基于北斗定位的鐵路智能運維新技術(shù)應(yīng)用研究

鄧燁飛

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)已于2020年6月全面建設(shè)完成，為全球用戶提供授時、定位導(dǎo)航、全球短報文通信和國際搜救服務(wù)，同時可為中國及周邊地區(qū)用戶提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區(qū)域短報文通信等服務(wù)［1］。因此，開展基于北斗的應(yīng)用技術(shù)研究具有重要意義。

近年來，我國鐵路進入了高速發(fā)展時期，形成了安全高效、便捷經(jīng)濟的鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。鐵路的智能化、信息化也為安全運營維護帶來了新的挑戰(zhàn)［2］。面向智能鐵路時代，運輸調(diào)度的精準(zhǔn)化、運營維護的精細(xì)化對定位功能提出了更高的要求，需要通信、定位、決策相融合，實現(xiàn)安全、快速、精準(zhǔn)的智能運維。

1 需求分析

鐵路的智能運維以鐵路人員、裝備、設(shè)施為基礎(chǔ)，以通信平臺為支撐，通過與衛(wèi)星定位、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通信等技術(shù)多方位結(jié)合，實現(xiàn)全面感知、科學(xué)決策［3］。智能運維對于北斗定位的需求已從事后走向?qū)崟r、從靜態(tài)走向動態(tài)、從粗略走向精準(zhǔn)，突顯在功能需求和應(yīng)用需求2個方面。

1.1 功能需求

功能需求主要為對精確定位的需求。鐵路各應(yīng)用場景中對定位精度需求有所不同?；诒倍穪頋M足不同等級的精準(zhǔn)定位需求，可以有效提升管理效率和運輸安全水平，為線路安全增加保障，大幅降低鐵路運維的成本和難度。

1）運營生產(chǎn)。列車調(diào)度管理的定位精度為亞米級，實現(xiàn)精確列車定位和運行速度、方向可控化；重點貨物跟蹤需要確定貨物當(dāng)前位置（站內(nèi)或運輸途中），實現(xiàn)重要運輸物資／車輛的定位跟蹤。

2）運營管理。鐵路關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的定位精度為毫米級，對橋梁、隧道、鋼軌、路基、輸電線路、鐵塔等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進行形變、位移監(jiān)測［4］，實現(xiàn)狀態(tài)修、預(yù)測修；人員定位精度為米級，對現(xiàn)場作業(yè)人員跟蹤定位，實現(xiàn)安全卡控。

3）建設(shè)管理。在鐵路工程建設(shè)過程中實現(xiàn)對鐵路工程測量的亞米級精度定位，在建設(shè)期提供精確的工程測量。

“一維性”的鐵路運輸網(wǎng)覆蓋我國廣袤地域，列車運行環(huán)境多樣復(fù)雜，存在各種隧道、峽谷等衛(wèi)星信號衰弱環(huán)境，成為智能運維的監(jiān)測盲區(qū)。弱衛(wèi)星信號場景的全天候信號覆蓋，為鐵路提供安全性、完整性的定位精度及快速定位功能。

1.2 應(yīng)用需求

北斗定位與智能運維融合，形成新的系統(tǒng)架構(gòu)。其應(yīng)用需求與多種因素息息相關(guān)，在應(yīng)用過程中需要充分考慮系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、安全性、智能化。這些因素決定了應(yīng)用范圍和應(yīng)用成果的優(yōu)劣。

1）建立標(biāo)準(zhǔn)體系。需要建立全面性、動態(tài)性的鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，使基于北斗應(yīng)用的智能運維系統(tǒng)化、規(guī)范化。相關(guān)的技術(shù)要求或指標(biāo)銜接一致，提高系統(tǒng)互通性和可操作性。標(biāo)準(zhǔn)體系的建立有利于總結(jié)既有的應(yīng)用經(jīng)驗，也為未來的推廣應(yīng)用夯實基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)體系隨著時間的推移和條件的改變可不斷發(fā)展更新［5］。

2）實現(xiàn)安全保障。鐵路使用SIL（安全完整度等級）來定義功能安全性，可分為SIL0～4級，而定位功能作為核心安全功能，其等級為最高的SIL4級?；诒倍返蔫F路智能運維必須考慮到安全因素。

3）ICT（信息通信技術(shù)）融合。鐵路的運維管理已經(jīng)廣泛部署了各類采集設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、管理系統(tǒng)以及其他各類信息平臺，獲取了海量信息。信息的相關(guān)性分析及深度挖掘是大數(shù)據(jù)的真正價值所在。結(jié)合大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等ICT技術(shù)，將基于北斗的定位監(jiān)測數(shù)據(jù)與鐵路運維信息動態(tài)關(guān)聯(lián)、綜合分析，為新一代鐵路智能運維創(chuàng)造客觀條件。

2 應(yīng)用架構(gòu)

結(jié)合鐵路智能運維的需求，對基于北斗的鐵路智能運維新技術(shù)應(yīng)用進行深化設(shè)計，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自主可控、安全可靠，是我國重要的空間戰(zhàn)略設(shè)施，能夠滿足鐵路系統(tǒng)不同SIL等級的安全性需求。搭建鐵路北斗應(yīng)用支持平臺，采用包括地基增強系統(tǒng)、遮蔽地區(qū)的覆蓋增強系統(tǒng)及基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)等新技術(shù)，統(tǒng)一接收北斗衛(wèi)星定位信息，匯總各類時空信息及其他相關(guān)信息，形成綜合數(shù)據(jù)平臺。再基于通信網(wǎng)絡(luò)為運營生產(chǎn)、運營管理、建設(shè)管理中各應(yīng)用場景提供差異化定位服務(wù)；獲取的海量數(shù)據(jù)經(jīng)平臺進行集成分析，為資源管理提供綜合分析、輔助決策等服務(wù)。

