劉小兵,周鈺凱,王劍
( 1. 國能鐵路裝備公司陜西分公司, 陜西 神木 719316;2. 北京交通大學電子信息工程學院, 北京 100044 )
隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的不斷完善,該系統(tǒng)在運輸領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著的成果,為運輸企業(yè)提供全方位的支持和服務(wù)[1-2]. 在北斗應(yīng)用相關(guān)政策的積極推動下,BDS應(yīng)用將進一步促進運輸行業(yè)發(fā)展,同時也將帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益. 在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面,隨著BDS服務(wù)能力的提升,衛(wèi)星導航應(yīng)用向BDS應(yīng)用過渡的問題亟待解決[3],促進國產(chǎn)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品的使用水平,并逐步過渡到以BDS應(yīng)用為主、兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務(wù)體制上來. 在鐵路運輸業(yè)務(wù)領(lǐng)域中,于進江等[4]利用北斗高精度定位的原理對邊坡位移數(shù)據(jù)進行高精度監(jiān)測,實現(xiàn)了實時傳輸和及時預(yù)警,同時利用北斗區(qū)域增強系統(tǒng)提高了設(shè)備利用率;彭其淵等[5]利用北斗技術(shù)對集裝箱進行實時定位追蹤,提高鐵路集裝箱運輸作業(yè)效率和信息化管理水平. 在港口業(yè)務(wù)領(lǐng)域中,王立端等[6]對BDS在不同場景中的性能指標要求進行分級,并在上海港實際作業(yè)中驗證了BDS對實時動態(tài)(real-time kinematic, RTK)定向解算固定率提升約13%;牛帥等[7]利用北斗定位技術(shù)實現(xiàn)了港口安全預(yù)警檢測設(shè)備的統(tǒng)一管控. 在航運業(yè)務(wù)領(lǐng)域中,史向陽[8]利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對數(shù)據(jù)進行壓縮并分包發(fā)送,結(jié)合北斗短報文的多媒體數(shù)據(jù)壓縮要求,設(shè)計出基于北斗短報文的海上多媒體數(shù)據(jù)傳輸方案. 總體而言,目前基于BDS的研究和應(yīng)用內(nèi)容較為分散,阻礙了BDS和運輸領(lǐng)域的高度融合,制約了BDS在運輸產(chǎn)業(yè)智能化中的規(guī)?;腕w系化應(yīng)用. 通過在國能集團建設(shè)示范應(yīng)用的方式實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)和社會示范效應(yīng),向相關(guān)產(chǎn)業(yè)輻射推廣,形成北斗產(chǎn)業(yè)鏈,可以促進整個BDS應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的規(guī)?;l(fā)展.
針對上述應(yīng)用需求和研究內(nèi)容,結(jié)合狀態(tài)信息獲取與監(jiān)測技術(shù)、多模通信技術(shù)、多系統(tǒng)時間校準與同步等技術(shù),開展北斗應(yīng)用數(shù)據(jù)中心接口、國能集團北斗衛(wèi)星運維監(jiān)測服務(wù)平臺等技術(shù)方案設(shè)計. 設(shè)計北斗衛(wèi)星運維監(jiān)測服務(wù)平臺,在系統(tǒng)框架、功能設(shè)計、運營體系等方面考慮平臺的長遠運營能力和服務(wù)能力,按照統(tǒng)籌規(guī)劃、總體設(shè)計、分期實施的原則,滿足國家能源集團(以下簡稱“國能集團”)整體綜合性位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求,對不同的專業(yè)應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用推廣等方面按照分步、分類進行實施和推進.
本方案主要從總體架構(gòu)、系統(tǒng)組成、平臺設(shè)計三個部分進行展開. 總體架構(gòu)部分詳細介紹了基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺服務(wù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層四個層面的設(shè)計方案;系統(tǒng)組成部分詳細描述了地基增強系統(tǒng)、隧道增強系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的內(nèi)容和應(yīng)用示例;平臺建設(shè)部分分別從基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備架構(gòu)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺架構(gòu)、業(yè)務(wù)應(yīng)用體系架構(gòu)來提出國能集團北斗衛(wèi)星運維檢測服務(wù)平臺建設(shè)方案.
