聚焦丨北斗系統(tǒng)在智慧城軌中的應(yīng)用與展望

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）作為提供時(shí)間和空間信息的全球系統(tǒng)，是由我國自主建設(shè)運(yùn)行的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，目前已經(jīng)完成系統(tǒng)建設(shè)，正在各行業(yè)開展應(yīng)用推廣。通過應(yīng)用北斗系統(tǒng)，建設(shè)以其為基礎(chǔ)的高精度定位網(wǎng)、高精度時(shí)間同步網(wǎng)、高通量通信網(wǎng)和空間數(shù)字化平臺(tái)，可以對(duì)智慧城軌的建設(shè)起到基礎(chǔ)性的支撐作用。

由于北斗系統(tǒng)的應(yīng)用具有基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性、滲透性和帶動(dòng)性，因此其可對(duì)城軌的發(fā)展形態(tài)、發(fā)展理念、發(fā)展模式和運(yùn)營模式產(chǎn)生重大影響，從而促進(jìn)“北斗+城軌”運(yùn)營管理新模式的形成，滿足乘客、企業(yè)和政府等多元主體的各類需求，建成更加安全可靠、便捷舒適、經(jīng)濟(jì)高效、綠色節(jié)能的智慧城軌系統(tǒng)。

目前，北斗系統(tǒng)在國防安全、交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、氣象水文、電力調(diào)度和救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益；尤其在交通運(yùn)輸方面，已大量應(yīng)用于車輛定位、運(yùn)輸過程監(jiān)控管理和基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控等領(lǐng)域。

在此基礎(chǔ)上，北斗系統(tǒng)應(yīng)用還有進(jìn)一步擴(kuò)展的空間。例如，從應(yīng)用的空間環(huán)境上看，在能夠直接接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的室外暴露空間環(huán)境（以下簡稱“暴露空間”）中，用戶可以直接利用北斗系統(tǒng)提供的時(shí)空信息；然而，在不能接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的非暴露空間環(huán)境（以下簡稱“非暴露空間”）中，如地鐵、地下停車場、商業(yè)綜合體中及高架橋下等區(qū)域，受到建筑物遮擋和多徑效應(yīng)的影響，衛(wèi)星定位精度急劇降低，無法滿足非暴露空間位置服務(wù)的需要。

由于人們80%的時(shí)間處于建筑物、移動(dòng)載具等非暴露空間中，因此，解決非暴露空間中的導(dǎo)航定位問題是北斗系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的重要方向。

目前，國家正在建設(shè)以北斗系統(tǒng)為基礎(chǔ)的綜合定位、導(dǎo)航與授時(shí)（Positioning, Navigation and Timing，PNT）體系，該體系可利用基于不同原理的多種PNT信息源，經(jīng)過云平臺(tái)控制、多傳感器高度集成和多源數(shù)據(jù)融合，生成時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠等優(yōu)點(diǎn)的PNT服務(wù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)、水下、深空等領(lǐng)域的覆蓋。

近年來，隨著建設(shè)速度的加快及運(yùn)營里程的持續(xù)增長，城軌面臨著網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營、降本增效、快捷服務(wù)、低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等一系列的挑戰(zhàn)，智慧城軌的概念由此產(chǎn)生。

交通的實(shí)質(zhì)就是提供位移，即根據(jù)需要通過運(yùn)輸工具實(shí)現(xiàn)人員和物資的位置移動(dòng)。作為一種公共交通系統(tǒng)，智慧城軌發(fā)展的核心目標(biāo)是在保障安全的前提下實(shí)現(xiàn)最低成本、最大范圍覆蓋的位置移動(dòng)，其手段是在信息技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)城軌服務(wù)過程中所有環(huán)節(jié)的智能化，即“位移+”，因此需要充分利用先進(jìn)的信息通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等技術(shù)，以自主感知、自主學(xué)習(xí)、自主決策和自主控制為核心處理流程，在對(duì)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化管控的基礎(chǔ)上，為乘客提供高效精準(zhǔn)、個(gè)性化的位移服務(wù)，從而建設(shè)更加安全、高效、舒適、綠色的新一代城軌系統(tǒng)。

