北斗系統(tǒng)在智慧城軌中的應(yīng)用與展望

藺陸洲，李宇杰，鄧平科，李 俊，楊 軍，4

（1. 全圖通位置網(wǎng)絡(luò)有限公司，北京 100176；2. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；3. 中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；4. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

時間與空間是國家的重要戰(zhàn)略資源，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)用為特征的智慧城軌建設(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[1]。城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）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”的重點建設(shè)領(lǐng)域。長期以來，非暴露空間中的定位、導(dǎo)航、授時和通信一直是世界性的技術(shù)難題，也是制約智慧城軌發(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)運行的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，目前已經(jīng)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，可以對智慧城軌的建設(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，因此其可對城軌的發(fā)展形態(tài)、發(fā)展理念、發(fā)展模式和運營模式產(chǎn)生重大影響，從而促進“北斗+城軌”運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)濟高效、綠色節(jié)能的智慧城軌系統(tǒng)。

2 北斗系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展

2.1 北斗系統(tǒng)的建設(shè)成就

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)運行的基礎(chǔ)。北斗系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。北斗系統(tǒng)按照“先區(qū)域、后全球，先有源、后無源”的建設(shè)思路，實施了“三步走”戰(zhàn)略：①2000年底，建成北斗一號系統(tǒng)，采用有源定位體制，向中國國內(nèi)用戶提供定位、測速、授時、廣域差分和短報文通信服務(wù)；②2012年底，建成北斗二號系統(tǒng)，增加無源定位體制，向亞太地區(qū)用戶提供服務(wù)；③2020年，建成北斗三號系統(tǒng)，向全球提供基本導(dǎo)航、星基增強、短報文通信、國際搜救、精密定位五大服務(wù)。在系統(tǒng)建設(shè)過程中，衛(wèi)星定軌組網(wǎng)、星載原子鐘、激光星間鏈路、新型信號體制等100余項關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)被突破[2]。北斗系統(tǒng)是我國迄今為止規(guī)模最大、覆蓋范圍最廣、服務(wù)性能要求最高、與百姓生活關(guān)聯(lián)最緊密的巨型復(fù)雜航天系統(tǒng)，也是我國第一個面向全球提供公共服務(wù)的重大空間基礎(chǔ)設(shè)施。它使國家掌握了自主可控的時間與空間基準，并極大地提升了國家的科技水平。

2.2 北斗系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展

目前，北斗系統(tǒng)在國防安全、交通運輸、海洋漁業(yè)、氣象水文、電力調(diào)度和救災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益；尤其在交通運輸方面，已大量應(yīng)用于車輛定位、運輸過程監(jiān)控管理和基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控等領(lǐng)域。

在此基礎(chǔ)上，北斗系統(tǒng)應(yīng)用還有進一步擴展的空間。例如，從應(yīng)用的空間環(huán)境上看，在能夠直接接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的室外暴露空間環(huán)境（以下簡稱“暴露空間”）中，用戶可以直接利用北斗系統(tǒng)提供的時空信息；然而，在不能接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的非暴露空間環(huán)境（以下簡稱“非暴露空間”）中，如地鐵、地下停車場、商業(yè)綜合體中及高架橋下等區(qū)域，受到建筑物遮擋和多徑效應(yīng)的影響，衛(wèi)星定位精度急劇降低，無法滿足非暴露空間位置服務(wù)的需要。由于人們80%的時間處于建筑物、移動載具等非暴露空間中，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。目前，國家正在建設(shè)以北斗系統(tǒng)為基礎(chǔ)的綜合定位、導(dǎo)航與授時（Positioning,?Navigation?and?Timing，PNT）體系，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)點的PNT服務(wù)信息[3]，實現(xiàn)對室內(nèi)、水下、深空等領(lǐng)域的覆蓋。

2.3 北斗系統(tǒng)與智慧城軌的融合發(fā)展

近年來，隨著建設(shè)速度的加快及運營里程的持續(xù)增長，城軌面臨著網(wǎng)絡(luò)化運營、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)，智慧城軌的概念由此產(chǎn)生。交通的實質(zhì)就是提供位移，即根據(jù)需要通過運輸工具實現(xiàn)人員和物資的位置移動。作為一種公共交通系統(tǒng)，智慧城軌發(fā)展的核心目標是在保障安全的前提下實現(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)的支持下實現(xiàn)城軌服務(wù)過程中所有環(huán)節(jié)的智能化，即“位移+”[4]，因此需要充分利用先進的信息通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器人等技術(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)施進行優(yōu)化管控的基礎(chǔ)上，為乘客提供高效精準、個性化的位移服務(wù)，從而建設(shè)更加安全、高效、舒適、綠色的新一代城軌系統(tǒng)[5]。時間和空間位置信息是實現(xiàn)智慧城軌系統(tǒng)自主運行、精準管理和全時程個性化服務(wù)的基礎(chǔ)，因此智慧城軌的建設(shè)需要與提供時空信息的北斗系統(tǒng)實現(xiàn)融合發(fā)展。

城軌的未來發(fā)展趨勢是以“位移+”的方式推動安全、便捷、經(jīng)濟、高效、綠色的智能運輸[6]；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)，以促進其轉(zhuǎn)型升級?！拔灰?北斗”作為北斗系統(tǒng)與智慧城軌融合發(fā)展的核心理念，將進一步豐富城軌與北斗系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，促進兩者全面發(fā)展，從而推進國家戰(zhàn)略的實施（圖1）。

