基于GPS机车车辆运行姿态监测及预警系统项目可行性与研究报告.doc

基于GPS的机车运行姿态监测及预警系统可行性研究报告二零一四年十一月目录一、工程目的和意义3二、工程概况3三、工程的意义与重要性4四、国内外研究现状、水平及开展趋势51、研究现状52、存在的问题5五、总体目标和建立内容61、总体目标62、建立内容6六、总体技术方案61、系统设计的总思想62、设计原则63、总体设计7〔1〕系统架构图7〔2〕软件系统架构9〔3〕硬件体系架构9〔4〕系统主要功能和技术指标10基于北斗的机车车辆运行姿态监测及预警系统可行性研究报告一、工程目的在中国这样一个地大物博、幅员辽阔的国家，铁路交通是最重要的交通工具，是国家运输体系的骨干，承当着远距离、大运量全天候的运输需求，具有受气候影响小、绿色环保、低排放的优势在过去二十多年里，政府对铁路实行优惠政策，为加快铁路开展创造了有利条件但与国民经济与社会开展的需要相比，我国铁路无论是规模还是质量都还有很大的差距从数量上看，铁路路网密度仍处于较低水平，远落后于兴旺国家的平均水平；主要运输通道客货运输能力严重缺乏，制约了国民经济的开展从质量上看，铁路的技术装备水平和管理水平与兴旺国家又较大差距，便捷性、舒适性、准时性、平安性等还远远不能满足旅客和用户的要求。

随着我国铁路体制的改革，在未来很长的一段时间内，铁路建立将是我国经济开展领域中一个非常的亮点我们经常会看到世界各国发生列车脱轨翻车的意外事故，如大风、山体滑坡、铁轨弯曲变形等原因造成的列车脱轨、翻车事故层出不穷，造成极大的人身伤亡和经济损失而**地区地处大漠戈壁，每年受西伯利亚、乌拉尔山冷空气的影响，大风频繁强冷空气经过山口时产生狭管效应，风速加大同时受**北高南低地形影响，大风顺坡而下，锋利强劲尤其在兰新线西段百里风区〔雅子泉至红旗坎站间〕和南疆先百里风区〔吐鲁番至鱼儿沟站间〕，瞬时风速高达64m/s据不完全统计，**铁路运输因风沙造成的行车平安事故总计38起因大风造成的列车停轮次数更是数不胜数，严重影响了铁路运输的效益为防止此类事故的发生，迫切需要对机车车辆运行时姿态进展监测，并在车身发生倾斜时能够发出报警信息，提示列车处于不平安状态，提醒司机紧急制动，防止事故发生二、 工程概况全球定位系统的出现，开创了人类导航技术的新时代特别是把GPS定位的准确性与电子地图的直接性以及计算机的多媒体特性生动形象地结合在一起的车载定位导航系统的出现，使导航技术进入了一个全新的领域配合电子地图，GPS的定位信息可以通过计算机在电子地图上实时、准确和形象的显示出来，不仅使人们知道自己所处的地理位置，还可以对自己所处的环境及各种所需的专项信息有进一步的了解，从而大大提高了导航的性能。

随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大，目前GPS的最新应用是利用复合多天线系统基于相位干预的原理来确定载体的姿态利用复合多天线系统进展载体姿态的研究获得了巨大的成功，并且随着对载波相位差测量精度的提高，姿态测量的精度也越来越高国内利用GPS进展测姿方面的研究大多为多天线GPS载波相位干预法，通过测量安装于飞行器外表多个天线间的载波相位差来确定飞行器的姿态现己进入工程实用阶段本工程的目标是利用北斗技术建立机车车辆运行姿态测量监测系统，集“北斗/GPS卫星定位〞、“多天线〞、“高精度数字载波相位处理解算〞、“GPRS/CDMA/北斗通信〞传输于一体，可实现数据自动化采集、监测和管理本工程实现原理为，在列车车厢中部安装监测站，监测站采用两对天线，对称安装在列车中部车辆中轴线两边，通过北斗/GPS接收机采集天线的数据，监测站将采集到的数据传输到数据监控中心平台，数据监控中心平台通过高精度姿态测量算法可计算列车横滚倾斜角度，当列车倾斜角度超过事先预置好的门限值之后，监控平台发出报警信息，提示相关人员列车运行处于危险状态，应立即采取措施。