北斗衛(wèi)星運維監(jiān)測服務(wù)平臺是國能集團運維監(jiān)測領(lǐng)域的重要組成部分,旨在形成集團運輸領(lǐng)域BDS建設(shè)的各類規(guī)范和標準系統(tǒng),并通過整合各子分公司北斗增強系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施,實現(xiàn)跨專業(yè)、跨單位、跨層級之間的業(yè)務(wù)協(xié)同和信息互通,推動構(gòu)建高效便捷暢達的全產(chǎn)業(yè)一體化“平臺+應(yīng)用”管理體系.國能集團北斗衛(wèi)星運維監(jiān)測服務(wù)平臺的總體架構(gòu)如圖1所示,主要建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺服務(wù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層等四個層面的建設(shè)工作,同時需要建設(shè)和完善綜合服務(wù)平臺的標準體系、安全和運維體系.
圖1 北斗衛(wèi)星運維監(jiān)測服務(wù)平臺總體架構(gòu)
1) 基礎(chǔ)設(shè)施層:主要包括數(shù)據(jù)采集和傳輸兩部分.
數(shù)據(jù)采集:支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo的衛(wèi)星導航信息采集,通過布設(shè)北斗地基增強網(wǎng),使導航定位精度進一步提升[9]. 同時建立高精度鐵路電子地圖[10],通過多源信息融合實現(xiàn)對信息的高效應(yīng)用.
數(shù)據(jù)傳輸:通過衛(wèi)星通信、光纖通信、專網(wǎng)GSM-R/LTE-R、公網(wǎng)3G/4G這四種主要的通信方式構(gòu)建出數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò). 基準站到北斗服務(wù)分中心的則采用千兆專用光纖通道傳輸網(wǎng)絡(luò),后者可基于專網(wǎng)移動通信(如鐵路LTE-R)、公網(wǎng)移動通信經(jīng)由安全設(shè)備接入,由各子分公司自行建設(shè).
2) 數(shù)據(jù)資源層:基礎(chǔ)設(shè)施層采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸后進入數(shù)據(jù)資源層中相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中.
原始數(shù)據(jù):包括地基增強數(shù)據(jù)、完好性監(jiān)測數(shù)據(jù)、高分全色影像、多普勒雷達影像.
基礎(chǔ)數(shù)據(jù):包括基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)線路圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)攝影數(shù)據(jù).
專題數(shù)據(jù):包括建筑信息模型(building information modeling, BIM)模型數(shù)據(jù)、工程測繪數(shù)據(jù)、工程定位數(shù)據(jù)等.
管理數(shù)據(jù):包括北斗終端數(shù)據(jù)、平臺用戶數(shù)據(jù)、平臺訪問數(shù)據(jù)、平臺管理數(shù)據(jù).
3) 平臺服務(wù)層:數(shù)據(jù)資源層的數(shù)據(jù)庫通過平臺服務(wù)層中的多元數(shù)據(jù)庫管理,再通過云計算挖掘系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)與服務(wù)管理中心來實現(xiàn)對于位置、通信和授時的各項服務(wù).
位置服務(wù):完成實時定位和事后定位,同時完成定位后的數(shù)據(jù)下載.
通信服務(wù):用于完成通信的建立、信息交互與數(shù)據(jù)下載.
授時服務(wù):用于完成時間同步和校正,以及對應(yīng)數(shù)據(jù)的下載.
4)業(yè)務(wù)應(yīng)用層:平臺服務(wù)層中的數(shù)據(jù)通過各類通信協(xié)議傳輸?shù)綄?yīng)的應(yīng)用與業(yè)務(wù)中,通過對不同數(shù)據(jù)的組合處理來實現(xiàn)物流檢測、車輛調(diào)度、施工防護、災(zāi)害監(jiān)測、物流監(jiān)測、基礎(chǔ)設(shè)施形變檢測[11]、線路平縱斷面檢測等不同功能.
國能集團北斗衛(wèi)星運維監(jiān)測服務(wù)平臺主要由地基增強系統(tǒng)、終端設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)四大部分組成,如圖2所示.