2.1 系統(tǒng)功能

1）支持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。鐵路北斗應(yīng)用支持平臺與地基增強系統(tǒng)、遮蔽地區(qū)的覆蓋增強系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)及其他相關(guān)應(yīng)用互聯(lián)互通，完成數(shù)據(jù)的交換傳遞；同時具備北向接口與上層智能運維管理平臺互聯(lián)互通。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)可基于鐵路既有通信網(wǎng)絡(luò)資源。

2）支持?jǐn)?shù)據(jù)綜合處理。對采集的應(yīng)用、衛(wèi)星定位、地理位置等信息進行數(shù)據(jù)管理、解算、處理、存儲和更新等，完成數(shù)據(jù)集成及數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)系統(tǒng)運行監(jiān)控、安全防護管理等重要功能。

3）支持差異化定位服務(wù)。各級差分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品通過鐵路北斗應(yīng)用支持平臺進行數(shù)據(jù)發(fā)布，定位等級包括實時的米級、亞米級、厘米級精度，以及事后處理的毫米級精度。結(jié)合運營生產(chǎn)、運營管理、建設(shè)管理的多種應(yīng)用場景，提供安全性、完整性的定位精度。

4）平臺采用大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)，利用鐵路人員、裝備、設(shè)施等海量多源的大數(shù)據(jù)，完成分析處理、跟蹤預(yù)測的一體化功能，挖掘數(shù)據(jù)之間時間、空間的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，提供預(yù)警信息，為線路安全增加保障，為資源管理提供有力支撐。

2.2 基于北斗的新技術(shù)

2.2.1 地基增強系統(tǒng)

地基增強系統(tǒng)在地面一定范圍內(nèi)建立若干個連續(xù)運行的衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站，協(xié)同北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為用戶提供更高精度的靜態(tài)、動態(tài)空間位置服務(wù)?；诒倍返蔫F路地基增強系統(tǒng)由若干連續(xù)運行基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)及處理中心等組成［6］，其中數(shù)據(jù)及處理中心功能可由鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺統(tǒng)一提供。地基增強系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

2.2.2 遮蔽地區(qū)的覆蓋增強系統(tǒng)

遮蔽地區(qū)的覆蓋增強系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、中繼單元、網(wǎng)管系統(tǒng)等組成，以隧道區(qū)段為例，其系統(tǒng)組成見圖3。

圖3 隧道覆蓋增強系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.3 基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)

基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)由采集設(shè)備（北斗差分接收機、監(jiān)測點天線等）、監(jiān)測服務(wù)器等部分組成。通信鐵塔作為鐵路移動通信的承載設(shè)施，數(shù)量眾多，以鐵塔為例，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

3 應(yīng)用展望

圖4 鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

下一代通信網(wǎng)絡(luò)（NGN）是一個多業(yè)務(wù)、多技術(shù)融合的通信網(wǎng)絡(luò)，基于北斗定位的鐵路智能運維新技術(shù)應(yīng)用與5G、云技術(shù)等新興技術(shù)互融互通，具有融合增強的效果，可提供更豐富的應(yīng)用場景。

3.1 云技術(shù)

云的本質(zhì)模式是將存儲、安全、運算、軟件資源最終虛擬為服務(wù)資源。云技術(shù)具有高可靠性、強數(shù)據(jù)處理、靈活可擴展以及高效利用在網(wǎng)設(shè)備等特點，可實現(xiàn)網(wǎng)隨云動的自動化部署［7］。云技術(shù)為基于大數(shù)據(jù)的鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺提供了可選的部署模式，形成的云中心平臺實現(xiàn)云服務(wù)的統(tǒng)一發(fā)放管理。與云技術(shù)的深度融合，有效支撐在智能鐵路建設(shè)過程中的新興技術(shù)落地應(yīng)用。

3.2 SDN、NFV

SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的核心思想是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由傳統(tǒng)模式解耦成為轉(zhuǎn)發(fā)、控制和應(yīng)用三層分離［8］。NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)的核心思想是利用虛擬化技術(shù)和通用硬件承載多功能的軟件處理。SDN及NFV技術(shù)應(yīng)用于鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺，使得軟硬件進一步解耦，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備簡化，網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)化，實現(xiàn)自動配置和靈活調(diào)度。

3.3 5G

5G作為智能化時代的移動通信基礎(chǔ)設(shè)施，未來在智能鐵路的應(yīng)用可期。5G具有更大帶寬、更高速率、更低時延等諸多特點，貼合未來智能運維對高清視頻監(jiān)控、空天地一體的網(wǎng)絡(luò)時延等新需求。北斗地基增強系統(tǒng)的建設(shè)可結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同步進行，以北斗加載于5G網(wǎng)絡(luò)，將精密定位、授時和時間同步功能賦予5G。5G接收精準(zhǔn)坐標(biāo)位置和精確時間同步的同時，也可以發(fā)出北斗信號。“5G+北斗”的基站構(gòu)成一張超高密度、超高精度的地基增強網(wǎng)，成為國家地基增強系統(tǒng)框架網(wǎng)的延伸和補充，精確感知時間空間信息，對于未來的“萬物互聯(lián)”非常重要［9］。

4 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國重要的戰(zhàn)略性技術(shù)，基于北斗的新技術(shù)應(yīng)用可以解決復(fù)雜地形條件的區(qū)域覆蓋問題，助力基礎(chǔ)設(shè)施的智能動態(tài)監(jiān)測，成為智慧鐵路的一個重要基礎(chǔ)組件［10］。綜合北斗定位、智慧運維、新興技術(shù)，可以按需提供差別化服務(wù)，提升鐵路資源的交通效能，為智慧鐵路提供更高效、更安全的支撐。