北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动北斗卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。
2020年6月23日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号最后一颗全球组网卫星，至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。
铁路作业人员及机具防撞轧是铁路运输生产的重要组成部分，是确保实现列车编组计划、列车运行图、加速车辆周转、质量良好地完成运输生产任务过程中必不可缺的重要环节，具有全天候、劳动强度大、作业地点涉及面广、作业对象多种多样、作业组织复杂、作业方法灵活多变、影响作业的因素多等特点，为此，作业人员及机具防撞轧发生事故的概率远远大于其他作业，是铁路运营管理中安全防范，加强管理的重要环节。
1 建设背景
铁路是国民经济发展的重要基础设施，我国高速铁路在推进城市经济发展和提升人民出行便捷起到至关重要的作用。“十三五”期间，京津冀地区“1小时交通圈”初具规模，高铁飞驰、城际铁路和市域铁路比翼双飞，“轨道上的京津冀”主骨架基本成型；京张高铁、京雄城际铁路、京哈高铁等重点项目相继高质量开通运营，北京局管内营业里程由8458.3公里增加到9471.9公里，其中，高铁营业里程由1616.3公里增加到2288.6公里。目前集团公司管内所辖21条干线铁路，具体分布在北京、天津市和河北省及河南、山西、山东省等部分地区，负责所属81个站段管内线路的运维工作，承担和统筹管内沿线工务、电务、供电等专业设备的维修和整治任务。
各工种管内线路天窗点作业具有沿线班组多、作业时间长、工程量大的特点，特别是晚间上道作业使得铁路沿线上道作业人员所处环境更具复杂性、多变性和不确定性，将导致现场作业出现安全风险的因素呈现常态化和多样化，意味着保障线路运营安全的要求更高。集团公司将铁路运营安全问题放到了重中之重的位置，将安全风险管理理论注入到了铁路运维管理之中，建立并落实了高速铁路安全管理办法，加大铁路上道作业风险管控力度，以实现不断提升安全生产水平的目标。
2 发展现状
线上作业同时存在较多独立的业务系统，局部有应用，管理手段多样，但信息化水平偏低，制约快速发展。
（1）缺乏顶层设计
线上作业因各工种作业特点，存在较多独立的业务系统，局部有应用，缺乏顶层设计统一规划，缺乏线路周边精准基础数据，运营没有时空基准，基础地理信息数据台账不完善，无法精准呈现线路及防护作业真实信息，来车信息共享困难，信息化水平偏低，未与施工作业计划关联，缺乏“申请-审批-导入-执行”等环节的信息化闭环管理。
（2）缺失统一时空基准
施工作业及天窗管理未精确关联时间、空间信息，传统的作业计划依赖人工制作，效率低并且在制作过程容易产生人工误差，从而对作业计划申请带来较大影响。作业天窗可视化程度差，作业计划一经修改，变更计划容易信息传递遗漏。
（3）无高精度GIS地图台账
现有系统地图数据为示意图，无法与作业人员、机车实时位置行车互动，无法可视化显示人员作业位置，并对人员违规作业进行预警，造成人员作业安全隐患。
管内设备和要素信息无法基于地理位置精准显示和匹配，与线路里程不能进行实时和动态的关联，无法形成标准化和规范化的设备台账。这种台账信息共享困难、设备管理水平偏低的作业处境，很大程度制约铁路沿线设备管理效率。
（4）统计信息不完整
现有系统仅针对作业计划达成率，上下道照片、对讲、作业视频进行统计，缺乏全流程信息统计。应完善上线作业预警管理、上道作业管理、作业人员统计、作业计划达成、工机具统计、通道门进出、作业时长、轨迹、对讲、视频、图片、通信管理、设备状态及线路信息等内容统计，实现作业统计情况的的实时查看、调用、回放等功能，大幅提升统计信息的完整度和信息化程度。
3 建设目标
