基于北斗定位技術(shù)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應用

馬昆，周子健，朱攀峰

（1.中國鐵路北京局集團有限公司 衡水車務(wù)段，衡水 053000；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

我國幅員遼闊、自然條件復雜，造就了鐵路運輸跨度廣、線路長、運行環(huán)境復雜等固有特點，使得路基、邊坡、橋隧、鐵塔等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施在保障列車安全運營的同時，也成為影響行車安全的潛在因素。近年來，受到連續(xù)強降雨等極端天氣和塌方、泥石流等自然災害的影響，我國多條鐵路干線基礎(chǔ)設(shè)施受到不同程度的破壞，造成行車中斷、車廂脫軌等險情[1-2]。因此，針對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進行精準位移監(jiān)測和預警具有重要意義。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS，BeiDou Navigation Satellite System）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(wù)[3]。近年來，北斗定位技術(shù)被逐步應用于鐵路建設(shè)及運營中。王劍等人[4]將北斗定位技術(shù)應用于高速鐵路列車實時定位中，在衛(wèi)星信號連續(xù)狀態(tài)下能夠滿足列車定位要求；秦健[5]提出一種基于北斗定位技術(shù)的鐵路作業(yè)人員和車輛安全預警防護系統(tǒng)構(gòu)建方案。在鐵路監(jiān)測領(lǐng)域，北斗定位技術(shù)也得到了越來越多的應用，劉洋[6]將北斗定位技術(shù)應用于橋梁形變監(jiān)測，并將經(jīng)驗模態(tài)分解法用于解決北斗監(jiān)測噪聲，進一步提高了北斗觀測的精度；路志遠等人[7]研究了鐵路數(shù)據(jù)預測模型，對比了長短期記憶模型與傳統(tǒng)時間序列模型，驗證了長短序列模型具有更好的性能?，F(xiàn)存的文獻主要針對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測方法的準確度進行研究，對基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和實際運行的研究較少，本文詳細描述了基于北斗定位技術(shù)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測系統(tǒng)（簡稱：本文系統(tǒng)）的設(shè)計方案，并利用鐵路現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析本文系統(tǒng)運行情況和監(jiān)測精度。

1 北斗高精度監(jiān)測原理

1.1 空間定位原理

空間定位起源于二維平面定位，如圖1（a）所示，對于船只的位置坐標 (x,y)，需要A 和B 兩個已知點同時對船只進行測距，可得到船只的準確位置。將這一原理推廣到空間，需要至少3 個已知點同時測距才能夠獲得空間中未知點的位置 (x,y,z)，如圖1（b）所示。

圖1 平面定位與空間定位

1.2 北斗定位技術(shù)

由空間定位原理可知，在滿足可見衛(wèi)星數(shù)量的情況下，為確定監(jiān)測對象的空間位置，需要具備2個條件：（1）明確衛(wèi)星的空間坐標；（2）獲得衛(wèi)星的測距信息。

1.2.1 衛(wèi)星位置確定

衛(wèi)星空間坐標獲取方式主要包括基于廣播星歷軌道參數(shù)實時計算和利用精密星歷直接獲取。（1）廣播星歷由衛(wèi)星直接播發(fā)，通常用于實時定位，計算方法可見文獻[8]；（2）精密星歷通常由測繪中心經(jīng)過處理后發(fā)布，雖精度較高，但經(jīng)過處理會有部分延遲，因此，常用于實時性需求不高的高精度定位[9]。

1.2.2 北斗衛(wèi)星量測

BDS 能夠面向全球用戶，播發(fā)包括偽距（Pseudo Range）、載波相位（Carrier phase）等測距信息，這些測距信息都屬于衛(wèi)星量測信息。

（1）偽距直接反應衛(wèi)星信號從被播發(fā)到被接收過程的全部距離，由于信號傳播路徑并非真空，因此偽距中包含固定的測量誤差，通常情況下，衛(wèi)星偽距模型為

其中，ρ是衛(wèi)星偽距量測信息；r是衛(wèi)星到接收機的幾何距離；C是真空中光速；δtu是衛(wèi)星信號接收時刻；δts是 衛(wèi)星信號發(fā)射時刻；Iiono是電離層延時距離；Ttrop是對流層延時距離；ερ是偽距測量噪聲。

