北斗導航系統在鐵路通信系統中的應用

中國鐵路設計集團有限公司 劉博

為了完善智能鐵路服務平臺設計方案，選取北斗衛星導航系統作為平臺開發工具，打造一體化集成平臺。該平臺以鐵路數據服務平臺作為支撐，對衛星采集到的信息加以處理，向用戶提供定位、通信、授時等服務。應用測試結果顯示，本平臺能夠生成各個節點采集的位移信息，從而準確判斷邊坡問題。另外，平臺通訊作業穩定，獲取數據時效性、精準度較高，可以作為鐵路服務輔助工具。

隨著科學技術的快速發展，智能化建設成為各個領域建設要點。智能鐵路服務平臺作為智能化建設的一部分，需要利用多套衛星導航系統，建設導航定位體系，實現人—機—物的聯動及數據資源共享[1]。目前，關于此方面的研究比較少，雖然提出了一些北斗衛星導航系統在智能鐵路服務平臺構建中的應用思想，但是大部分應用思想較為零散，尚未形成完整的構建方案[2,3]。本文通過對這些零散的應用思想進行整理，將其整合到一體，提出一體化集成智能鐵路服務平臺的構建研究。

1 基于北斗衛星導航系統的智能鐵路服務平臺構建

1.1 平臺總體架構的構建

本研究運用北斗衛星導航系統，構建智能鐵路服務平臺。該平臺集多項功能為一體，為用戶提供高精度位置服務、通信服務、授時服務、運營管理服務、系統管理服務、在網設備管理服務。如圖1所示為系統總體架構設計方案。

圖1 系統總體架構Fig.1 Overall architecture of the system

1.2 基礎設施監測

本平臺支持鐵路基礎設施狀態監測，為了滿足長期監測需求，解決作業時間受限問題，本研究提出一種綜合技術方案。該技術方案將實時統一解算與單基站RTK模式融合一起，搭建設施狀態監測體系，從而實現地表沉降、邊坡位移、橋梁變形的實時監測。關于此項功能的實現，通過搭建如圖2所示的鐵路監測基礎設施體系得以實現。

圖2 鐵路監測基礎設施體系Fig.2 Railway monitoring infrastructure system

該體系以太陽能和蓄電池組成系統供電模塊，為GNSS接收機提供作業電能，通過GNSS天線，與北斗衛星建立通信，獲取北斗衛星導航信息，獲取變形問題產生的具體位置，從而實現基礎設施實時監測。為了提高該體系安全性，本設計方案在接收機與天線之間增加了天饋防雷器，從而避免特殊天氣雷電影響。

1.3 隧道內外應急通信設計

1.3.1 隧道外應急通信設計

如果隧道外鐵路沿線突發某事件，則按照網絡覆蓋情況不同，采取相應通信應急策略。(1)針對事件發生所在地區有公網4G/5G覆蓋情況，直接利用公網應急設備中的移動布控球、手機App、專用手持臺、無人機等設備，采集相關信息，并通過無線傳輸裝置發送至指揮中心，在管控人員的指揮下，完成隧道外突發事件的處理。(2)針對事件發生所在地區無公網4G/5G覆蓋情況，啟動Ka高通量寬帶衛星終端，改用該終端傳輸實時視頻信息。

1.3.2 隧道內應急通信設計

如果隧道內鐵路沿線突發某事件，為了建立隧道內與指揮中心的通信連接，同樣需要借助一些設備，完成隧道內視頻信息的傳送。考慮到隧道內可能存在無公網覆蓋情況，所以在設計應急通信方案時，需要分為兩種情況。(1)針對隧道內存在公網4G/5G覆蓋情況，利用專用手持臺（手機App）、移動布控球傳送信息，通過隧道外配備的工業路由器，將視頻信息轉發至指揮中心，形成完整的自組網絡體系。(2)針對無公網4G/5G覆蓋情況，為了保證專用手持臺（手機App）、移動布控球能夠將隧道內的視頻信息傳送出去，在隧道外配備Ka高通量衛星終端設備，建立互聯網體系，從而將信息發送至指揮中心。

