北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路工務(wù)工程中的應(yīng)用探討

姜文超，馮仲偉，朱宏偉

(高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路工務(wù)工程中的應(yīng)用探討

姜文超，馮仲偉，朱宏偉

(高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、特點和技術(shù)優(yōu)勢，并從路基自動化沉降監(jiān)測、橋梁撓度監(jiān)測、鐵路施工現(xiàn)場人機定位與管理等6個方面探討了該系統(tǒng)在鐵路工務(wù)工程領(lǐng)域可能的應(yīng)用，闡述了各種應(yīng)用具體的工作原理、技術(shù)方案和可行性。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 鐵路 工務(wù)工程 應(yīng)用

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具備短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r能力，定位精度優(yōu)于20 m，授時精度優(yōu)于100 ns。目前，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)成功發(fā)射4顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星和16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，將在系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗基礎(chǔ)上，逐步擴展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有7項技術(shù)優(yōu)勢:①導(dǎo)航定位與通信集成，定位和授時精度高，且系統(tǒng)具備雙向報文通信功能;②覆蓋的范圍廣，全面覆蓋了我國國土及周邊區(qū)域;③特別適合集團用戶大范圍、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸應(yīng)用;④融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強系統(tǒng)兩大核心資源;⑤采用混合星座定位模式;⑥兼容美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟的Galileo，兼容性更強;⑦自行研制，自主控制，安全保密。

2 BDS在鐵路工務(wù)工程領(lǐng)域的應(yīng)用展望

目前，我國鐵路在列車定位、鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害及基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測、工程施工等領(lǐng)域，涉及衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)品一般都采用價格低廉的GPS。由于GPS系統(tǒng)的所有權(quán)、控制權(quán)、運營權(quán)都屬于美國國防部，且一直存在人為干擾等問題，故鐵路系統(tǒng)正探討應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從而全面提升鐵路系統(tǒng)的安全性和可靠性。

隨著我國高速、重載鐵路的快速發(fā)展，開展基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用，為鐵路行業(yè)提供全面的技術(shù)支撐和配套解決方案已具備基本條件。根據(jù)調(diào)研和分析，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用案例，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路工務(wù)工程領(lǐng)域的應(yīng)用可分為2類。

2.1 基于BDS的高精度變形監(jiān)測技術(shù)

通過接收來自北斗衛(wèi)星的信號和基準(zhǔn)站的信息，并對接收到的數(shù)據(jù)進行實時差分處理，可計算出待監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)實時厘米級、甚至毫米級精度的動態(tài)測量和實時高精度連續(xù)靜態(tài)測量。利用BDS進行變形監(jiān)測具有顯著的優(yōu)勢:①可實現(xiàn)全天候、全天時的三維高精度測量;②量程大，滿足鐵路行業(yè)的需求;③基準(zhǔn)站和待監(jiān)測點的距離幾乎不受限制;④延時短、實時性強，且各監(jiān)測點可實現(xiàn)同步測量，從而實現(xiàn)高度自動化的無人值守監(jiān)控。

2.1.1 路基沉降自動化監(jiān)測

路基沉降監(jiān)測的內(nèi)容包括路基表面、本體及基底沉降監(jiān)測，深厚層地基分層沉降監(jiān)測，軟土地基水平位移監(jiān)測和復(fù)合地基加筋的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測等。其中，路基表面沉降主要通過埋設(shè)沉降觀測樁來監(jiān)測。應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)來分層監(jiān)測含水系統(tǒng)各主要層位的沉降量和孔隙水壓力的變化量時，沉降監(jiān)測剖面的設(shè)置、觀測內(nèi)容以及元件的布設(shè)應(yīng)根據(jù)地基條件、結(jié)構(gòu)部位等具體情況，結(jié)合沉降預(yù)測方法和工期的要求綜合確定。

2.1.2 邊坡滑坡自動化監(jiān)測

同路基沉降自動化監(jiān)測類似，邊坡滑坡自動化監(jiān)