圖2 北斗衛(wèi)星運維監(jiān)測服務(wù)平臺系統(tǒng)組成
地基增強系統(tǒng)北斗基準站接收BDS、GPS、GLONASS的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)等,由通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng),經(jīng)過處理后生成高精度定位觀測數(shù)據(jù),利用衛(wèi)星廣播、數(shù)字廣播、移動通信等手段播發(fā)至BDS/GNSS增強用戶終端,并最終將定位終端的定位結(jié)果數(shù)據(jù)上報到數(shù)據(jù)服務(wù)平臺進行持久化存儲,以供數(shù)據(jù)挖掘和其他應(yīng)用使用. 建設(shè)北斗地基增強網(wǎng)絡(luò),輔助實現(xiàn)高精度定位. 強化系統(tǒng)的集成與數(shù)據(jù)共享能力,提升了公共服務(wù)的水平和能力,滿足了大規(guī)模實時位置服務(wù)的需求.
隧道增強系統(tǒng)[12]主要用于在無衛(wèi)星導航信號覆蓋的隧道或無線高精定位信號差的站場進行定位信號補強,隧道增強系統(tǒng)中的基準單元接入衛(wèi)星定位系統(tǒng),并通過中繼單元將定位信號進行延展與增強,接入的終端最終通過網(wǎng)管系統(tǒng)將自身數(shù)據(jù)上報到數(shù)據(jù)綜合處理平臺.
數(shù)據(jù)服務(wù)平臺負責將包括定位數(shù)據(jù)在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)源抽取到臨時中間層后進行清洗、轉(zhuǎn)換、集成,最后加載到數(shù)據(jù)倉庫或數(shù)據(jù)集市中,成為聯(lián)機分析處理、數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ),并為最終的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供支撐和保障. 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)主要對應(yīng)于鐵路運輸、港口航運、三項業(yè)務(wù).
1) 鐵路運輸業(yè)務(wù):主要實現(xiàn)邊坡動態(tài)檢測、列車運行預(yù)報、作業(yè)車防溜防撞、貨場安全智能管理、現(xiàn)場作業(yè)安全盯控等業(yè)務(wù). 北京某山區(qū)既有客貨鐵路線基于北斗技術(shù)設(shè)計出鐵路邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng),通過在監(jiān)測敏感點增設(shè)北斗監(jiān)測站,對監(jiān)測點位置進行實時動態(tài)解算,并在平臺上實時發(fā)布監(jiān)測變化曲線,在通信質(zhì)量不佳的情況下利用北斗短報文進行通信,實現(xiàn)了對邊坡形變狀態(tài)的實時監(jiān)測,為鐵路的實際運營安全提供切實保障;國能集團包神鐵路基于北斗地基增強高精度定位技術(shù)設(shè)計出智能化安全防護設(shè)備,通過國家北斗地基增強系統(tǒng)提供的加速定位服務(wù),縮短了現(xiàn)場高精度固定解的解算時間,有效地增強鐵路施工作業(yè)安全性和可控性,為鐵路運輸安全有序運營提供支撐.
2) 港口業(yè)務(wù):主要實現(xiàn)自動化裝船輔助控制、航道安全通行管理、堆場監(jiān)測系統(tǒng)、船舶到港預(yù)測、碼頭裝卸防碰撞等業(yè)務(wù). 廈門大小嶝造地工程利用北斗短報文通信與高精度導航系統(tǒng),建立了船舶智能位置管理平臺,對船舶進行遠程實時監(jiān)控管理;廣州港南沙四期全自動化碼頭基于BDS實現(xiàn)了智慧型引導運輸車(intelligent guided vehicle, IGV)在水平自動化運輸?shù)膽?yīng)用,通過高精度的北斗衛(wèi)星定位結(jié)果與其他傳感器相結(jié)合實現(xiàn)對IGV運行的精準控制,有效地消除了傳統(tǒng)集卡運輸模式存在的安全風險,提高作業(yè)效率.
3) 航運業(yè)務(wù):船隊航線檢測、北斗短報文指揮調(diào)度、海上電子圍欄、偏航預(yù)警、航線主動避讓等業(yè)務(wù).國能集團航運有限公司開展“基于北斗的大型船隊調(diào)度與安全監(jiān)控系統(tǒng)”的研究,進行北斗船載監(jiān)控終端和岸基指揮型接收機的研制,開展北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸技術(shù)研究,解決了北斗通信傳輸數(shù)據(jù)量小、可靠性不高等問題,研制出北斗船舶航運監(jiān)控系統(tǒng)彌補了我國航運船隊監(jiān)控管理手段的不足[13].
