北斗衛星導航系統在高鐵四電施工中的應用探討

張 平 寇宗乾

（中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043）

1 引言

《交通強國建設綱要》明確要求“推進北斗衛星導航系統應用”，北斗三號全球衛星導航系統正式開通并服務全球，在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》指導下，推動北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗系統）行業應用，實現北斗時空信息服務在鐵路、建筑行業深度覆蓋勢在必行。近年來，北斗系統已經在鐵路行業的工務、電力線路、通信、安全預警、控制測量等方面獲得了一些成功的研究與應用［1－3］，通過深入推進北斗系統在鐵路行業應用，打造新時代智慧鐵路，將大力促進中國北斗和中國高鐵兩張“國家名片”的深度融合，進一步推動我國自主科技創新，支撐行業安全健康發展，打破國外衛星導航技術在鐵路領域的先入為主的局面，對建立暢通、高效、安全、綠色的現代交通運輸體系具有十分重要的意義［4－6］。

2 北斗系統應用現狀及特點

北斗系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，獨立自主建設的全球衛星導航系統，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，是國家重要時空基礎設施。北斗系統不僅在軍事上具有重要意義，而且在民生中的發展也起到不容忽視的作用。北斗系統提供服務以來，已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用，獲得了顯著的經濟效益和社會效益［7－10］。

北斗系統具有以下特點：一是北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能優勢更為明顯；二是北斗系統提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度；三是北斗系統創新融合了導航與通信能力，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力。世界GNSS系統服務類型見表1，北斗定位技術性能見表 2［11－12］。

表1 世界GNSS系統服務類型

表2 北斗定位技術性能

目前被廣泛應用的北斗衛星定位技術包括第一代偽距單點定位、載波相位靜態定位、偽距差分定位技術，第二代的常規RTK、廣域差分定位技術，第三代的精密單點定位技術、網絡RTK技術。第四代定位技術正在快速發展過程中，即PPP-RTK定位技術。

3 北斗系統在高鐵四電施工中的應用場景分析

北斗系統可以提供高精度的時間及位置信息。在四電施工中，利用北斗系統可以實現四電工程的精準測量與標樁（見圖1），可服務于四電施工中的定位、選址及改遷等工作；同時可應用北斗系統進行電纜線路起點、重點、轉折點、電纜接頭及電纜井位置的標定工作，方便后期運行維護；另外，在四電施工現場通過在人員、設備及車輛上佩戴、安裝和集成北斗定位系統，可以在施工過程中對人員、作業車輛、工器具等實現實時高精度定位管理，并且可以利用北斗位置報告和集團用戶服務模式，實時獲取人員、設備及車輛之間的位置、距離信息，對于車輛與車輛、人員與車輛的安全距離進行預警防護，確保施工現場安全。

圖1 標樁功能示意

4 北斗系統在四電施工中的應用場景技術路線

4.1 信號專業

信號施工需進行施工現場調查及現場定測，采用北斗系統并搭建北斗精準管理系統，從安全、質量、效率和成本等方面優化施工，提高施工效率及精確度。

（1）信號中繼站

新建線路信號中繼站現場定測。利用搭載北斗系統（厘米級精度）的設備對新建信號中繼站選址進行定位，利用北斗電子地圖服務實現現場定測工點的快速定位，通過航拍或手持等方式實現位置、環境、地貌等數據采集；對采集數據進行處理后接入線路電子地圖，生成帶有中繼站位置的線路電子地圖，供施工階段使用。

（2）信號區間布點

信號區間布點現場定測，利用北斗＋BIM信號技術實現對區間信號布點設備進行定位、測量、數據采集，采集相關數據進行處理后與BIM技術相結合，生成帶有區間布點的電子圖；檢驗、核對區間布點的合理性，供施工階段使用。

4.2 通信專業

（1）新建無線通信基站定位

將北斗終端集成到無線通信基站，從而可利用北斗系統的精準定位功能實現對無線通信基站的精準定位；同時利用無人機航攝或手持等方式采集無線通信基站的位置及其周邊環境、地貌信息，對采集數據進行處理后接入電子地圖數據庫中，生成帶有無線通信基站位置及其周邊環境、地貌信息的電子地圖，供施工階段使用。

（2）通信線路遷改選址定位

在鐵路施工前、施工中，可以利用北斗系統的定位功能配合無人機、通信系統、航拍設備對全線受鐵路施工影響的通信線路進行精準定位、測量及無人機攝影測量，對采集數據進行處理，生成帶有通信線路的地形圖或二維、三維電子地圖，使設計階段統計遷改工作量更加精準，并可更加直觀地對高壓電力線路、通信線路進行遷改方案設計，確保相關通信線路遷改工作的順利開展。