采用“GIS+北斗”相融合的技术路线，结合铁路相关安全风险管理理论与方法，高度集成铁路作业安全风险管控思想，提供软硬件一体化的整体解决方案。通过搭建铁路运维时空基准，建设铁路北斗地基增强系统，形成全局北斗高精度服务一张网、作业管理GIS一张图，并结合移动终端实现各工种线上作业人员、车辆、机具实时高精度位置管理，上道、巡检作业实时安全预警防护，应急调度等功能，构建作业人员及机具防撞轧防护系统，为安全、智能的运营提供重要技术支撑。
4 系统介绍
4.1 系统架构
基于GIS和北斗技术的铁路作业人员及机具防撞轧系统架构主要由铁路人员（机具）上线作业安全防护云平台，北斗地基增强子系统、高精度电子地图子系统、上线作业安全防护子系统几个模块组成，如下图所示：
图4-1 基于GIS和北斗技术的铁路作业人员及机具防撞轧系统架构
通过北斗地基增强子系统的建设，为沿线基础设施监测站提供北斗毫米级高精度位置服务。高精度地图子系统的建设，为基础设施安全监测等业务需求提供空间基准。上线作业安全防护子系统从北斗地基增强子系统接收高精度服务，实现厘米级高精度定位与数据解算；同时将实时位置数据、实时监测数据等通过铁路内网传输至各路局调度管理中心（或段调度中心）的上线作业安全防护云平台，基于平台实现对现场人员/车辆/机具的实时监测、分析与预警。
4.2 系统组成
系统支撑体系围绕“云-端-图-网”四部分进行设计和建设，具体包括系统平台开发、北斗定位终端（包括定位终端和显示终端）、高精度地图采集和地基增强系统建设4大部分，具体阐述如下。
图4-2 基于GIS和北斗技术的铁路作业人员及机具防撞轧系统组成
4.2.1 系统平台
平台根据车务作业实际情况而研制，融合北斗定位、云计算、大数据及物联网等技术，可实现线上作业人员安全防护、铁路机车自动化防撞轧安全管理等功能，保障铁路运营安全，提高运输效率。
（1）线上作业人员安全防护
导入铁路各工种高精度全要素电子地图，可接入多种形态北斗高精度人员防护终端，实现作业人员位置实时股道级显示，导入天窗作业计划，平台与终端双向同步预警，支持50000+用户同时在线，可满足各工种线上作业安全防护。
（2）机车自动化防撞轧安全管理
系统接入高精度机车位置信息，可实现作业机车实时位置、车速监控、行驶里程、停轮次数等的统计分析，可满足机车自动化防撞轧预警、车辆及监控管理需求，提高机车运行与作业效率。
4.2.2 北斗定位终端
（1）北斗人员作业终端
一款小型化厘米级北斗高精度5G手机，支持双模对讲、夜视拍摄，带防爆认证。全星座北斗高精度多频芯片、小型化全方向螺旋天线，同时接收北斗、GPS、GLONASS、Galileo信号，接入北斗地基增强系统，精度可达厘米级。支持5G，兼容4G、3G、2G通讯；支持400M电台通信接收；支持红外+星光夜视，可在夜晚、弱光环境下拍摄和录制视频；支持公网+专网/4W DMR数字对讲，公网和专网对讲可互发；集成大音量喇叭，可在野外嘈杂环境下正常使用。广泛适应于铁路、电力、石油石化等行业安全管控作业场景。
图4-3 北斗人员作业终端
（2）北斗车载作业终端
一款针对车载需求定制开发的厘米级高精度定位设备。全金属机身，坚固耐用；采用主机、天线分体式设计，安装方便；丰富的物理接口支持；可满足不同场景下的行业应用。
图4-4 车载定位及显示终端
（3）北斗工器具定位终端
一款小巧的可穿戴式北斗高精度定位终端。低功耗GNSS全星座双频芯片，可接收北斗、GPS、GLONASS、Galileo信号，接入北斗地基增强系统，精度可达厘米级。全星座解算、自主高精度算法，支持AGNSS辅助定位，全网通制式，支持手机通过蓝牙连接控制,电量指示灯、定位指示灯能够实现红绿双色闪烁预警。
图4-5 北斗工器具定位终端
4.2.3 铁路高精度电子地图
铁路高精度电子地图由专业人员使用高精度测量和定位设备外业采集获得，实现站场和线路厘米级实景呈现（包括轨道、道岔、转辙机、信号机、警冲标和各类防控点要素，形成标准化的电子台账），其精度可达2cm，按1:1000比例横向加密发布，提供作业人员及机具防撞轧系统时空基准。地图支持动态更新、远程升级功能，后续可实现线路站场三维模型场景构建、空间分析扩展功能，为安全防护系统开发提供时空基准。