三、 工程的意义与重要性随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大，目前GPS的最新应用是利用复合多天线系统基于相位干预的原理来确定载体的姿态利用复合多天线系统进展载体姿态的研究获得了巨大的成功，并且随着对载波相位差测量精度的提高，姿态测量的精度也越来越高但是，由于GPS的军事用途以及其独有技术，国内在相关技术方面的应用受到了很大限制，尤其是电子干扰北斗导航定位系统是我国独有的系统，在信号的可靠性，稳定性方面不会受到其他国家的干扰，这样就提高了产品的可靠性与稳定性在未来的产品中，基于本国的北斗导航定位系统将会有更大的市场，本工程的目标是采用北斗定位导航系统，建立基于北斗2的姿态测量产品，可以在军事、民用领域同时应用在军事上可以有效脱离对GPS的依赖，提高平安系数，增强自主知识产权意识，提高产品应用领域尤其是军事领域的可靠性、平安性和自主性 列车的运行平安是铁路交通运输的最重要的要求，有效监管列车运行状态，提高列车运行平安系数是铁路部门的一项重要工作，本系统的应用，通过自动化方式进展列车行车平安监测，有效降低了铁路相关人员的工作量，降低了平安事故的发生。

四、国内外研究现状、水平及开展趋势1、 研究现状对于姿态测量，美国、日本等兴旺国家已经做了很多工作，特别是对无人机、飞机、舰艇等投入了大量的姿态监测工作监测内容包括俯仰、横滚、航向测量监测技术采用常规监测、自动观测、GPS和卫星通信等结合的技术手段在我国，由于我国北斗导航定位系统的快速部署，近年来基于北斗2的姿态测量产品也取得了长足的进步，在军事，民用等领域，已经对飞机着陆、舰艇导航、无人机导航进展了长时间的测试与观察，取得了许多珍贵的资料，但大量的观测方法都是人工观测或现场记录我们所开发研制的北斗姿态/航向测量系统是基于北斗卫星定位系统开发的一种航向/姿态测量仪它将2/4个北斗卫星接收单元集成在一起，通过北斗卫星载波相位处理算法实现高精度、高动态的航向/姿态测量它突破了北斗卫星定位系统的应用局限，可为各动态载体种提供基于北斗的实时航向、俯仰和横滚姿态以及三维位置和速度测量可广泛应用于海洋、航空和地面2、存在的问题虽然姿态测量产品已获得了广泛的应用，但针对姿态测量的实时监测、预警和管理系统却没有先例，主要原因有以下几个方面：〔1〕稳定性，在北斗信号受到遮挡时，定姿精度差，甚至不能定姿〔2〕网络传输的限制。

由于自动化监测需要大规模的网络通信作为载体，因此对系统的传输要有明确的优化方案，要考虑多种传输手段，包括有线、无线，甚至卫星信道等传输介质〔3〕预警、监测和MIS管理系统的结合问题实时监测、预警以及后续趋势分析却由于技术复杂的原因而没有涉及，作为一个系统而言是远远不够的〔4〕网络架构和数据体系如果要完成基于现场数据的监测和管理，一定要充分考虑系统架构和数据库体系，便于垂直化管理〔5〕采样率低，1hz,不能满足高动态用户控制周期的要求五、总体目标和建立内容1、总体目标本工程的目标是在现有的GPS姿态测量系统的根底上，开发一种集“北斗卫星定位〞、“多天线〞、“高精度数字载波相位处理解算〞、“GPRS/CDMA/北斗通信〞传输于一体的北斗姿态/航向测量系统，可实现数据自动化采集、监测和管理，可广泛用于机车车辆运行姿态测量系统2、建立内容工程建立内容主要包括以下几个方面：1〕开发、完善以高精度北斗为基准的姿态测量系统的软硬件设备及系统平台；2〕采用自动化监测手段；3〕实现姿态控制各自数据〔航向、横滚、俯仰等〕的长期积累；4〕实现自动化监测预警辅助分析决策；5〕建立远程监测管理体系，实现长距离远程数据实时收集、汇总和可视化管理。

