基于北斗定位的鐵路智能運維新技術應用研究

鄧燁飛

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

近年來，我國鐵路進入了高速發展時期，形成了安全高效、便捷經濟的鐵路運輸網絡，以適應經濟快速發展的需要。鐵路的智能化、信息化也為安全運營維護帶來了新的挑戰［2］。面向智能鐵路時代，運輸調度的精準化、運營維護的精細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，實現安全、快速、精準的智能運維。

1 需求分析

鐵路的智能運維以鐵路人員、裝備、設施為基礎，以通信平臺為支撐，通過與衛星定位、計算機網絡、數字通信等技術多方位結合，實現全面感知、科學決策［3］。智能運維對于北斗定位的需求已從事后走向實時、從靜態走向動態、從粗略走向精準，突顯在功能需求和應用需求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。鐵路各應用場景中對定位精度需求有所不同。基于北斗來滿足不同等級的精準定位需求，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。列車調度管理的定位精度為亞米級，實現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前位置（站內或運輸途中），實現重要運輸物資／車輛的定位跟蹤。

2）運營管理。鐵路關鍵基礎設施監測的定位精度為毫米級，對橋梁、隧道、鋼軌、路基、輸電線路、鐵塔等鐵路基礎設施進行形變、位移監測［4］，實現狀態修、預測修；人員定位精度為米級，對現場作業人員跟蹤定位，實現安全卡控。

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

“一維性”的鐵路運輸網覆蓋我國廣袤地域，列車運行環境多樣復雜，存在各種隧道、峽谷等衛星信號衰弱環境，成為智能運維的監測盲區。弱衛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 應用需求

北斗定位與智能運維融合，形成新的系統架構。其應用需求與多種因素息息相關，在應用過程中需要充分考慮系統架構的標準化、安全性、智能化。這些因素決定了應用范圍和應用成果的優劣。

1）建立標準體系。需要建立全面性、動態性的鐵路行業標準體系，使基于北斗應用的智能運維系統化、規范化。相關的技術要求或指標銜接一致，提高系統互通性和可操作性。標準體系的建立有利于總結既有的應用經驗，也為未來的推廣應用夯實基礎。標準體系隨著時間的推移和條件的改變可不斷發展更新［5］。

2）實現安全保障。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。基于北斗的鐵路智能運維必須考慮到安全因素。

3）ICT（信息通信技術）融合。鐵路的運維管理已經廣泛部署了各類采集設備、監測設備、管理系統以及其他各類信息平臺，獲取了海量信息。信息的相關性分析及深度挖掘是大數據的真正價值所在。結合大數據、云技術、物聯網等ICT技術，將基于北斗的定位監測數據與鐵路運維信息動態關聯、綜合分析，為新一代鐵路智能運維創造客觀條件。

2 應用架構

結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應用進行深化設計，其系統架構見圖1。

北斗衛星導航系統自主可控、安全可靠，是我國重要的空間戰略設施，能夠滿足鐵路系統不同SIL等級的安全性需求。搭建鐵路北斗應用支持平臺，采用包括地基增強系統、遮蔽地區的覆蓋增強系統及基礎設施監測系統等新技術，統一接收北斗衛星定位信息，匯總各類時空信息及其他相關信息，形成綜合數據平臺。再基于通信網絡為運營生產、運營管理、建設管理中各應用場景提供差異化定位服務；獲取的海量數據經平臺進行集成分析，為資源管理提供綜合分析、輔助決策等服務。

2.1 系統功能

1）支持網絡互聯。鐵路北斗應用支持平臺與地基增強系統、遮蔽地區的覆蓋增強系統、基礎設施監測系統及其他相關應用互聯互通，完成數據的交換傳遞；同時具備北向接口與上層智能運維管理平臺互聯互通。網絡互聯可基于鐵路既有通信網絡資源。

2）支持數據綜合處理。對采集的應用、衛星定位、地理位置等信息進行數據管理、解算、處理、存儲和更新等，完成數據集成及數據分析，實現系統運行監控、安全防護管理等重要功能。

3）支持差異化定位服務。各級差分數據產品通過鐵路北斗應用支持平臺進行數據發布，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。結合運營生產、運營管理、建設管理的多種應用場景，提供安全性、完整性的定位精度。

4）平臺采用大數據技術架構，利用鐵路人員、裝備、設施等海量多源的大數據，完成分析處理、跟蹤預測的一體化功能，挖掘數據之間時間、空間的動態關聯關系，提供預警信息，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

2.2.1 地基增強系統

地基增強系統在地面一定范圍內建立若干個連續運行的衛星定位基準站，協同北斗衛星導航系統為用戶提供更高精度的靜態、動態空間位置服務。基于北斗的鐵路地基增強系統由若干連續運行基準站、數據及處理中心等組成［6］，其中數據及處理中心功能可由鐵路北斗應用服務平臺統一提供。地基增強系統架構見圖2。

2.2.2 遮蔽地區的覆蓋增強系統

遮蔽地區的覆蓋增強系統由基準站、中繼單元、網管系統等組成，以隧道區段為例，其系統組成見圖3。

圖3 隧道覆蓋增強系統架構

2.2.3 基礎設施監測系統

基礎設施監測系統由采集設備（北斗差分接收機、監測點天線等）、監測服務器等部分組成。通信鐵塔作為鐵路移動通信的承載設施，數量眾多，以鐵塔為例，其系統架構見圖4。

3 應用展望

圖4 鐵塔監測系統架構

下一代通信網絡（NGN）是一個多業務、多技術融合的通信網絡，基于北斗定位的鐵路智能運維新技術應用與5G、云技術等新興技術互融互通，具有融合增強的效果，可提供更豐富的應用場景。

3.1 云技術

云的本質模式是將存儲、安全、運算、軟件資源最終虛擬為服務資源。云技術具有高可靠性、強數據處理、靈活可擴展以及高效利用在網設備等特點，可實現網隨云動的自動化部署［7］。云技術為基于大數據的鐵路北斗應用服務平臺提供了可選的部署模式，形成的云中心平臺實現云服務的統一發放管理。與云技術的深度融合，有效支撐在智能鐵路建設過程中的新興技術落地應用。

3.2 SDN、NFV

SDN（軟件定義網絡）技術的核心思想是將網絡設備由傳統模式解耦成為轉發、控制和應用三層分離［8］。NFV（網絡功能虛擬化）技術的核心思想是利用虛擬化技術和通用硬件承載多功能的軟件處理。SDN及NFV技術應用于鐵路北斗應用服務平臺，使得軟硬件進一步解耦，網絡設備簡化，網絡功能服務化，實現自動配置和靈活調度。

3.3 5G

5G作為智能化時代的移動通信基礎設施，未來在智能鐵路的應用可期。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控、空天地一體的網絡時延等新需求。北斗地基增強系統的建設可結合5G網絡結構同步進行，以北斗加載于5G網絡，將精密定位、授時和時間同步功能賦予5G。5G接收精準坐標位置和精確時間同步的同時，也可以發出北斗信號。“5G+北斗”的基站構成一張超高密度、超高精度的地基增強網，成為國家地基增強系統框架網的延伸和補充，精確感知時間空間信息，對于未來的“萬物互聯”非常重要［9］。

4 結束語

北斗衛星導航系統是中國重要的戰略性技術，基于北斗的新技術應用可以解決復雜地形條件的區域覆蓋問題，助力基礎設施的智能動態監測，成為智慧鐵路的一個重要基礎組件［10］。綜合北斗定位、智慧運維、新興技術，可以按需提供差別化服務，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。