北斗基礎(chǔ)設(shè)施屬于新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范疇,包括北斗服務(wù)中心(數(shù)據(jù)中心)與現(xiàn)場邊緣實施設(shè)備,以及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等. 其中,服務(wù)中心分層建設(shè),路港航各子分公司自行建設(shè)北斗服務(wù)分中心,國能集團設(shè)立數(shù)據(jù)匯集的集團級服務(wù)中心.
1) 邊緣基礎(chǔ)設(shè)施
本文提出的設(shè)計方案中,將北斗地基增強網(wǎng)、隧道增強網(wǎng)和定位相關(guān)接入終端設(shè)備都列為邊緣基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備.
北斗地基增強網(wǎng)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重心,應(yīng)按照相關(guān)標準制定國能集團差分站建設(shè)規(guī)范[14-15],由各子分公司自行建設(shè). 系統(tǒng)由地面北斗基準站、控制中心系統(tǒng)、用戶服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成,提供實時分米級、厘米級,后處理毫米級高精度定位的基本服務(wù)能力.
隧道增強網(wǎng)是北斗地基增強網(wǎng)的補充,通常在無衛(wèi)星信號覆蓋的隧道或需要無線高精度定位補強的站場進行定位基站的架設(shè),由各子分公司自行建設(shè).從實現(xiàn)技術(shù)區(qū)分,通常有基于超寬帶無線通信技術(shù)(ultra wideband,UWB)的無線定位方式[16]和基于光纖轉(zhuǎn)發(fā)信號的室內(nèi)定位方式[17]、基于衛(wèi)星導航信號實時再生的室內(nèi)定位方式等,可根據(jù)實際擬定行業(yè)或企業(yè)標準進行建設(shè). 無論采用何種方式,隧道增強網(wǎng)都應(yīng)與北斗定位、慣性導航等技術(shù)融合,時間基準、坐標基準與北斗地基增強網(wǎng)一致.
接入終端是指具備高精度定位模塊的、可接入北斗地基增強網(wǎng)或隧道增強網(wǎng)的終端設(shè)備,包括手持終端、車載終端、機載終端、船載終端、監(jiān)測終端(含固定安裝設(shè)備、無人機等)、穿戴設(shè)備等.
2) 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是指與北斗接入或播發(fā)數(shù)據(jù)相關(guān)的傳輸通道,主要包括基準站到北斗服務(wù)分中心的傳輸網(wǎng)絡(luò)、接入終端到北斗服務(wù)分中心的通信網(wǎng)絡(luò),前者最好采用千兆專用光纖通道,后者可基于專網(wǎng)移動通信(如鐵路LTE-R)、公網(wǎng)移動通信經(jīng)由安全設(shè)備接入,由各子分公司自行建設(shè).
3) 北斗服務(wù)中心
北斗服務(wù)中心分為子分公司服務(wù)分中心和集團服務(wù)中心兩級.
子分公司北斗服務(wù)分中心,通常隨北斗地基增強網(wǎng)同步建設(shè),可在子分公司私有云上部署,也可配置服務(wù)器雙機部署.
集團北斗服務(wù)中心,采用超融合架構(gòu)建立私有云虛擬化環(huán)境,使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備靈活的擴展性和動態(tài)管理能力. 云計算可基于主流的OpenStack標準框架,數(shù)據(jù)湖以大規(guī)模并行處理(massively parallel processor,MPP)數(shù)據(jù)庫為核心建立數(shù)據(jù)庫集群,提供彈性的VCD服務(wù)、計算服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、存儲服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)等.
國能集團北斗服務(wù)中心基于基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(infrastructure as a service, IaaS)形成平臺即服務(wù)(platform as a service, PaaS),是整個平臺建設(shè)的核心,從功能構(gòu)成上可分為數(shù)據(jù)治理服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)、數(shù)據(jù)共享服務(wù)和監(jiān)控運維服務(wù)四大部分.
1) 面向標準化的數(shù)據(jù)治理
提供數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)計算等能力,根據(jù)數(shù)據(jù)源狀況和數(shù)據(jù)類型實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理與非實時處理,支持統(tǒng)一調(diào)度分布式處理,并按照國能集團數(shù)據(jù)標準開展數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)對齊、數(shù)據(jù)脫敏等加工.