（2）載波相位以波長為單位，一個波長約為19 cm，因此，載波相位常用于高精度定位。與偽距不同的是，載波相位存在固有的整周模糊度，載波相位模型為

其中，φ表示載波相位量測信息；λ是載波相位波長；N是未知的整周模糊度；εφ是載波相位量測噪聲。

（3）由式（1）和式（2）可知，衛(wèi)星到接收機的幾何距離r包含在衛(wèi)星測距中，因此，可根據(jù)式（3），結(jié)合最小二乘法或卡爾曼濾波算法解算接收機三維坐標。

其中，Xs、Ys、Zs表示衛(wèi)星的空間三維坐標，xr、yr、zr表示接收機的三維坐標，即待求解的3 個未知參數(shù)。

1.3 北斗高精度監(jiān)測

在高精度監(jiān)測領(lǐng)域，載波相位是主要的衛(wèi)星量測信息，影響其直接解算的因素包括整周模糊度和固有的測距誤差，因此高精度監(jiān)測方法需要對這些因素進行削弱，以提高衛(wèi)星測量精度。

1.3.1 整周模糊度固定方法

由式（2）可知，不同衛(wèi)星的載波相位量測信息對應不同的整周模糊度N，會造成方程未知數(shù)增加、解算模型復雜化，為此，采用整周模糊度固定方法。常用的整周模糊度固定方法包括置信區(qū)間法、快速模糊度解算法及LAMBDA 法等[10-11]。

1.3.2 雙差載波相位模型

為了獲得毫米級的監(jiān)測結(jié)果，通常需要借助靜態(tài)基線解算技術(shù)消除載波相位中的各類誤差，靜態(tài)基線解算基本流程如圖2 所示。

圖2 基于雙差載波相位的基線解算流程

假設(shè)在某時刻，有衛(wèi)星i和衛(wèi)星j同時被北斗基準站A和北斗監(jiān)測站B捕獲跟蹤，對于衛(wèi)星i，載波相位模型為

其中，下標A、B分別表示基準站接收機A和監(jiān)測站接收機B相關(guān)變量，上標i表示與衛(wèi)星i相關(guān)的變量。

對于衛(wèi)星i，單差載波相位模型能夠有效消除衛(wèi)星鐘差、削弱電離層和對流層延遲。單差載波相位模型為

雙差則是在單差模型的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星i和衛(wèi)星j的單差觀測再次做星間差分，進一步消除了接收機鐘差，則雙差載波相位模型為

式（6）中，僅包含雙差幾何距離、雙差整周模糊度和殘余的雙差觀測噪聲，在獲得足夠數(shù)量的量測信息后，采用最小二乘法或卡爾曼濾波算法構(gòu)建解算方程，即可求解監(jiān)測對象的位置。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)。系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為監(jiān)測層、傳輸層、匯聚層、處理層和應用層。監(jiān)測層利用相關(guān)傳感器實時捕捉鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的原始觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合傳輸層上傳至匯聚層，匯聚層匯集了各類監(jiān)測設(shè)備的時空數(shù)據(jù)，提供存儲和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，處理層接收來自匯聚層的時空數(shù)據(jù)，經(jīng)過預處理、解碼、解算等環(huán)節(jié)，生成直觀的應用數(shù)據(jù)，提供給應用層的各類系統(tǒng)應用，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

可以由信息中心牽頭組織，通過舉辦講座、印發(fā)手冊及網(wǎng)絡(luò)宣傳等手段，對全校的師生進行網(wǎng)絡(luò)安全的教育，弘揚正能量，增強了師生的網(wǎng)絡(luò)安全意識，有助于他們養(yǎng)成良好的上網(wǎng)習慣，自覺主動地營造好的環(huán)境，可以在上網(wǎng)過程中，人為消除一些不必要的隱患。

圖3 基于北斗的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

（1）監(jiān)測層包括現(xiàn)場的監(jiān)測設(shè)備及軟件，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)采集和處理等功能?，F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備主要包括北斗基準站、北斗監(jiān)測站和輔助監(jiān)測設(shè)備，其中，北斗基準站能夠全天候、全天時連續(xù)實時采集多頻多星座信號，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的位置基準；北斗監(jiān)測站主要安裝于路基、邊坡、橋梁、鐵塔等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施重點位置，通過實時接收衛(wèi)星信號，獲得被監(jiān)測對象長期、連續(xù)的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)；輔助監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測現(xiàn)場對象，獲得更為可靠的監(jiān)測結(jié)果。