測也是依托北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行毫米級實時動態(tài)測量并快速作出山體崩塌、滑坡等災(zāi)害的預(yù)警(圖1)。同時，邊坡滑坡自動化監(jiān)測可以與傳統(tǒng)的通過陣列式位移傳感器或光纖光柵傳感器進行監(jiān)測的方式相配合，對邊坡巖土體內(nèi)部的沉降、傾斜、錯動、土壤濕度、孔隙水壓力變化等進行連續(xù)監(jiān)測，捕捉邊坡性狀變化的特征信息，通過有線或無線方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)回數(shù)據(jù)中心。結(jié)合地表監(jiān)測的雨量、位移等信息，經(jīng)專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件測算，對邊坡的整體穩(wěn)定性作出判斷，從而準(zhǔn)確地監(jiān)測災(zāi)情，以保證線路安全并為整治工程設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

圖1 滑坡監(jiān)測示意

2.1.3 路基凍脹變形自動化監(jiān)測

在寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，季節(jié)性凍土在氣溫低于0℃時體積會發(fā)生膨脹，造成冬季路基面抬升，引起鐵路軌道不平順。這種現(xiàn)象對高速鐵路影響尤為嚴(yán)重，因此嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹設(shè)計尤為重要。

路基凍脹變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一種綜合性的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。其應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)對嚴(yán)寒地區(qū)季節(jié)性凍土的溫度、水分和路基面抬升進行連續(xù)分層監(jiān)測，及時捕捉路基性狀變化的特征信息，通過有線或無線方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)送到監(jiān)測中心，快速作出軌道不平順的預(yù)警，且為防凍脹工程設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

2.1.4 橋梁撓度監(jiān)測

橋梁幾何線形監(jiān)測主要指結(jié)構(gòu)靜態(tài)的變形、變位等，包括主梁線形(撓度和轉(zhuǎn)角)、拱軸線形、索塔軸線、墩臺變位(傾斜、沉降)等。混凝土徐變、溫度變化等都會引起橋梁各部分軸線位置的變化，如果對設(shè)計位置的偏離超過規(guī)定值，橋梁的內(nèi)力分布甚至行車性能就會受到影響。因此，梁軸線、拱軸線或斜拉橋和懸索橋的主梁、索塔的軸線位置是衡量橋梁是否處于健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的橋梁擾度監(jiān)測系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、監(jiān)測站和監(jiān)控中心三部分組成。各部分之間通過通信網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在需要進行監(jiān)測的鐵路沿線布設(shè)北斗衛(wèi)星接收設(shè)備，并在不容易發(fā)生沉降或變形的區(qū)域建立基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站安置一臺高精度接收機，對測區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并通過光纖網(wǎng)絡(luò)實時將觀測數(shù)據(jù)和站坐標(biāo)信息廣播給監(jiān)測站。監(jiān)測站通過接收機接收衛(wèi)星定位信號，同時通過光纖網(wǎng)絡(luò)通信鏈路接收基準(zhǔn)站傳送的觀測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位原理，實時地處理數(shù)據(jù)，并實時地以厘米級的精度給出測站的三維坐標(biāo)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心服務(wù)器，監(jiān)測中心進行實時解算。網(wǎng)絡(luò)中斷時可利用北斗短報文作應(yīng)急處理。橋梁撓度監(jiān)測如圖2所示。

圖2 橋梁撓度監(jiān)測示意

2.2 基于BDS的高精度定位技術(shù)

通過北斗定位系統(tǒng)可以采集工程測量、監(jiān)測、檢測等項目需要用到的位置坐標(biāo)，替代傳統(tǒng)的人工采集，從而大大提高測量精度及準(zhǔn)確性。結(jié)合通信技術(shù)，可以將這些信息實時上傳到網(wǎng)絡(luò)管理平臺，實現(xiàn)對鐵路工程勘察、施工、運營關(guān)鍵環(huán)節(jié)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，推動我國鐵路信息化進程。

2.2.1 現(xiàn)場人機管理

現(xiàn)場人機管理是指通過北斗定位系統(tǒng)獲取現(xiàn)場作業(yè)車輛、人員的位置信息，并記錄車輛、人員的移動軌跡來監(jiān)控作業(yè)過程。

由于列車速度高，行車密度大，維修施工現(xiàn)場無計劃超范圍施工、天窗點外違規(guī)上線作業(yè)、安全防護不到位等問題容易引發(fā)安全事故。施工安全問題一直困擾著鐵路運輸安全。如果能對現(xiàn)場作業(yè)進行有效控制，及時制止慣性違章，采取相應(yīng)機控預(yù)警及控制手段，就可堵住事故源頭。