图4-6 北斗高精度铁路专用地图
4.2.4 北斗地基增强网
北斗地基增强系统由天线、基站、供电、防雷、路由器和CORS解算软件等部分组成，能够全天候、全天时、高可靠性地接收GNSS播发的卫星信号，为北斗终端高精度定位提供差分数据。信号能够覆盖站场及周边线路区间，且覆盖半径不小于20km，通过在全线进行基准站的建设和部署，即可实现全线区间及站场的信号覆盖，最大程度节省项目投资成本和人力成本。
图4-7 北斗地基增强系统GNSS天线
4.3 关键技术
（1）北斗高精度定位技术
北斗地基增强系统能够全天候、全天时、高可靠性地接收GNSS播发的卫星信号，将计算的差分数据通过无线网络，实时传输至作业人员穿戴终端和防护终端，终端内置的GNSS全星座双频芯片进行载波相位实时差分（RTK）动态计算，以此修正终端定位的系统误差，最终得到施工作业人员高精度定位坐标，精度可达厘米级或后处理毫米级，能够准确区分股道，真正实现作业人员及机具防撞轧防护和精准预警的核心目标。
（2）5G技术
5G技术，又称第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，简称5G）是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，5G通讯设施是实现人机物互联的网络基础设施。本系统北斗定位终端融合了5G融信技术，支持移动、联通、电信5G，兼容4G/3G/2G，5G全网通。
（3）星光夜视技术
北斗定位终端融合了星光夜视技术，星光夜视的相机采用大光圈镜头和高感光度传感器，进光量更多，感光度更好。基于星光夜视摄像头，在星星点点的微光下，也可以呈现出彩色画面。终端星光摄像机采用更大光圈和更灵敏的传感器，比普通摄像机进光量更多，感光更好。相同低照度环境，彩色图像监控，星光级相机成像比普通相机更加细腻、噪点少、画面透亮。
（4）通信融合与电源技术
本系统北斗定位终端采用了通信融合与电源技术，支持铁路400M电台通信。
5 系统应用效果
结合铁路相关安全风险管理理论与方法，采用“GIS+北斗”相融合的技术路线，高度集成铁路作业安全风险管控思想，提供软硬件一体化的整体解决方案，建设基于GIS和北斗技术的铁路作业人员及机具防撞轧安全管理系统，将使铁路天窗作业更加标准化和精准化，为铁路作业人员及机具防撞轧的安全防护和预警管理，提供可靠高效的技术保障，保障作业人员及机具防撞轧的安全并大幅提升集团公司智慧化运输效率。
6 总结展望
（1）社会效益
随着近年来北斗行业的高速发展，北斗高精度位置服务已完成中国周边区域部署，于2020年已实现全球高精度位置服务，未来十年基于北斗的位置服务将成为国家经济发展的重中之重，北斗也将成为高铁之后，中国的又一张名片，结合铁路+北斗的应用具有非常重大的社会意义。
（2）经济效益
通过利用北斗高精度定位技术+GIS地图可视化技术，并融合5G网络通讯、物联网、大数据等技术，实景呈现铁路站场及区间地图数据，实时精准显示作业人员、车辆的当前位置，建立调度中心—车辆—作业人员之间的多级联动，可形成调度室实时掌控人员、车辆位置信息，车辆了解人员信息，人员掌握车辆信息，上级可汇总管理管内车辆、人员信息的多级安全系统，最终以“一张图、一终端、一大屏”的形式运营，并结合业务逻辑进行电子围栏划定，实时报警及业务提示，大大降低作业人员安全防护中的人为干预和危险关系不可量化的影响，为规避安全隐患提供科学依据，大大提升铁路运行安全，降低生产运营成本。
作者简介：傅鸿，1979年5月-，男，汉族，河北石家庄人，本科，职称，高级工程师，研究方向：铁道工程，北京局集团公司北京高铁工务段
康陆斌，1987年06月-，男，汉族，河北邯郸人，本科，工程师，研究方向：铁道工程，北京局集团公司北京高铁工务段
