北斗在智慧地鐵中的應(yīng)用

文|藺陸洲

全圖通位置網(wǎng)絡(luò)有限公司

時間與位置信息已成為以萬物互聯(lián)、人工智能和大數(shù)據(jù)應(yīng)用為特征的智慧地鐵建設(shè)的核心和基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)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。城市軌道交通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(qū)域，也是“新基建”的重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域。非暴露空間下的定位、導(dǎo)航、授時和通信長期以來是世界性的技術(shù)難題，也是制約智慧地鐵發(fā)展的瓶頸。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）作為提供時間和空間信息的全球系統(tǒng)，是由我國自主建設(shè)運(yùn)行的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，目前已完成系統(tǒng)建設(shè)，正在各行業(yè)開展應(yīng)用推廣。通過應(yīng)用北斗系統(tǒng)，建設(shè)以其為基礎(chǔ)的高精度定位網(wǎng)、高精度時間同步網(wǎng)、高通量通信網(wǎng)和空間數(shù)字化平臺，可以為智慧地鐵的建設(shè)起到基礎(chǔ)性的支撐作用。由于北斗系統(tǒng)的應(yīng)用具有基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性、滲透性和帶動性，因此其可對地鐵的發(fā)展形態(tài)、發(fā)展理念、發(fā)展模式和運(yùn)營模式產(chǎn)生重大影響，從而促進(jìn)“北斗+地鐵”運(yùn)營管理新模式的形成，滿足乘客、企業(yè)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(jīng)濟(jì)高效、綠色節(jié)能的智慧地鐵系統(tǒng)。

一、北斗系統(tǒng)建設(shè)與地鐵應(yīng)用

北斗系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展將對智慧地鐵的建設(shè)與發(fā)展產(chǎn)生重大影響，從而促進(jìn)“北斗+地鐵”運(yùn)營管理新模式的形成。

1.北斗系統(tǒng)建設(shè)與后續(xù)發(fā)展

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為用戶提供的時間與空間信息是所有信息系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。北斗系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?yàn)槿蛴脩籼峁┤旌颉⑷鞎r、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，目前已建成了覆蓋全球的系統(tǒng)。

從應(yīng)用的空間環(huán)境上看，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號微弱，易被干擾和欺騙，且不能惠及室內(nèi)、水下和地下以及其他受遮蔽的非暴露空間。據(jù)統(tǒng)計，人們80%的時間處于建筑物、移動載具等非暴露空間環(huán)境中，因此，解決非暴露空間中的導(dǎo)航定位問題是北斗系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的重要方向。習(xí)近平總書記倡導(dǎo)，要建設(shè)更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系（PNT）。該體系可利用基于不同原理的多種PNT 信息源，經(jīng)過云平臺控制、多傳感器高度集成和多源數(shù)據(jù)融合，生成時空基準(zhǔn)統(tǒng)一且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠等優(yōu)點(diǎn)的PNT 服務(wù)信息。綜合PNT 體系建設(shè)沒有可以遵循的模式，沒有可以采購的載荷，也沒有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)，唯有不斷創(chuàng)新，不斷探索，才能建成新的國家綜合PNT 體系。地鐵作為典型的非暴露空間北斗時空應(yīng)用場景，是國家綜合PNT 體系建設(shè)和應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

2.北斗與地鐵的融合發(fā)展

近年來，隨著建設(shè)的加快及運(yùn)營里程的持續(xù)增長，地鐵面臨著網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營、降本增效、快捷服務(wù)、低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等一系列的挑戰(zhàn)，在新一代信息技術(shù)的支持下，智慧地鐵的概念由此產(chǎn)生。交通的實(shí)質(zhì)就是提供位移，即根據(jù)需要通過運(yùn)輸工具實(shí)現(xiàn)人員和物資的位置移動。作為一種公共交通系統(tǒng)，智慧地鐵發(fā)展的核心目的是在保障安全的前提下實(shí)現(xiàn)最低成本、最大范圍覆蓋的位置移動，其手段是在信息技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)地鐵服務(wù)過程中所有環(huán)節(jié)的智能化，即“位移+”，因此需要充分利用先進(jìn)的信息通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等技術(shù)，以自主感知、自主學(xué)習(xí)、自主決策和自主控制為核心處理流程，在對設(shè)備設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化管控的基礎(chǔ)上，為乘客提供高效精準(zhǔn)、個性化的位移服務(wù)，從而建設(shè)更加安全、高效、舒適、綠色的新一代地鐵系統(tǒng)。時間和空間位置信息是實(shí)現(xiàn)智慧地鐵系統(tǒng)自主運(yùn)行、精準(zhǔn)管理和全時程個性化服務(wù)的基礎(chǔ)，因此智慧地鐵的建設(shè)需要與提供時空信息的北斗系統(tǒng)具備實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展的基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 北斗系統(tǒng)與智慧地鐵的融合發(fā)展