目前國內(nèi)外已經(jīng)開始開發(fā)施工安全管理系統(tǒng)。日本的維修施工作業(yè)管理子系統(tǒng)可以編制、協(xié)調(diào)、批準(zhǔn)、下達(dá)施工作業(yè)計劃，確認(rèn)作業(yè)開始和結(jié)束時間，辦理施工作業(yè)車輛的進路。由于一些技術(shù)上的原因，目前國內(nèi)鐵路施工安全管理系統(tǒng)功能較為單一，只是側(cè)重施工計劃管理和數(shù)據(jù)分析，而不注重施工安全整體流程的監(jiān)控與管理。

通過應(yīng)用北斗定位系統(tǒng)、手持終端、鐵路GIS地圖

來實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)車輛和人員的全過程位置監(jiān)控，輔以計劃管理、安全門監(jiān)控等手段，可實現(xiàn)對施工安全的全流程監(jiān)控與管理。目前研發(fā)工作的重點是基于BDS的現(xiàn)場作業(yè)人員隨身攜帶的高精度定位裝置，需具備亞米級精度，且能識別股道，并與機車的定位裝置相對照，實現(xiàn)當(dāng)機車接近時能及時向相關(guān)人員預(yù)警，以機控冗余的方式增強現(xiàn)場作業(yè)人員的安全。

2.2.2 路基連續(xù)壓實檢測

目前我國鐵路路基常用的壓實質(zhì)量檢測技術(shù)一般采用單點事后檢測方式，如檢測地基系數(shù) K30、動態(tài)變形模量Evd等。這種抽樣檢測的方式不能全面反映路基的整體壓實狀況，當(dāng)出現(xiàn)不合格情況時難以界定需要處理的區(qū)域，且檢測數(shù)據(jù)受人為因素影響較大。自20世紀(jì)80年代以來，國外涌現(xiàn)的連續(xù)壓實監(jiān)測技術(shù)(圖3)提供了路基全面質(zhì)量檢測的新思路。其基本原理是:①利用振動碾上的壓實傳感器自動記錄碾壓區(qū)域的壓實信息;②利用傳感器實時獲得壓實測點的精確位置和檢測時間(利用BDS系統(tǒng));③利用無線通信設(shè)備實時向數(shù)據(jù)處理中心傳送壓實檢測信息;④安裝在駕駛室的顯示器實時為駕駛員展示路基填筑的設(shè)計信息和壓實信息。

連續(xù)壓實檢測設(shè)備可以隨壓路機碾壓作業(yè)同步完成質(zhì)量檢測，通過監(jiān)測壓路機的振動信號，計算得到路基的壓實狀況。該方法對施工干擾較少，而且可以做到過程控制，能及時根據(jù)檢測結(jié)果對施工進程進行調(diào)整，是信息化施工的有力支持。

圖3 路基連續(xù)壓實監(jiān)測示意

3 結(jié)語

我國鐵路運營總里程不斷增加，列車運行速度不斷提高，但地質(zhì)地形極為復(fù)雜，養(yǎng)護維修作業(yè)任務(wù)繁重。在鐵路工務(wù)工程領(lǐng)域引入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，實時監(jiān)測線路、橋梁、邊坡等的變化情況，及時跟蹤作業(yè)人員和作業(yè)車輛的運行軌跡，對保證鐵路安全運營具有實際意義。

［1］趙康寧，趙勇.面向信息融合的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用發(fā)展［J］.中國鐵路，2013(4):1-3.

［2］于天澤.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在我國鐵路應(yīng)用探討［J］.中國鐵路，2013(4):4-7.

［3］陳國鋒.北斗衛(wèi)星高精度地面增強技術(shù)的鐵路應(yīng)用探討［J］.中國鐵路，2013(4):22-25.

［4］蘇蕊，劉曉娟.“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用［J］.鐵路通信信號工程技術(shù)，2011(12):28-30.

(責(zé)任審編 葛全紅)

U2

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.36

2015-04-19;

:2015-05-26

姜文超(1983— )，男，山東淄博人，碩士研究生。

1003-1995(2015)09-0128-03