北斗系統在智慧城軌中的應用與展望

藺陸洲，李宇杰，鄧平科，李 俊，楊 軍，4

（1. 全圖通位置網絡有限公司，北京 100176；2. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；3. 中國科學院微電子研究所，北京 100029；4. 中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

1 引言

時間與空間是國家的重要戰略資源，時間與位置信息已成為以萬物互聯、人工智能和大數據應用為特征的智慧城軌建設的核心和基礎。

據統計，人們80%以上的時間在建筑物、移動載具、地下等非暴露空間中度過[1]。城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）作為非暴露空間的典型場景，是城市的動脈和最核心的公共區域，也是“新基建”的重點建設領域。長期以來，非暴露空間中的定位、導航、授時和通信一直是世界性的技術難題，也是制約智慧城軌發展的瓶頸。北斗衛星導航系統（以下簡稱“北斗系統”）作為提供時間和空間信息的全球系統，是由我國自主建設運行的重要空間基礎設施，目前已經完成系統建設，正在各行業開展應用推廣。通過應用北斗系統，建設以其為基礎的高精度定位網、高精度時間同步網、高通量通信網和空間數字化平臺，可以對智慧城軌的建設起到基礎性的支撐作用。由于北斗系統的應用具有基礎性、創新性、滲透性和帶動性，因此其可對城軌的發展形態、發展理念、發展模式和運營模式產生重大影響，從而促進“北斗+城軌”運營管理新模式的形成，滿足乘客、企業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、經濟高效、綠色節能的智慧城軌系統。

2 北斗系統的建設與發展

2.1 北斗系統的建設成就

衛星導航系統為用戶提供的時間與空間信息是所有信息系統運行的基礎。北斗系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，能夠為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。北斗系統按照“先區域、后全球，先有源、后無源”的建設思路，實施了“三步走”戰略：①2000年底，建成北斗一號系統，采用有源定位體制，向中國國內用戶提供定位、測速、授時、廣域差分和短報文通信服務；②2012年底，建成北斗二號系統，增加無源定位體制，向亞太地區用戶提供服務；③2020年，建成北斗三號系統，向全球提供基本導航、星基增強、短報文通信、國際搜救、精密定位五大服務。在系統建設過程中，衛星定軌組網、星載原子鐘、激光星間鏈路、新型信號體制等100余項關鍵技術陸續被突破[2]。北斗系統是我國迄今為止規模最大、覆蓋范圍最廣、服務性能要求最高、與百姓生活關聯最緊密的巨型復雜航天系統，也是我國第一個面向全球提供公共服務的重大空間基礎設施。它使國家掌握了自主可控的時間與空間基準，并極大地提升了國家的科技水平。

2.2 北斗系統的應用發展

目前，北斗系統在國防安全、交通運輸、海洋漁業、氣象水文、電力調度和救災減災等領域得到廣泛應用，產生了顯著的社會效益和經濟效益；尤其在交通運輸方面，已大量應用于車輛定位、運輸過程監控管理和基礎設施安全監控等領域。

在此基礎上，北斗系統應用還有進一步擴展的空間。例如，從應用的空間環境上看，在能夠直接接收衛星導航系統信號的室外暴露空間環境（以下簡稱“暴露空間”）中，用戶可以直接利用北斗系統提供的時空信息；然而，在不能接收衛星導航系統信號的非暴露空間環境（以下簡稱“非暴露空間”）中，如地鐵、地下停車場、商業綜合體中及高架橋下等區域，受到建筑物遮擋和多徑效應的影響，衛星定位精度急劇降低，無法滿足非暴露空間位置服務的需要。由于人們80%的時間處于建筑物、移動載具等非暴露空間中，因此，解決非暴露空間中的導航定位問題是北斗系統應用發展的重要方向。目前，國家正在建設以北斗系統為基礎的綜合定位、導航與授時（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，經過云平臺控制、多傳感器高度集成和多源數據融合，生成時空基準統一且具有抗干擾、防欺騙、穩健、可用、連續、可靠等優點的PNT服務信息[3]，實現對室內、水下、深空等領域的覆蓋。

2.3 北斗系統與智慧城軌的融合發展

近年來，隨著建設速度的加快及運營里程的持續增長，城軌面臨著網絡化運營、降本增效、快捷服務、低碳環保、可持續發展等一系列的挑戰，智慧城軌的概念由此產生。交通的實質就是提供位移，即根據需要通過運輸工具實現人員和物資的位置移動。作為一種公共交通系統，智慧城軌發展的核心目標是在保障安全的前提下實現最低成本、最大范圍覆蓋的位置移動，其手段是在信息技術的支持下實現城軌服務過程中所有環節的智能化，即“位移+”[4]，因此需要充分利用先進的信息通信、人工智能、物聯網、大數據、機器人等技術，以自主感知、自主學習、自主決策和自主控制為核心處理流程，在對設備設施進行優化管控的基礎上，為乘客提供高效精準、個性化的位移服務，從而建設更加安全、高效、舒適、綠色的新一代城軌系統[5]。時間和空間位置信息是實現智慧城軌系統自主運行、精準管理和全時程個性化服務的基礎，因此智慧城軌的建設需要與提供時空信息的北斗系統實現融合發展。