六、总体技术方案1、系统设计的总思想北斗姿态/航向测量系统建立目标是建立一个以可靠性、平安性、可扩展性、可管理性、先进性、实用性、经济性、实时性为原则的，能满足航空、军事以及民用所要求的监测数据采集、传输、存储、分析、处理系统2、设计原则依据国家和行业对北斗姿态测量的调研情况，结合国内外技术的最新开展，确定系统设计遵循如下原则：〔1〕系统设计充分考虑现场情况及对平安管理、平安标准的要求，以实用、适用，方便，高效为原则满足现场对本系统的需求；〔2〕保证系统具有良好的稳定、平安、可靠性，配套终端设备能适应恶劣环境，抗干扰、防尘、防水性能好，功能完善，操作简单，使用方便，易于维护；〔3〕系统采用合理实用的配置，努力减少工程造价，经济技术指标到达或超过国内先进水平；〔4〕易用性：有完整的功能说明和智能形象化的操作，简便易用、通俗易懂；提供中文的系统用户操作手册3、总体设计〔1〕系统架构图下列图为系统架构图图1 系统架构图该系统根本由三大局部组成：现场数据采集系统、数据远程传输局部和监测监测中心预警管理平台，按照二级网络，三级终端考虑1〕现场数据采集系统监测站安装在列车每节车厢的中部，每台监测站配置4个天线，每两个为一对，分别安装在以列车厢体方向的中轴线为对称轴的对称位置。

监测站数据采集系统由北斗/GPS接收机、数据处理模块、通信接口、电源模块、天线等局部组成北斗/GPS接收机采用双系统、四频高精度接收机，该接收机基于多系统多频率高性能SOC芯-NebulasTM,采用低功耗设计，提供毫米级载波相位观测值和后处理定位精度，支持芯片级多路径抑制，领先的瞬时RTK和长距离RTK技术，尤其适合高精度测量定位应用北斗/GPS接收机以1Hz或更快的速度输出卫星信息数据处理模块采用ARM工控主板，工控主板预装WINCE6.0操作系统，具有400MHz处理速度的CPU，64MB DDR2系统内存，128MB FLASH，BinFS文件系统，实现系统快速启动数据处理模块将接收机接收到的卫星信息进展预处理后通过通信接口传输出去通信接口可提供以太网、RS232等接口方式北斗/GPS天线采用外置式高增益天线，支持BD B1/B2和GPS L1/L2双系统四频电源模块则为数据采集系统提供稳定可靠的电源供给2〕数据远程传输局部数据远程传输局部主要实现将接收的北斗/GPS卫星信号实时传到中心站中心站通过通信网监测监测站的工作状况；并向监测站发出监控命令由于自动化监测需要大规模的网络通信作为载体，因此对系统的传输要有明确的优化方案及现场灵活配置，要考虑多种传输手段，包括有线、无线，甚至卫星信道等传输介质。

目前最优方案是采用GPRS/CDMA移动通信进展数据传输，或者利用铁路专用的GSM-R数字移动通信系统，则是非常平安、有效、本钱低廉的通信方式3〕监测中心管理平台负责整个系统管理，监测监测站站北斗/GPS接收机工作状况；对监测站接收机发出控制指令及设置工作参数并实时采集监测站GPS接收机观测原始数据，按设定时间从数据库中自动提取相应监测站数据，数据处理中心自动解算监测点三维坐标对监测点姿态状态进展实时分析，对超过超限点的监测点进展报警管理平台由一系列应用程序软件子系统构成，包括数据存储系统、数据采集接口、数据计算预处理系统、模型库、知识库、综合分析推理系统、预测预报系统、查询报表系统和视频监控系统等软件系统采用先进的三层构架设计，保障系统的可扩展性和先进性监控中心软件设计详尽，具有姿态测量根本情况、现场显示、数据查询、预警设置、统计分析、日常管理、平安分析等具体分项功能图2 北斗测姿测向控制呈现界面〔2〕软件系统架构下列图为系统软件构造图：图3 系统软件构造图〔3〕硬件体系架构1〕天线布置图列车姿态测量系统中，采用4个天线来确定列车的姿态数据在列车车厢的中部以列车厢体。