中国的高速铁路在世界处于领先地位，十三五规划提出，到2020年，铁路网规模预计达到15万km，其中高速铁路达到3万km。高铁的快速发展促使对安全运营^[1]的要求越来越高，庞大的铁路网检修、维护工作是非常重要的。目前，国内对铁路安全检查采用轨道车运行控制设备^[2]，由于成本限制的原因，未在客运列车上安装实时监控设备，导致监控中心不能对作业车进行实时监控及调度。

随着全球卫星导航定位(global navigation satellite system, GNSS)技术的不断发展，卫星导航定位技术在交通运输、环境监测、精密农业等领域具有广泛应用。因此，本文基于GNSS技术，结合通讯、计算机及数据库技术，开发了一套实时高效的高铁作业车定位监控管理系统^[3]，能够实时地监控管理多辆在线高铁作业车，改善目前高铁作业车工作效率低下的现状^[4]。

1 系统框架

本文设计的高铁作业车实时定位监控系统主要由服务器端、客户端和数据源端3部分组成。服务器端包括后台通信模块及数据库模块，客户端为网页监控平台，数据源端为GNSS接收机。服务器端与数据源端、客户端之间的数据通信协议分别基于TCP/IP和WebSocket协议^[5]，服务器端的后台通信模块采用C#语言编程实现，使用套接字方式，利用C#语言中的Socket类来实现监听过程。与此同时，服务器和浏览器各自访问数据库获取相关数据。具体的实现流程为：GNSS接收机接收卫星信号，将观测数据通过移动数据网络播发到服务器端，由部署在服务器端的精密定位程序模块进行位置解算，解算结果存入数据库，同时将坐标实时发送到浏览器，方便管理人员监控作业车的实时位置。此外，浏览器还具有访问数据库和查询历史轨迹的功能。

2 系统设计与实现 2.1 系统开发环境

根据高铁作业车实时定位监控系统建设的目的和要求，顾及现有开发和运行环境多为Windows操作系统、.NET应用服务配置等情况，本文对系统开发和运行所需的各项平台进行合理的选择与配置，以确定最优的系统应用配置方案。

具体开发环境如下：操作系统为Windows 7及以上；开发平台为基于.NET平台^[6]；开发语言后端选择C#，前端采用JavaScript+HTML5+CSS3；数据库选择MySQL^[7]；开发工具为Visual Studio 2013。

2.2 服务器端

服务器端是整个系统的中枢，起接收、存储和播发实时定位数据的作用。其中，C#后台通信模块以多线程的方式实现接收GNSS接收机播发的实时定位数据，播发至所有已连接的客户端，并存入MySQL数据库。

1) 后台通信模块。并行处理多辆作业车同时与监测中心后台通信模块各线程内部传输信道的建立和数据操作。具体原理如下：输入端口号，点击“开始服务”，即打开本地IP和输入端口作为服务器的访问地址，程序以多线程的方式与接收机的播发软件建立TCP/IP链接，同时打开WebSocket链接方式。用户列表显示已链接的接收机数据源端，当实时获得定位数据后，数据同时存入数据库，以实现历史轨迹回放的功能。同时，将数据发送到所有已登录监控系统的用户界面。

2) 数据库设计。数据库用于存储实时定位数据及作业车的出车情况和运行参数，数据库表主要包括：作业车排班表、公用数据箱记录表、运行轨迹表。

2.3 客户端

交互维度是信息化时代Web系统设计的重要环节，本文的监控系统根据需求主要进行以下几方面的交互设计^[8]。

1) 用户权限。考虑到监控系统的保密性，使用程序内设的管理员账号和密码才可以登录本监控系统。

2) 基于百度地图的作业车综合定位信息显示^[9]。作业车定位实时监控页面调用百度地图应用程序接口(application program interface，API)^[10]，在网站中实现铁轨、公里标、作业车实时位置、信息窗口及其他控件的显示功能，同时支持PC端和移动端基于浏览器的监控方式，功能如下。