地鐵的未來發(fā)展趨勢是以“位移+”的方式推動安全、便捷、經(jīng)濟(jì)、高效、綠色的智能運(yùn)輸；而北斗系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是以“+北斗”，即以北斗技術(shù)為賦能手段，以時空信息為應(yīng)用方式，與其他產(chǎn)業(yè)原有技術(shù)、原有業(yè)務(wù)相結(jié)合或替代傳統(tǒng)應(yīng)用方案的方式賦能軌道交通行業(yè)，以促進(jìn)其轉(zhuǎn)型升級。“位移+北斗”作為北斗系統(tǒng)與智慧地鐵融合發(fā)展的核心理念，將進(jìn)一步豐富地鐵與北斗系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，促進(jìn)兩者全面發(fā)展，從而推進(jìn)國家戰(zhàn)略的實(shí)施。

二、智慧地鐵對北斗技術(shù)的需求

智慧地鐵作為典型的復(fù)雜信息系統(tǒng)，涉及列車自動控制（ATC）、自動售檢票（AFC）、綜合監(jiān)控（ISCS）等種類繁多的信息系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)其智能化運(yùn)行，必須集成這些復(fù)雜的信息系統(tǒng)，進(jìn)行海量時間、空間信息的感知、處理、決策和控制，因此在時空基準(zhǔn)與空間數(shù)字化、高精度定位導(dǎo)航與授時兩個方面需要通過系統(tǒng)建設(shè)方式，獲得北斗技術(shù)的支持。

1.時空基準(zhǔn)與空間數(shù)字化

智慧地鐵需要建立統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)，以避免產(chǎn)生時空信息沖突的風(fēng)險，危及地鐵的安全運(yùn)營。利用北斗系統(tǒng)提供定位導(dǎo)航服務(wù)的CGCS2000 坐標(biāo)系（我國目前最新的國家大地坐標(biāo)系），地鐵系統(tǒng)可以獲取統(tǒng)一的、自主可控的時空基準(zhǔn)。此外，地鐵所處的空間環(huán)境非常復(fù)雜，暴露空間和非暴露空間并存，單純依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求。通過將北斗系統(tǒng)的絕對時空基準(zhǔn)引入地鐵非暴露空間內(nèi)并進(jìn)行動態(tài)維持，一方面可以實(shí)現(xiàn)非暴露空間相對位置與暴露空間絕對位置的統(tǒng)一，并以絕對坐標(biāo)系的方式對地鐵內(nèi)非暴露空間的位置進(jìn)行展示和應(yīng)用，另一方面能夠統(tǒng)一時間，實(shí)現(xiàn)非暴露空間內(nèi)的時間同步。

由于地鐵的空間環(huán)境復(fù)雜，因此掌握豐富、準(zhǔn)確的地理信息是智慧地鐵建設(shè)和運(yùn)營的基礎(chǔ)。空間數(shù)字化，即構(gòu)建數(shù)字化的地理信息空間數(shù)據(jù)框架（DSDF），是測繪技術(shù)、地理信息技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)和人工智能技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物。隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，測繪技術(shù)正在向信息采集、數(shù)據(jù)處理和成果應(yīng)用的三維數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時化、可視化方向發(fā)展，出現(xiàn)了以三維實(shí)景建模為核心的空間數(shù)字化應(yīng)用需求。在智慧地鐵建設(shè)中，需要基于北斗系統(tǒng)的時空基準(zhǔn)，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(shù)據(jù)采集設(shè)備，對地鐵地下和地上空間的機(jī)房、站廳、區(qū)間、車輛段、倉庫等場所，圍繞空間結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)施、耗材物品等要素，進(jìn)行三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，并輔以現(xiàn)場攝影和紋理等數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建一套全要素的精細(xì)實(shí)景三維模型，以實(shí)現(xiàn)地鐵的空間數(shù)字化。

2.高精度定位、導(dǎo)航與授時

高精度的空間與時間信息是建設(shè)智慧地鐵的基礎(chǔ)。交通數(shù)據(jù)是典型的時空數(shù)據(jù)，不僅具有時間維度屬性，還對空間結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的依賴性。隨著不同軌道交通信息系統(tǒng)之間的融合發(fā)展，對定位精度和時間同步精度的要求不斷提高。

第一，在定位與導(dǎo)航方面。通過高精度定位技術(shù)的應(yīng)用，克服接收衛(wèi)星信號困難、多障礙物與多干擾源、高程定位困難、應(yīng)用終端研制困難等問題。針對地鐵環(huán)境復(fù)雜，立柱、電梯、屏蔽門等各類障礙物繁多、人員密集且車輛移動等干擾問題，大幅提高定位精度，同時提供高程定位，提供多層建筑物地上與地下、樓層位置和高度的信息。