（2）傳輸層為基于北斗的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。通常包括4G 無線通信網(wǎng)絡(luò)（移動公網(wǎng)）、鐵路專用無線網(wǎng)絡(luò)和鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

（3）匯聚層匯集了各類監(jiān)測設(shè)備的時空數(shù)據(jù)，包含數(shù)據(jù)接口服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，為數(shù)據(jù)應用、分析和共享創(chuàng)造條件。

（4）處理層用于處理各類時空數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)解碼、質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)計算和預警分析模塊等，結(jié)合數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)封裝等技術(shù)，為數(shù)據(jù)應用提供支撐。

（5）應用層綜合匯聚各類封裝后的數(shù)據(jù)服務(wù)，為維護人員、管理人員提供北斗監(jiān)測應用服務(wù)。

2.2 接口設(shè)計

為實現(xiàn)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全天候監(jiān)測、解析、展示等功能，本文系統(tǒng)與多個外部系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口，交互數(shù)據(jù)。

（1）全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)：布設(shè)于現(xiàn)場的北斗監(jiān)測站能夠全天時、全天候接收來自多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的測距信息、導航電文、氣象數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照標準格式進行存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）鐵路北斗應用服務(wù)平臺：北斗監(jiān)測站將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)借F路北斗應用服務(wù)平臺，由平臺中的高精度解算模塊實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的校驗、處理和解算，接口采用TCP/IP 協(xié)議，支持2G/3G/4G 移動公網(wǎng)接口或鐵路移動通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口。

（3）鐵路地理信息平臺：鐵路地理信息平臺向本文系統(tǒng)提供高精度地理地圖服務(wù)，實現(xiàn)可視化展示功能，接口采用安全令牌傳輸協(xié)議（STTP，Secure Token Transfer Protocol）。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 首頁展示

首頁綜合展示了本文系統(tǒng)各項核心功能、統(tǒng)計信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用電子地圖可實現(xiàn)對各工點監(jiān)測設(shè)備的矢量展示和影像展示。在本文系統(tǒng)中可查看某工點的詳細信息，包括站段、天氣、設(shè)備分布等信息，點擊站點位置圖，可查看該工點所有設(shè)備的平面分布等。

2.3.2 設(shè)備管理

根據(jù)工程類型查看到用戶權(quán)限下能獲取的所有工點的設(shè)備數(shù)據(jù)，并可進行增加、編輯、修改和設(shè)置基準值等操作。

2.3.3 預警管理

本文系統(tǒng)通過前端監(jiān)測設(shè)備采集監(jiān)測站和基準站的時空數(shù)據(jù)，在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理層的解碼、計算等操作后得到監(jiān)測點位的沉降位移（路基沉降）、形變位移、速率、加速度等多個形變因子?；陬A警模型對形變量、位移量進行回歸擬合，對現(xiàn)階段沉降和形變發(fā)育階段做出判定，同時，對未來一段時間內(nèi)的形變做出預測預警，并利用位移圖進行展示。當被監(jiān)測的基礎(chǔ)設(shè)施處于危險階段時，則會進一步觸發(fā)自動預警機制，將預警信息和巡檢建議發(fā)送給相關(guān)人員。

2.3.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析模塊能夠?qū)⑦x定設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化展示，同時該模塊可記錄各監(jiān)測站的歷史形變因子、預警級別，輔助判別監(jiān)測點位的危險等級。

2.3.5 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心包含了所有監(jiān)測設(shè)備位移解算結(jié)果，能夠展示全部解算數(shù)據(jù)和詳細的預警數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行存儲，同時該模塊可提供位移結(jié)果驗算和監(jiān)測數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

2.3.6 系統(tǒng)管理

管理組織機構(gòu)、用戶權(quán)限、菜單及日志。

3 系統(tǒng)應用與分析

本文系統(tǒng)已在京張（北京—張家口）高速鐵路、京滬（北京—上海）高速鐵路、浩吉（浩勒報吉—吉安）鐵路成功應用。為驗證本文系統(tǒng)的功能，提取某鐵路沿線邊坡、隧道、大橋和鐵塔的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過本文系統(tǒng)對其進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)測對象的形變趨勢進行預警，滿足設(shè)計要求。