① 铁路轨道显示。利用GNSS设备精密单点定位动态模式采集并计算出安徽省巢湖东至无为铁路段的铁轨坐标(经纬度)，采样频率1 Hz。将轨道坐标存放在JS文件中，在网页头引用该文件。由于百度地图坐标与WGS-84坐标存在偏移，利用纠偏函数实现坐标转换，将轨道经纬度坐标转换成百度地图坐标。需要注意的是，百度API提供的坐标转换接口一次最多转换10个坐标。考虑到转换效率及地图的分辨率，轨道坐标需要进行抽稀操作。最后，将转换完的离散坐标连接成平滑的轨道，以覆盖图层的形式加载到地图中。

② 公里标显示。数据采集阶段，配合作业车的公里标采集设备，在铁路沿线特征点静止5 min，利用精密单点定位静态模式求出节点坐标并计算出该点精确坐标，同时与该点的公里标匹配，用标签的形式在地图上展示出来，以便准确判别作业车的实时位置。

③ 作业车显示。针对多辆作业车同时作业的情况，对接收到的实时定位坐标数据源地址进行编号处理，提取经度和纬度信息，实现多台作业车实时位置的展示功能。

④ 信息窗口显示。利用相关控件在地图右上角展示时间、车号、司机名、经度、纬度、车速，方便管理者监控。其中，由定位数据流提取或计算出经度、纬度和车速，从数据库表中提取车号和司机名。

⑤ 其他控件。包括比例尺、定位、缩略图、版权、地图类型等控件。

3) 公用数据箱数据查询。公用数据箱^[11]数据采用异步数据传输方式，以一定的数据帧格式进行通信，通过数据解码后存入MySQL数据库。

4) 作业车排班表记录添加和查询。该页面包括添加记录模块和查询记录模块。①添加记录模块可以读取控件中的字段，生成并执行添加的SQL语句。在下拉列表中选择相应的选项，点击“添加”，可往数据库的作业车排班表中添加一条记录。为了防止操作失误导致数据库的信息丢失，不设置删除记录模块。②查询记录模块有两种查询方式。一种是根据司机、车号和发车时间进行查询；另一种是根据始发站和终点站进行查询。点击“查询1”或“查询2”，系统就会返回查询记录，显示在该模块下方。

5) 历史轨迹回放。作业车历史轨迹回放的功能可方便管理者对一些特殊的、重要的时间段进行回查。该功能需要输入查询的起始、结束时间，设置回放速率，根据时间段查询数据库中的历史轨迹表，读取时间和经纬度信息，在地图上展示作业车位置。

3 系统测试

本实验的内容主要包括监控系统的实时性和稳定性，测试方案为利用安装在高铁作业车顶端中部的GNSS天线接收卫星信号，分别设置不同的采样频率和不同数量的接收机完成实时性和稳定性测试，分别统计服务端和客服端的响应时间，测试地点为上海铁路局合肥供电段的合肥南站、巢湖东站以及淮南东站。

3.1 系统实时性测试

为了测试系统的信号传输延迟程度，GNSS接收机设置采样率分别为2 Hz、1 Hz和0.5 Hz，播发频率与采样率相同。测试时长为1 h，分别统计出服务器和客户端接收到数据的平均间隔和标准差，及从服务器传输到客户端的平均时长和标准差，统计结果如表 1所示。

从表 1可以看出，随着播发频率的降低，服务器和客户端接收到数据与播发的时间间隔差值小于0.03 s，标准差低于0.37 s；服务器到客户端的信号传输延迟小于0.1 s，标准差小于0.3 s。验证了本文设计的系统的信号传输延迟满足实时定位监控的要求。

3.2 系统多数据源稳定性测试

考虑多数据源条件下，本实时定位监控系统的稳定性问题，设计采样频率1 Hz，测试时间长度1 h，选择3台安装了GNSS接收机的高铁作业车进行测试，分别统计在1台、2台、3台GNSS接收机工作的情况下，服务器和客户端接收到数据的平均间隔和标准差，及从服务器传输到客户端的平均时长和标准差，统计结果如表 1所示。

从表 1可以看出，多数据源条件下的监控系统的信号传输延迟和单数据源下的时延相当，系统具有较高的稳定性。

4 结束语

本文设计的高铁作业车实时定位监控系统以卫星定位技术为基础，集成C#服务器、MySQL数据库和.NET平台，实现在网页端实时监控、调度高铁作业车的功能。经过测试表明，本系统具有实时监控的功能和较高的稳定性，操作简单，运行维护成本较低，在铁路监管领域有较好的应用前景。