城軌的未來發展趨勢是以“位移+”的方式推動安全、便捷、經濟、高效、綠色的智能運輸[6]；而北斗系統的發展趨勢是以“+北斗”（即以北斗技術為賦能手段，以時空信息為應用方式，與其他產業原有技術、原有業務相結合或替代傳統應用方案）的方式賦能軌道交通行業，以促進其轉型升級。“位移+北斗”作為北斗系統與智慧城軌融合發展的核心理念，將進一步豐富城軌與北斗系統的技術應用與產業生態體系，促進兩者全面發展，從而推進國家戰略的實施（圖1）。

3 智慧城軌對北斗系統的需求

3.1 時空基準

智慧城軌作為典型的復雜信息物理系統，涉及列車自動控制（ATC）、自動售檢票（AFC）、供電系統管理自動化（SCADA）、環境監控（BAS）、火災報警（FAS）等種類繁多的信息系統。為實現其自主運行，必須集成這些復雜的信息系統，進行海量時間、空間信息的感知、處理、決策和控制[7]，因此更加需要建立統一的時空基準，以避免發生時空信息沖突的風險，危及城軌的安全運營。應用北斗系統，利用其提供定位導航服務的CGCS2000坐標系（我國目前最新的國家大地坐標系），城軌系統可以獲取統一的、自主可控的時空基準[8]。

此外，城軌所處的空間環境非常復雜，暴露空間和非暴露空間并存，單純依靠衛星導航系統不能滿足當前的應用需求。通過將北斗系統的絕對時空基準引入城軌非暴露空間內并進行動態維持，一方面可以實現非暴露空間相對位置與暴露空間絕對位置的統一，并以絕對坐標系的方式對城軌內非暴露空間的位置進行展示和應用；另一方面能夠統一時間，實現非暴露空間內的時間同步。

3.2 空間數字化

圖1 北斗系統與智慧地鐵的融合發展

由于城軌的空間環境復雜，因此掌握豐富、準確的地理信息是智慧城軌建設和運營的基礎?？臻g數字化，即構建數字化的地理信息空間數據框架（Digital?Geospatial?Data?Framework，DSDF），是測繪技術、地理信息技術及其他現代信息技術發展融合的產物。隨著技術手段的進步，測繪技術正在向信息采集、數據處理和成果應用的三維數字化、網絡化、實時化、可視化方向發展，出現了以三維實景建模為核心的空間數字化應用需求[9]。在智慧城軌建設中，需要基于北斗系統的時空基準，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據采集設備，對城軌地下和地上空間的機房、站廳、區間、車輛段、倉庫等場所，圍繞空間結構、設備設施、耗材物品等要素，進行三維激光點云數據的采集，并輔以現場攝影和紋理等數據信息，創建一套全要素的精細實景三維模型，以實現城軌的空間數字化。利用上述數據，相關工作人員可以生成高精度地圖，梳理空間資源，掌握城軌的空間結構及設施設備情況，為智慧城軌的規劃、建設、改造和維護提供精確、全面的地理信息，為空間的利用和精細化管理提供重要的基礎資料和技術支撐。空間數字化作為北斗技術在時空體系下的新場景應用，為智慧城軌的發展注入了新的活力。

3.3 高精度定位與授時

高精度的空間與時間信息是建設智慧城軌的基礎。交通數據是典型的時空數據，不僅具有時間維度屬性，還對空間結構有著較強的依賴性[10]。隨著不同軌道交通信息系統之間的融合發展，對定位精度和時間同步精度的要求不斷提高。而目前，北斗系統無法直接滿足智慧城軌對于高精度定位與授時的要求，其原因如下。

（1）接受衛星信號困難。城軌非暴露空間內，由于墻體（尤其是鋼筋混凝土）的遮蔽，衛星定位信號穿過建筑物后會明顯變弱，定位精度將大幅降低，甚至出現無法接收到信號的情況。

（2）多障礙物與多干擾源。城軌內存在立柱、電梯、扶梯、設備、屏蔽門、行人等各類障礙物，而且布局不同，加上行人和車輛時刻在移動，信號會被多次反射，這些眾多的不確定性干擾使得城軌環境異常復雜。在地鐵中，這種情況尤為突出，因為地鐵環境相對封閉，無線電信號、聲音、光線、溫度等復雜環境干擾都會對定位設備傳感器的精度造成不良影響。