第二，在授時服務(wù)方面。通過大范圍時間同步技術(shù)的應(yīng)用，使用戶在較低的成本下獲得北斗的高精度時間。地鐵使用的各類設(shè)備，需要從北斗系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)的時間信號，通過服務(wù)接口將高精度的時間信息傳輸給用戶設(shè)備，從而使用戶整個系統(tǒng)達(dá)到時間和日期的高精度同步。

3.系統(tǒng)建設(shè)與關(guān)鍵技術(shù)

智慧地鐵必須建設(shè)一套自主可控的時空體系網(wǎng)絡(luò)。針對北斗系統(tǒng)導(dǎo)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(yīng)綜合應(yīng)用“北斗+5G+空間數(shù)字化”技術(shù)，構(gòu)建由高精度定位網(wǎng)、高精度時間同步網(wǎng)、高通量通信網(wǎng)和空間數(shù)字化平臺組成的“三網(wǎng)一平臺”時空體系網(wǎng)絡(luò)，形成地鐵交通時空基準(zhǔn)信息網(wǎng)絡(luò)，并將其作為智慧地鐵建設(shè)和運(yùn)營的基礎(chǔ)設(shè)施（圖2）。智慧地鐵時空體系將為地鐵提供統(tǒng)一、連續(xù)的空間與時間信息，以及定位、授時、通信服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)在非暴露空間中對北斗系統(tǒng)應(yīng)用的補(bǔ)充、增強(qiáng)和備份，從而打破地鐵暴露空間與非暴露空間之間的壁壘。

圖2 智慧地鐵時空體系網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

建設(shè)智慧地鐵時空體系網(wǎng)絡(luò)，需要重點(diǎn)突破室內(nèi)外一體化高精度連續(xù)定位、基于通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的大范圍高精度時頻傳遞、基于5G 的高通量無線通信應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。

在定位方面，需要在統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)上，采取以超寬帶（UWB）定位技術(shù)為主導(dǎo)、多種定位技術(shù)為補(bǔ)充和增強(qiáng)的方式，通過導(dǎo)航定位軟件與算法的融合，實(shí)現(xiàn)在暴露空間和非暴露空間中的連續(xù)定位，通過國家投資建設(shè)的綜合PNT 體系和小型化、個性化、組合化服務(wù)終端研制的微PNT 體系，提供高精度的位置服務(wù)。

在時間方面，需要在統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)上，以IEEE 1588V2 網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議，即精確時間同步協(xié)議（PTP）為基礎(chǔ)，結(jié)合同步以太網(wǎng)技術(shù)（SyncE）和白兔時間同步方法（WR），實(shí)現(xiàn)城際范圍內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動態(tài)時間同步，以提供高精度的授時服務(wù)。

在通信方面，需要開展地鐵室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計與面向地鐵業(yè)務(wù)的時間切片算法的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)高通量通信的應(yīng)用。在設(shè)備方面，地鐵需要小型化、個性化、組合化應(yīng)用終端，并解決組件優(yōu)化設(shè)計、材料優(yōu)選、精密制造、組件深度集成、傳感器實(shí)時標(biāo)校、傳感器輸出信息自適應(yīng)融合等方面的問題。

三、北斗在智慧地鐵中的應(yīng)用

應(yīng)用是北斗系統(tǒng)與智慧地鐵融合發(fā)展的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。北斗技術(shù)將以客流感知為核心，在提供高精度客流信息的基礎(chǔ)上，在運(yùn)行調(diào)度、乘客服務(wù)、維修維護(hù)、安全管理等方面賦予地鐵新的能力和手段，為地鐵業(yè)務(wù)提供有效支撐，協(xié)助構(gòu)建管理精細(xì)、運(yùn)行高效、效益最大化的智慧地鐵系統(tǒng)。

1.運(yùn)行調(diào)度

基于北斗技術(shù)的應(yīng)用，在高精度客流和地鐵的全量地理信息的支持下，進(jìn)行軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化高韌性運(yùn)行調(diào)度（圖3）。首先，在客運(yùn)組織的準(zhǔn)備階段，基于北斗提供的更加精確的客流信息，科學(xué)建立更加可靠的客流規(guī)律模型，優(yōu)化運(yùn)行圖編制。其次，在客運(yùn)組織的實(shí)施過程中，列車定位是地鐵列車安全和高效運(yùn)行的保障，北斗技術(shù)可使列車定位精度更高，冗余更充分，自主化更強(qiáng)，集成更深，聯(lián)動更高效。此外，基于北斗提供的高精度列車位置信息，可以支持車車通信和自主感知，支持建立基于動態(tài)間隔調(diào)整的高可靠、高可用的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車自主控制、虛擬編組，成為靈活混跑和智能調(diào)度的基礎(chǔ)。