4.3 電力專業

（1）電力現場施工選址定位

在現有高速鐵路電力施工中，可以利用北斗系統的定位功能對配電所、車站電源線路徑路、施工臨時用電電源線徑路、配電所位置及區間箱變位置進行精準定位，節省現場選線、選址時間。

（2）電力遷改選址定位

在鐵路施工前、施工中，可以利用北斗系統的定位功能配合無人機、通信系統、航拍設備對全線受鐵路施工影響的高低壓電力線路進行精準定位、測量及無人機攝影測量，保證電力遷改數據準確性，合理預估電力征拆投資，確保相關鐵路電力遷改的順利開展。

4.4 變電專業

牽引變電所亭選址定位，利用北斗定位系統，對牽引變電所亭的所址四角定位、設備基礎架構等的定位、測量與標樁等。可利用航拍或手持等方式實現位置、環境、地貌等數據采集；對采集數據進行處理后接入加載的電子地圖，實現所址四角坐標地理位置的快速精準定位，并在施工現場進行準確測量和定位，進行桿位標樁，也可以結合電子地圖進行標樁進度顯示。因其基于統一地理坐標，可避免人工測量產生的累計誤差。

4.5 接觸網專業

接觸網專業內容包括牽引變電所亭至線路的供電線、線路上方架設的接觸網、附加導線，包含了基礎、支柱、支持定位裝置等。北斗系統在接觸網施工階段的應用主要為定位標樁。利用北斗終端，實現接觸網工程中支柱位置的測量與標樁，并結合加載接觸網桿位信息的電子地圖，在施工或日常維護作業時進行準確測量和定位，并進行桿位標樁，也可以結合電子地圖進行標樁進度顯示。

通過構建北斗衛星定位、無線網絡覆蓋的接觸網施工現場，實現數字化測量、數字化機械施工和施工過程的智能化。聯合無人機技術加載接觸網智能施工裝備，實現接觸網施工作業數據采集的自動化處理，數據與設計BIM模型信息進行對比，可及時發現施工過程中的問題，全面監督施工過程。

4.6 四電專業施工通用場景

（1）施工作業北斗實時高精度定位管理系統

施工過程中對人員、作業車輛、工器具等的實時高精度定位管理：

①為工人佩戴標簽或佩戴北斗定位安全帽的方式，實現對人員的實時高精度定位（厘米級）、考勤管理、電子圍欄劃定、歷史軌跡查詢等功能；同時與生物識別系統相結合，利用北斗系統掌握人員在現場出勤情況，再輔以工程量的核算就可以對勞務支出、成本核算、生產效率進行精確控制。在既有線施工中，利用北斗系統設立電子圍欄，就可以對人員活動范圍進行監控，及時防止既有線施工中的越界行為，在工后離場前，可以監控人員是否都已撤離，避免發生事故。

②對施工作業車輛進行監控管理。可在作業車輛上加裝北斗定位模塊，通過后臺調度系統實現作業車的地理位置、運行狀態、運行軌跡監控管理，提高調度作業效率和安全管理水平。

③對施工工具進行監控管理。為確保安全，上道作業完成后需將相關工具全部帶離，可在工器具上加裝定位標簽，實現上道工器具的管理。

工程結束后，北斗實時高精度定位管理系統依然可用于后期維護、人員巡檢、作業等方面，滿足建設、規劃、監測、維護等多方面現代化、信息化的需求，對現場作業實現統一管理。

（2）施工現場北斗安全預警系統

基于北斗位置報告的預警防護系統，根據北斗衛星定位及軌道電路跟蹤作業車輛、施工作業人員的位置信息，并通過無線通信技術實現列車的車載終端、施工人員的手持終端與綜合預警防護平臺的信息交互，依據位置信息及運行軌跡實現對碰撞的預警防護。對于車輛與車輛、人員與車輛的安全距離進行預警防護，確保施工現場安全。

因現場施工存在一定的時間、區域限定，尤其是在多專業交叉作業、天窗點施工等情況下，一般會限定在某一區域、某一時間段內進行施工作業，因此可考慮通過北斗“電子圍欄”方式實現上道作業人員的作業門及作業邊界管理。

5 結束語

北斗系統應用于高鐵四電施工中，可有效控制施工質量，改善施工管理水平，為實現高鐵四電數字化、智能化施工提供有力支撐和基礎保障。本文提出的北斗系統在高鐵四電中的應用場景及技術路線，可為后續北斗系統在高鐵四電施工中的推廣應用提供指導性意見。