2) 面向湖倉一體化的數(shù)據(jù)存儲
與國能集團數(shù)據(jù)湖對接,構(gòu)建北斗主題的湖倉一體化數(shù)據(jù)資源池,包括BDS數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)以及北斗相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、主題數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)實現(xiàn)從操作型數(shù)據(jù)存儲(operation data store,ODS)、數(shù)據(jù)明細層(data warehouse detail, DWD)、數(shù)據(jù)中間層(data warehouse middle, DWM)到數(shù)據(jù)服務(wù)層(data warehouse servce, DWS)的海量數(shù)據(jù)分層分區(qū)存儲.
3) 面向智能化的數(shù)據(jù)共享
基于數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)資源,利用先進平臺服務(wù)組件,形成服務(wù)資源管理、數(shù)據(jù)開放管理、數(shù)據(jù)流程管理等能力,向外提供API、SQL、時鐘、文件、消息(短報文)等標準化接口,主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)自助式訂閱共享智能服務(wù)功能.
4) 面向可視化的監(jiān)控運維
利用統(tǒng)一運維管理平臺,在云服務(wù)、云管理之外提供可視化的系統(tǒng)管理服務(wù)和系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)[18],主要包括多租戶管理、任務(wù)管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)地圖以及數(shù)據(jù)監(jiān)控日志、運行監(jiān)控日志等功能.
路港航子分公司級北斗服務(wù)分中心建設(shè)遵循相關(guān)要求自行開展,主要包括位置解算、地圖管理、基準站管理等服務(wù).
應(yīng)用架構(gòu)分層:國能集團應(yīng)用+路港航子分公司應(yīng)用,如圖3所示. 國能集團應(yīng)用主要是基于一張圖,可整體或按路港航板塊或按子分公司分類分級查看北斗基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況、車船設(shè)備位置軌跡信息、作業(yè)人員位置軌跡信息、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測信息等.
圖3 應(yīng)用架構(gòu)分層
子分公司級應(yīng)用:
路:北斗定位、導航、通信、監(jiān)測、遙測功能在設(shè)備管理、生產(chǎn)作業(yè)、安全管控、環(huán)境感知、應(yīng)急指揮、智能調(diào)車、智能駕駛等方面的應(yīng)用;
港:在作業(yè)過程控制、作業(yè)風險防范、生產(chǎn)調(diào)度指揮、融合智能通信等方面的應(yīng)用;
航:在狀態(tài)監(jiān)控、航標管理、航線跟蹤、應(yīng)急通信、安全管理、調(diào)度管理等方面的應(yīng)用.
本文針對運輸行業(yè)對于北斗應(yīng)用的具體需求,提出一個基于BDS的應(yīng)用設(shè)計方案,并從總體架構(gòu)、系統(tǒng)組成、平臺建設(shè)三方面進行了具體描述,旨在設(shè)計一個通用的方案,為運輸領(lǐng)域智慧化應(yīng)用以及BDS規(guī)?;峁┙鉀Q思路. 本方案實現(xiàn)了跨專業(yè)、跨單位、跨層級之間的業(yè)務(wù)協(xié)同和信息互通,避免了標準不統(tǒng)一、信息不互通、數(shù)據(jù)不共享造成難以統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一使用的問題,減少了重復建設(shè)與資源浪費,實現(xiàn)智能化降本增效. 構(gòu)建出高效便捷暢達的全產(chǎn)業(yè)一體化“平臺+應(yīng)用”管理體系,利用天地互聯(lián)、統(tǒng)一基準進行時空融合,利用協(xié)同傳輸、數(shù)據(jù)挖掘、智能處理實現(xiàn)按需服務(wù)和智能化集成應(yīng)用,為開展運輸產(chǎn)業(yè)不同應(yīng)用場景的北斗服務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障. 為BDS應(yīng)用單位提供高效、方便、快捷的信息服務(wù)渠道,引領(lǐng)、集聚、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展. 未來,我們可以期待更加智能化的運輸管理系統(tǒng),通過BDS與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的深度融合,實現(xiàn)更高效、智能化的運輸過程.