時(shí)間和空間位置信息是實(shí)現(xiàn)智慧城軌系統(tǒng)自主運(yùn)行、精準(zhǔn)管理和全時(shí)程個(gè)性化服務(wù)的基礎(chǔ)，因此智慧城軌的建設(shè)需要與提供時(shí)空信息的北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展。

城軌的未來發(fā)展趨勢(shì)是以“位移+”的方式推動(dòng)安全、便捷、經(jīng)濟(jì)、高效、綠色的智能運(yùn)輸；而北斗系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是以“+北斗”（即以北斗技術(shù)為賦能手段，以時(shí)空信息為應(yīng)用方式，與其他產(chǎn)業(yè)原有技術(shù)、原有業(yè)務(wù)相結(jié)合或替代傳統(tǒng)應(yīng)用方案）的方式賦能軌道交通行業(yè)，以促進(jìn)其轉(zhuǎn)型升級(jí)。“位移+北斗”作為北斗系統(tǒng)與智慧城軌融合發(fā)展的核心理念，將進(jìn)一步豐富城軌與北斗系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，促進(jìn)兩者全面發(fā)展，從而推進(jìn)國家戰(zhàn)略的實(shí)施。

北斗系統(tǒng)與智慧地鐵的融合發(fā)展

智慧城軌作為典型的復(fù)雜信息物理系統(tǒng)，涉及列車自動(dòng)控制（ATC）、自動(dòng)售檢票（AFC）、供電系統(tǒng)管理自動(dòng)化（SCADA）、環(huán)境監(jiān)控（BAS）、火災(zāi)報(bào)警（FAS）等種類繁多的信息系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)其自主運(yùn)行，必須集成這些復(fù)雜的信息系統(tǒng)，進(jìn)行海量時(shí)間、空間信息的感知、處理、決策和控制，因此更加需要建立統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，以避免發(fā)生時(shí)空信息沖突的風(fēng)險(xiǎn)，危及城軌的安全運(yùn)營。應(yīng)用北斗系統(tǒng)，利用其提供定位導(dǎo)航服務(wù)的CGCS2000坐標(biāo)系（我國目前最新的國家大地坐標(biāo)系），城軌系統(tǒng)可以獲取統(tǒng)一的、自主可控的時(shí)空基準(zhǔn)。

此外，城軌所處的空間環(huán)境非常復(fù)雜，暴露空間和非暴露空間并存，單純依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求。通過將北斗系統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)引入城軌非暴露空間內(nèi)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)維持，一方面可以實(shí)現(xiàn)非暴露空間相對(duì)位置與暴露空間絕對(duì)位置的統(tǒng)一，并以絕對(duì)坐標(biāo)系的方式對(duì)城軌內(nèi)非暴露空間的位置進(jìn)行展示和應(yīng)用；另一方面能夠統(tǒng)一時(shí)間，實(shí)現(xiàn)非暴露空間內(nèi)的時(shí)間同步。

由于城軌的空間環(huán)境復(fù)雜，因此掌握豐富、準(zhǔn)確的地理信息是智慧城軌建設(shè)和運(yùn)營的基礎(chǔ)?？臻g數(shù)字化，即構(gòu)建數(shù)字化的地理信息空間數(shù)據(jù)框架（Digital Geospatial Data Framework，DSDF），是測繪技術(shù)、地理信息技術(shù)及其他現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。

隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，測繪技術(shù)正在向信息采集、數(shù)據(jù)處理和成果應(yīng)用的三維數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化、可視化方向發(fā)展，出現(xiàn)了以三維實(shí)景建模為核心的空間數(shù)字化應(yīng)用需求。在智慧城軌建設(shè)中，需要基于北斗系統(tǒng)的時(shí)空基準(zhǔn)，利用架站式、推掃式、背包式、手持式等測繪工具和地理信息數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)城軌地下和地上空間的機(jī)房、站廳、區(qū)間、車輛段、倉庫等場所，圍繞空間結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)施、耗材物品等要素，進(jìn)行三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，并輔以現(xiàn)場攝影和紋理等數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建一套全要素的精細(xì)實(shí)景三維模型，以實(shí)現(xiàn)城軌的空間數(shù)字化。