1.4 追蹤定位設計

追蹤定位作為鐵路服務的重要項目之一，對鐵路項目施工現場安全性影響較大。根據系統開發需求，本研究利用地面傳輸網絡，創建中心調度與施工現場的通信連接，利用基站轉發鐵路現場施工信息，此部分信息將作為追蹤定位參考依據。關于鐵路施工現場追蹤定位架構的設計，是以車外與車內云臺攝像機采集相關數據信息，而后通過基站發送至中心調度室。如果現場存在安全問題，則通過基站將轉移、撤離等指揮消息發送至各個作業人員的通訊設備中，同時借助電臺發出警告，為現場人員安全提供一定保障。

2 平臺在智能京張鐵路建設中的應用分析

2.1 平臺在智能京張鐵路建設中的應用方案

本文以智能京張鐵路建設為例，檢驗本平臺設計方案可靠性。根據該鐵路項目建設地理位置特點，將本平臺硬件設備合理搭建在該地理環境中，對鐵路建設現場情況進行監測。

該平臺利用鐵路內網，創建服務平臺與鐵塔測斜監測、作業人員手持終端設備的通信連接，管理人員可以在管控中心的計算機屏幕上觀察鐵路項目當前的建設狀況，根據監測信息，對建設狀況給予判斷。其中，作業人員手持終端和服務平臺獲取的信息，均通過北斗衛星導航功能獲取。為了獲取較為全面的信息，本次應用布設多個信息采集點，并且為每一名作業人員配備定位設備。

2.2 應用效果分析

本平臺在北斗衛星導航系統的作用下，能夠得到鐵路項目施工現場的相關信息，定位到每一名作業人員的具體位置。通過對位置相關信息進行整理，可以形成作業人員在工作期間行走的軌跡，作為現場指揮參考依據。如圖3所示為智能京張鐵路北斗應用服務一體化平臺布設方案。

圖3 智能京張鐵路北斗應用服務一體化平臺布設方案Fig.3 Layout plan of the Beidou application service integration platform for the intelligent Beijing-Zhangjiakou Railway

按照此方案部署各類硬件設備，其中邊坡部署的位移計數量較多，分布在不同高度、不同角度多個位置，彼此之間的間距幾乎相等。通過運行本平臺，能夠生成各個節點采集的位移信息，從而準確判斷邊坡問題。

另外，本次平臺的應用測試，強調了作業人員的防護功能，利用平臺定位作業人員位置，作為施工指揮和安全撤離指揮參考依據。如圖4所示為鐵路北斗上道作業人員輔助防護系統操作界面。

圖4 鐵路北斗上道作業人員輔助防護系統操作界面Fig.4 The operation interface of the auxiliary protection system for the workers on the railway Beidou

通過觀察該界面，可以得到作業人員所處環境的安全情況，如果某作業人員發現負責區域內出現異常，連接發出警報，操作界面會顯示其所處位置，并將此警報發送至其他作業人員通信設備當中，作為安全防護指揮命令下達依據。從當前測試結果來看，平臺通訊穩定，獲取數據時效性較高，并且數據精準度為100%。

3 結語

本文圍繞智能鐵路服務平臺建設問題展開探究，以北斗衛星導航系統作為平臺開發工具，搭建系統框架結構。該架構以基站作為系統與平臺的通信橋梁，通過在鐵路現場布設位移計等信號采集裝置，獲取鐵路環境信息，從而為用戶提供高質量鐵路服務。應用測試結果顯示，本平臺能夠精準監測鐵路環境中的邊坡變形情況，可以掌握現場每一名作業人員的地理位置信息，支持數據處理，作為鐵路其他應用數據支撐。

引用

[1] 田孟磊.北斗定位技術在高速鐵路沉降變形監測中的應用[J].智能城市,2021,7(12):71-72.

[2] 李元鴻,孫艷麗,張英,等.北斗林業生態移動巡護平臺在森林管護中的研發及應用[J].林業資源管理,2020(4):153-160.

[3] 李博,方彤.北斗衛星導航系統(BDS)在智能電網的應用與展望[J].中國電力,2020,53(8):107-116.