3.1 監(jiān)測效果

3.1.1 鐵路邊坡位移監(jiān)測

提取某鐵路沿線高路堤邊坡工點布設(shè)的10 套監(jiān)測設(shè)備和1 套基準站設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，利用本文系統(tǒng)的統(tǒng)計分析功能，可查看該邊坡工點近一年來各監(jiān)測點的位移量變化，如圖4 所示。

由圖4 可知，2021 年8 月起，該邊坡部分區(qū)域呈緩慢沉降趨勢，到2022 年4 月，部分區(qū)域最大監(jiān)測沉降達到了12 mm。

圖4 鐵路高路堤邊坡各監(jiān)測點位移量變化

3.1.2 隧道進口仰坡位移監(jiān)測

提取某鐵路沿線隧道仰坡工點布設(shè)的10 套監(jiān)測設(shè)備和1 套基準站設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，利用本文系統(tǒng)中的統(tǒng)計分析功能，可查看該隧道進口仰坡工點近一年來各監(jiān)測點的位移量變化情況及趨勢，如圖5所示。

圖5 鐵路隧道仰坡各監(jiān)測點位移量變化

由圖5 可知，該隧道仰坡平均沉降約3.4 mm，整體沉降不明顯，但10 處監(jiān)測點中，5 號和8 號監(jiān)測點分別發(fā)生了12 mm 及17 mm 的沉降，當沉降達到系統(tǒng)設(shè)置的閾值時將觸發(fā)預警功能，系統(tǒng)會自動生成警告信息發(fā)送給工務(wù)專業(yè)人員，同時，還將提供巡檢建議。

3.1.3 鐵路橋梁形變監(jiān)測

提取系統(tǒng)中某鐵路大橋工點布設(shè)的5 套監(jiān)測設(shè)備和1 套基準站設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，利用本文系統(tǒng)中的統(tǒng)計分析功能，可查看到該橋梁工點近一年來各監(jiān)測點的位移量變化，如圖6 所示。

由圖6 可知，該橋梁整體未監(jiān)測到明顯沉降趨勢，平均形變約1.2 mm。

圖6 鐵路橋梁各監(jiān)測點位移量變化

3.1.4 基站通信鐵塔傾斜監(jiān)測

鐵塔傾斜監(jiān)測可應用于鐵路沿線基站內(nèi)的鐵塔。分別在塔頂和塔身布設(shè)2 套監(jiān)測設(shè)備和1 套基準站設(shè)備，以一年的監(jiān)測時間為跨度，利用本文系統(tǒng)中的統(tǒng)計分析功能，可直觀展示該鐵塔塔頂和塔身監(jiān)測點的位移變化，如圖7 所示。

圖7 基站通信鐵塔各監(jiān)測點位移量變化

由圖7 可看出塔頂波動幅度明顯高于塔身，塔頂最大位移超過25 mm，若塔頂或塔身位移超過設(shè)定閾值或呈現(xiàn)傾斜趨勢，將觸發(fā)系統(tǒng)預警功能，系統(tǒng)將向電務(wù)專業(yè)人員發(fā)送警告信息。

3.2 趨勢分析

根據(jù)上述4 處典型鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測效果，能夠在“預警管理”中查看到本文系統(tǒng)對監(jiān)測對象的趨勢分析結(jié)果和巡檢建議，如表1 所示。

表1 監(jiān)測對象形變/位移趨勢及巡檢建議

與目前鐵路上常用的人工巡檢監(jiān)測、攝像機監(jiān)測不同，本文系統(tǒng)不受時間、氣候、環(huán)境的限制，能夠全天候監(jiān)測鐵路邊坡、路基、橋梁、鐵塔等對象，監(jiān)測精度能夠達到毫米級，并及時給出預警和巡檢意見，監(jiān)測效果優(yōu)于傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，有效減少了人力、物力投入，提高了監(jiān)測工作效率。

4 結(jié)束語

隨著我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)，鐵路自動化監(jiān)測與預警相關(guān)系統(tǒng)應用是輔助開展鐵路安全保障工作的新舉措。本文旨在將北斗定位技術(shù)及高精度監(jiān)測方法應用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測應用中，從而提高基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度和服務(wù)能力。本文詳細介紹了基于北斗定位技術(shù)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測原理和系統(tǒng)設(shè)計，并用實際數(shù)據(jù)驗證了系統(tǒng)毫米級的監(jiān)測能力。利用本文系統(tǒng)，能夠為鐵路工務(wù)、電務(wù)專業(yè)的日常檢修提供技術(shù)支持。