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聚焦丨北斗系統(tǒng)在智慧城軌中的應(yīng)用與展望

發(fā)布時(shí)間:2021-12-29作者來源:金航標(biāo)瀏覽:1774

據(jù)統(tǒng)計(jì),人們80%以上的時(shí)間在建筑物、移動(dòng)載具、地下等非暴露空間中度過。城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)作為非暴露空間的典型場(chǎng)景,是城市的動(dòng)脈和最核心的公共區(qū)域,也是“新基建”的重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域。長期以來,非暴露空間中的定位、導(dǎo)航、授時(shí)和通信一直是世界性的技術(shù)難題,也是制約智慧城軌發(fā)展的瓶頸。


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)。


#01

北斗系統(tǒng)與智慧城軌


①北斗系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展

目前,北斗系統(tǒng)在[敏感詞]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(chǎng)、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。


②北斗系統(tǒng)與智慧城軌的融合發(fā)展

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)[敏感詞]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


#02

智慧城軌對(duì)北斗系統(tǒng)的需求


①時(shí)空基準(zhǔn)

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[敏感詞]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[敏感詞]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[敏感詞]位置的統(tǒng)一,并以[敏感詞]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。


②空間數(shù)字化

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)。空間數(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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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[敏感詞]、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。空間數(shù)字化作為北斗技術(shù)在時(shí)空體系下的新場(chǎng)景應(yīng)用,為智慧城軌的發(fā)展注入了新的活力。


③高精度定位與授時(shí)

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。


隨著不同軌道交通信息系統(tǒng)之間的融合發(fā)展,對(duì)定位精度和時(shí)間同步精度的要求不斷提高。而目前,北斗系統(tǒng)無法直接滿足智慧城軌對(duì)于高精度定位與授時(shí)的要求,其原因如下:
  • 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档停踔脸霈F(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)。


#03

北斗系統(tǒng)在智慧城軌中的應(yīng)用展望


①時(shí)空體系網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

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)


②需突破的關(guān)鍵技術(shù)時(shí)空基準(zhǔn)

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(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議(也稱為[敏感詞]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)。


③應(yīng)用服務(wù)應(yīng)用是北斗系統(tǒng)與智慧城軌融合發(fā)展的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。北斗系統(tǒng)將在智能運(yùn)行、智能維修、智能客服等方面賦予城軌新的能力和手段,為城軌業(yè)務(wù)提供有效支撐,協(xié)助構(gòu)建管理精細(xì)、運(yùn)行高效、效益最大化的智慧城軌系統(tǒng)。
  • 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(cè)、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)


#04

結(jié)語

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(chǎng)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.


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