圖3 北斗地鐵運(yùn)行調(diào)度應(yīng)用

2.乘客服務(wù)

乘客服務(wù)是地鐵運(yùn)營的核心。不同于傳統(tǒng)基于部門設(shè)置的乘客服務(wù)模式，智慧地鐵系統(tǒng)在面向乘客需求與業(yè)務(wù)驅(qū)動的乘客服務(wù)新模式建立過程中，充分利用了北斗技術(shù)。首先，在乘客出行方面，乘客可以實(shí)現(xiàn)涵蓋地鐵內(nèi)外的全時程出行路徑規(guī)劃、站內(nèi)換乘路徑的導(dǎo)航，同時可以對地鐵站內(nèi)外的自助售票機(jī)、自助售貨機(jī)、洗手間等服務(wù)設(shè)施進(jìn)行快速查找定位和導(dǎo)航，優(yōu)化乘客乘車體驗(yàn)。其次，在乘客服務(wù)管理方面，基于北斗定位的高精度客流數(shù)據(jù)，可以在空間數(shù)字化的數(shù)字孿生環(huán)境下，針對突發(fā)大客流場景進(jìn)行模擬仿真，在現(xiàn)場支持站務(wù)人員的限流、預(yù)案實(shí)施的實(shí)時指揮與調(diào)度。此外，針對乘客服務(wù)設(shè)備，還可以基于多維、多層次的數(shù)字地圖，實(shí)現(xiàn)乘客服務(wù)機(jī)器人、服務(wù)臺等乘客服務(wù)裝備的定位、引導(dǎo)服務(wù)等功能，從而支持無人化乘客服務(wù)的實(shí)現(xiàn)（圖4）。

圖4 北斗地鐵乘客服務(wù)應(yīng)用

3.維修維護(hù)

在地鐵集約化維修維護(hù)的發(fā)展過程中應(yīng)用北斗。首先，在此管理方面，地鐵的設(shè)施設(shè)備錯綜復(fù)雜、自動化程度高、資產(chǎn)規(guī)模龐大，其維保和管理直接關(guān)系到地鐵運(yùn)行的安全可靠程度。通過北斗技術(shù)獲取設(shè)施設(shè)備的準(zhǔn)確位置，可在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對資產(chǎn)設(shè)備基于精準(zhǔn)位置的自動盤點(diǎn)，打造狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、風(fēng)險預(yù)警、維修評價和資產(chǎn)管理的閉環(huán)鏈條。其次，采用北斗精準(zhǔn)定位與資產(chǎn)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)自動化與智能化的深度融合，維修與維護(hù)的作業(yè)人員可以利用高精度地圖，定位故障位置，管理人員可以掌握作業(yè)人員位置和備品備件的情況，為車輛設(shè)備設(shè)施的預(yù)防性狀態(tài)維修和遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)提供支持。

4.安全管理

在面向“人—機(jī)—環(huán)—管”的城市軌道交通“知—辨—治—控—救”一體化矩陣式主動防控體系建設(shè)過程中應(yīng)用北斗。首先，可以使用北斗高精度定位明確風(fēng)險點(diǎn)的位置和風(fēng)險鏈傳導(dǎo)的地理路徑，支持主動安全知識圖譜的建立。其次，通過北斗技術(shù)，可獲取站務(wù)、管理及施工人員的實(shí)時高精度位置信息，在此基礎(chǔ)上可通過構(gòu)建電子圍欄、電子點(diǎn)名簽到、績效考核分析等方式，對地鐵工作人員進(jìn)行精準(zhǔn)管理，在火災(zāi)、水淹、重大活動、脫軌事故等應(yīng)急場景下，掌握現(xiàn)場人員與物資的位置，支持應(yīng)急管理和指揮救援。

四、結(jié)論

時間與空間信息已成為現(xiàn)代生產(chǎn)與生活中的一項基礎(chǔ)信息。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展徹底改變了人們的生活方式，也改變了管理模式。隨著北斗系統(tǒng)的建成與應(yīng)用推廣，我國智慧地鐵的建設(shè)與發(fā)展對時空基準(zhǔn)、空間數(shù)字化、高精度定位與授時提出了迫切的要求。未來，北斗系統(tǒng)與智慧地鐵具有廣闊的融合空間和潛力，其核心是根據(jù)地鐵應(yīng)用場景定義其PNT 體系，突破關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)“三網(wǎng)一平臺”時空體系網(wǎng)絡(luò)。北斗系統(tǒng)的應(yīng)用推廣將為地鐵的智慧化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造最優(yōu)的基礎(chǔ)條件。