利用上述數(shù)據(jù)，相關(guān)工作人員可以生成高精度地圖，梳理空間資源，掌握城軌的空間結(jié)構(gòu)及設(shè)施設(shè)備情況，為智慧城軌的規(guī)劃、建設(shè)、改造和維護(hù)提供精確、全面的地理信息，為空間的利用和精細(xì)化管理提供重要的基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐?？臻g數(shù)字化作為北斗技術(shù)在時(shí)空體系下的新場景應(yīng)用，為智慧城軌的發(fā)展注入了新的活力。

高精度的空間與時(shí)間信息是建設(shè)智慧城軌的基礎(chǔ)。交通數(shù)據(jù)是典型的時(shí)空數(shù)據(jù)，不僅具有時(shí)間維度屬性，還對(duì)空間結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的依賴性。

• 接受衛(wèi)星信號(hào)困難。城軌非暴露空間內(nèi)，由于墻體（尤其是鋼筋混凝土）的遮蔽，衛(wèi)星定位信號(hào)穿過建筑物后會(huì)明顯變?nèi)酰ㄎ痪葘⒋蠓档?，甚至出現(xiàn)無法接收到信號(hào)的情況。
• 多障礙物與多干擾源。城軌內(nèi)存在立柱、電梯、扶梯、設(shè)備、屏蔽門、行人等各類障礙物，而且布局不同，加上行人和車輛時(shí)刻在移動(dòng)，信號(hào)會(huì)被多次反射，這些眾多的不確定性干擾使得城軌環(huán)境異常復(fù)雜。在地鐵中，這種情況尤為突出，因?yàn)榈罔F環(huán)境相對(duì)封閉，無線電信號(hào)、聲音、光線、溫度等復(fù)雜環(huán)境干擾都會(huì)對(duì)定位設(shè)備傳感器的精度造成不良影響。
  
• 高程定位困難。在地鐵環(huán)境中，不僅要考慮二維平面的位置，對(duì)于多層建筑物還要考慮地上和地下的樓層位置和高度問題。
  
• 應(yīng)用終端研制困難。城軌需要小型化、個(gè)性化、組合化應(yīng)用終端，并解決組件優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選、精密制造、組件深度集成、傳感器實(shí)時(shí)標(biāo)校、傳感器輸出信息自適應(yīng)融合等方面的問題。研究人員應(yīng)從以上4個(gè)方面出發(fā)，進(jìn)行有針對(duì)性的研究，解決上述問題，從而為智慧城軌的建設(shè)和運(yùn)營提供高精度的空間與時(shí)間信息，保障其順利推進(jìn)。

智慧城軌必須建設(shè)一套自主可控的時(shí)空體系網(wǎng)絡(luò)。

針對(duì)北斗系統(tǒng)導(dǎo)航定位在非暴露空間無法使用、高通量通信手段缺乏、全要素地理信息缺失等問題，應(yīng)綜合應(yīng)用“北斗+5G+空間數(shù)字化”技術(shù)，構(gòu)建由高精度定位網(wǎng)、高精度時(shí)間同步網(wǎng)、高通量通信網(wǎng)和空間數(shù)字化平臺(tái)組成的“三網(wǎng)一平臺(tái)”時(shí)空體系網(wǎng)絡(luò)，形成城軌時(shí)空基準(zhǔn)信息網(wǎng)絡(luò)，并將其作為智慧城軌建設(shè)和運(yùn)營的基礎(chǔ)設(shè)施，為城軌提供統(tǒng)一、連續(xù)的空間與時(shí)間信息，以及定位、授時(shí)、通信服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)在非暴露空間中對(duì)北斗系統(tǒng)應(yīng)用的補(bǔ)充、增強(qiáng)和備份，從而打破城軌暴露空間與非暴露空間之間的壁壘。

智慧城軌時(shí)空體系網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

建設(shè)智慧城軌時(shí)空體系網(wǎng)絡(luò)，需要重點(diǎn)突破室內(nèi)外一體化高精度連續(xù)定位、基于通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的大范圍高精度時(shí)頻傳遞、基于5G的高通量無線通信應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。