（3）高程定位困難。在地鐵環境中，不僅要考慮二維平面的位置，對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[7]。

（4）應用終端研制困難。城軌需要小型化、個性化、組合化應用終端，并解決組件優化設計、材料優選、精密制造、組件深度集成、傳感器實時標校、傳感器輸出信息自適應融合等方面的問題[11]。

研究人員應從以上4個方面出發，進行有針對性的研究，解決上述問題，從而為智慧城軌的建設和運營提供高精度的空間與時間信息，保障其順利推進。

4 北斗系統在智慧城軌中的應用展望

4.1 時空體系網絡的建設

智慧城軌必須建設一套自主可控的時空體系網絡。針對北斗系統導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，應綜合應用“北斗+5G+空間數字化”技術，構建由高精度定位網、高精度時間同步網、高通量通信網和空間數字化平臺組成的“三網一平臺”時空體系網絡，形成城軌時空基準信息網絡，并將其作為智慧城軌建設和運營的基礎設施（圖2），為城軌提供統一、連續的空間與時間信息，以及定位、授時、通信服務，從而實現在非暴露空間中對北斗系統應用的補充、增強和備份，從而打破城軌暴露空間與非暴露空間之間的壁壘。

4.2 需突破的關鍵技術

建設智慧城軌時空體系網絡，需要重點突破室內外一體化高精度連續定位、基于通用網絡協議的大范圍高精度時頻傳遞、基于5G的高通量無線通信應用等關鍵技術。在定位方面，需要在統一的空間基準上，以超寬帶（Ultra?Wide?Band，UWB）定位技術為主導，以多種定位技術為補充和增強，通過導航定位軟件與算法的融合，實現在暴露空間和非暴露空間中的連續定位；通過國家投資建設的綜合PNT體系和小型化、個性化、組合化服務終端研制的微PNT體系，提供高精度的位置服務[12]。在時間方面，需要在統一的時間基準上，以IEEE?1588V2網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議（也稱為精確時間同步協議（PTP））為基礎，結合同步以太網（Synchronous?Ethernet，SyncE）技術和白兔（White?Rabbit，WR）時間同步方法，實現城際范圍內整個網絡節點的動態時間同步，以提供高精度的授時服務。在通信方面，需要開展城軌室內分布系統與面向地鐵業務的時間切片算法的開發，以實現高通量通信的應用。除此之外，隨著系統建設的開展，還必須突破北斗系統在智慧城軌中應用的一系列關鍵技術。

4.3 應用服務

應用是北斗系統與智慧城軌融合發展的出發點和落腳點。北斗系統將在智能運行、智能維修、智能客服等方面賦予城軌新的能力和手段，為城軌業務提供有效支撐，協助構建管理精細、運行高效、效益最大化的智慧城軌系統。

（1）在智能運行方面，通過北斗系統，可獲取站務、管理及施工人員的實時高精度位置信息，在此基礎上可通過構建電子圍欄、電子點名簽到、績效考核分析等方式，對城軌工作人員進行精準管理；列車定位是城軌列車安全和高效運行的保障，利用北斗系統可使列車定位精度更高，冗余更充分，自主化更強，集成更深，聯動更高效[13]。

（2）在智能維修方面，城軌的設施設備錯綜復雜、自動化程度高、資產規模龐大，其維保和管理直接關系到城軌運行的安全可靠程度[14]。通過北斗系統獲取設施設備的準確位置，可在資產管理系統中實現對資產設備基于精準位置的自動盤點，打造狀態監測、故障診斷、風險預警、維修評價和資產管理的閉環鏈條。

（3）在智能客服方面，利用北斗系統，乘客可對城軌站內外的自助售票機、自助售貨機、洗手間等服務設施進行快速查找和路徑規劃；還可以基于多維、多層次的數字地圖，實現自助導航、智能移動終端與機器人引導服務等功能[15]，從而能夠以乘客出行需求為核心，為乘客提供全時程、個性化的出行服務。

圖2 智慧城軌時空體系網絡的建設

5 結語

時間與空間信息已經成為現代生產與生活中的基礎信息。衛星導航定位系統的發展徹底改變了人們的生活方式，也改變了社會和企業的管理模式。隨著北斗系統的建成與應用推廣，我國智慧城軌的建設與發展對時空基準、空間數字化、高精度定位與授時提出了更高的要求。未來，北斗系統與智慧城軌具有廣闊的融合空間和潛力，其核心是根據城軌應用場景定義其PNT體系，突破關鍵技術，建設“三網一平臺”時空體系網絡。北斗系統的應用推廣將為城軌的智慧化轉型創造最優的基礎條件。