预警的多方联动一体化安全管理新模式：通过在机车端部署车载定位预警终端， 在作业现场端设置电子围栏，在作业人员端配置手持定位终端及智能穿戴设备，在铁路沿线部署周界入侵 及异物侵限监测预警设备，结合铁路人身安全防护系统对机车、作业现场、作业人员进行综合管控，实现 不同距离下的人车预警、人与电子围栏预警，建立了调度指挥中心、车站、机车和施工现场“大四联控”, 以及施工负责人、安全防护员/驻站联络员、车站值班员/调度值班员、机车乘务员“小四联控”管理模式， 实现各方信息互联互通及协同安全一体化闭环管理。