在定位方面，需要在統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)上，以超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位技術(shù)為主導(dǎo)，以多種定位技術(shù)為補(bǔ)充和增強(qiáng)，通過導(dǎo)航定位軟件與算法的融合，實(shí)現(xiàn)在暴露空間和非暴露空間中的連續(xù)定位；通過國家投資建設(shè)的綜合PNT體系和小型化、個(gè)性化、組合化服務(wù)終端研制的微PNT體系，提供高精度的位置服務(wù)。

在時(shí)間方面，需要在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)上，以IEEE 1588V2網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議（也稱為精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP））為基礎(chǔ)，結(jié)合同步以太網(wǎng)（Synchronous Ethernet，SyncE）技術(shù)和白兔（White Rabbit，WR）時(shí)間同步方法，實(shí)現(xiàn)城際范圍內(nèi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)時(shí)間同步，以提供高精度的授時(shí)服務(wù)。

在通信方面，需要開展城軌室內(nèi)分布系統(tǒng)與面向地鐵業(yè)務(wù)的時(shí)間切片算法的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)高通量通信的應(yīng)用。除此之外，隨著系統(tǒng)建設(shè)的開展，還必須突破北斗系統(tǒng)在智慧城軌中應(yīng)用的一系列關(guān)鍵技術(shù)。

• 在智能運(yùn)行方面，通過北斗系統(tǒng)，可獲取站務(wù)、管理及施工人員的實(shí)時(shí)高精度位置信息，在此基礎(chǔ)上可通過構(gòu)建電子圍欄、電子點(diǎn)名簽到、績效考核分析等方式，對(duì)城軌工作人員進(jìn)行精準(zhǔn)管理；列車定位是城軌列車安全和高效運(yùn)行的保障，利用北斗系統(tǒng)可使列車定位精度更高，冗余更充分，自主化更強(qiáng)，集成更深，聯(lián)動(dòng)更高效。
  

• 在智能維修方面，城軌的設(shè)施設(shè)備錯(cuò)綜復(fù)雜、自動(dòng)化程度高、資產(chǎn)規(guī)模龐大，其維保和管理直接關(guān)系到城軌運(yùn)行的安全可靠程度。通過北斗系統(tǒng)獲取設(shè)施設(shè)備的準(zhǔn)確位置，可在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)設(shè)備基于精準(zhǔn)位置的自動(dòng)盤點(diǎn)，打造狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、維修評(píng)價(jià)和資產(chǎn)管理的閉環(huán)鏈條。
  

• 在智能客服方面，利用北斗系統(tǒng)，乘客可對(duì)城軌站內(nèi)外的自助售票機(jī)、自助售貨機(jī)、洗手間等服務(wù)設(shè)施進(jìn)行快速查找和路徑規(guī)劃；還可以基于多維、多層次的數(shù)字地圖，實(shí)現(xiàn)自助導(dǎo)航、智能移動(dòng)終端與機(jī)器人引導(dǎo)服務(wù)等功能，從而能夠以乘客出行需求為核心，為乘客提供全時(shí)程、個(gè)性化的出行服務(wù)
  

時(shí)間與空間信息已經(jīng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)與生活中的基礎(chǔ)信息。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展徹底改變了人們的生活方式，也改變了社會(huì)和企業(yè)的管理模式。隨著北斗系統(tǒng)的建成與應(yīng)用推廣，我國智慧城軌的建設(shè)與發(fā)展對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)、空間數(shù)字化、高精度定位與授時(shí)提出了更高的要求。

未來，北斗系統(tǒng)與智慧城軌具有廣闊的融合空間和潛力，其核心是根據(jù)城軌應(yīng)用場景定義其PNT體系，突破關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)“三網(wǎng)一平臺(tái)”時(shí)空體系網(wǎng)絡(luò)。北斗系統(tǒng)的應(yīng)用推廣將為城軌的智慧化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造最優(yōu)的基礎(chǔ)條件。

參考文獻(xiàn)：

藺陸洲，李宇杰，鄧平科，等.北斗系統(tǒng)在智慧城軌中的應(yīng)用與展望【J】.現(xiàn)代城市軌道交通，2021（4）：6-10.