3 智慧城軌對北斗系統(tǒng)的需求

3.1 時空基準

智慧城軌作為典型的復(fù)雜信息物理系統(tǒng)，涉及列車自動控制（ATC）、自動售檢票（AFC）、供電系統(tǒng)管理自動化（SCADA）、環(huán)境監(jiān)控（BAS）、火災(zāi)報警（FAS）等種類繁多的信息系統(tǒng)。為實現(xiàn)其自主運行，必須集成這些復(fù)雜的信息系統(tǒng)，進行海量時間、空間信息的感知、處理、決策和控制[7]，因此更加需要建立統(tǒng)一的時空基準，以避免發(fā)生時空信息沖突的風險，危及城軌的安全運營。應(yīng)用北斗系統(tǒng)，利用其提供定位導(dǎo)航服務(wù)的CGCS2000坐標系（我國目前最新的國家大地坐標系），城軌系統(tǒng)可以獲取統(tǒng)一的、自主可控的時空基準[8]。

此外，城軌所處的空間環(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)不能滿足當前的應(yīng)用需求。通過將北斗系統(tǒng)的絕對時空基準引入城軌非暴露空間內(nèi)并進行動態(tài)維持，一方面可以實現(xiàn)非暴露空間相對位置與暴露空間絕對位置的統(tǒng)一，并以絕對坐標系的方式對城軌內(nèi)非暴露空間的位置進行展示和應(yīng)用；另一方面能夠統(tǒng)一時間，實現(xiàn)非暴露空間內(nèi)的時間同步。

3.2 空間數(shù)字化

圖1 北斗系統(tǒng)與智慧地鐵的融合發(fā)展

由于城軌的空間環(huán)境復(fù)雜，因此掌握豐富、準確的地理信息是智慧城軌建設(shè)和運營的基礎(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（Digital?Geospatial?Data?Framework，DSDF），是測繪技術(shù)、地理信息技術(shù)及其他現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。隨著技術(shù)手段的進步，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、實時化、可視化方向發(fā)展，出現(xiàn)了以三維實景建模為核心的空間數(shù)字化應(yīng)用需求[9]。在智慧城軌建設(shè)中，需要基于北斗系統(tǒng)的時空基準，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，對城軌地下和地上空間的機房、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，進行三維激光點云數(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實景三維模型，以實現(xiàn)城軌的空間數(shù)字化。利用上述數(shù)據(jù)，相關(guān)工作人員可以生成高精度地圖，梳理空間資源，掌握城軌的空間結(jié)構(gòu)及設(shè)施設(shè)備情況，為智慧城軌的規(guī)劃、建設(shè)、改造和維護提供精確、全面的地理信息，為空間的利用和精細化管理提供重要的基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。空間數(shù)字化作為北斗技術(shù)在時空體系下的新場景應(yīng)用，為智慧城軌的發(fā)展注入了新的活力。

3.3 高精度定位與授時

高精度的空間與時間信息是建設(shè)智慧城軌的基礎(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)有著較強的依賴性[10]。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。而目前，北斗系統(tǒng)無法直接滿足智慧城軌對于高精度定位與授時的要求，其原因如下。

（1）接受衛(wèi)星信號困難。城軌非暴露空間內(nèi)，由于墻體（尤其是鋼筋混凝土）的遮蔽，衛(wèi)星定位信號穿過建筑物后會明顯變?nèi)酰ㄎ痪葘⒋蠓档?，甚至出現(xiàn)無法接收到信號的情況。

（2）多障礙物與多干擾源。城軌內(nèi)存在立柱、電梯、扶梯、設(shè)備、屏蔽門、行人等各類障礙物，而且布局不同，加上行人和車輛時刻在移動，信號會被多次反射，這些眾多的不確定性干擾使得城軌環(huán)境異常復(fù)雜。在地鐵中，這種情況尤為突出，因為地鐵環(huán)境相對封閉，無線電信號、聲音、光線、溫度等復(fù)雜環(huán)境干擾都會對定位設(shè)備傳感器的精度造成不良影響。

（3）高程定位困難。在地鐵環(huán)境中，不僅要考慮二維平面的位置，對于多層建筑物還要考慮地上和地下的樓層位置和高度問題[7]。

（4）應(yīng)用終端研制困難。城軌需要小型化、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、傳感器實時標校、傳感器輸出信息自適應(yīng)融合等方面的問題[11]。

研究人員應(yīng)從以上4個方面出發(fā)，進行有針對性的研究，解決上述問題，從而為智慧城軌的建設(shè)和運營提供高精度的空間與時間信息，保障其順利推進。

4 北斗系統(tǒng)在智慧城軌中的應(yīng)用展望

4.1 時空體系網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

智慧城軌必須建設(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)，形成城軌時空基準信息網(wǎng)絡(luò)，并將其作為智慧城軌建設(shè)和運營的基礎(chǔ)設(shè)施（圖2），為城軌提供統(tǒng)一、連續(xù)的空間與時間信息，以及定位、授時、通信服務(wù)，從而實現(xiàn)在非暴露空間中對北斗系統(tǒng)應(yīng)用的補充、增強和備份，從而打破城軌暴露空間與非暴露空間之間的壁壘。

4.2 需突破的關(guān)鍵技術(shù)

建設(shè)智慧城軌時空體系網(wǎng)絡(luò)，需要重點突破室內(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)一的空間基準上，以超寬帶（Ultra?Wide?Band，UWB）定位技術(shù)為主導(dǎo)，以多種定位技術(shù)為補充和增強，通過導(dǎo)航定位軟件與算法的融合，實現(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)[12]。在時間方面，需要在統(tǒng)一的時間基準上，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（也稱為精確時間同步協(xié)議（PTP））為基礎(chǔ)，結(jié)合同步以太網(wǎng)（Synchronous?Ethernet，SyncE）技術(shù)和白兔（White?Rabbit，WR）時間同步方法，實現(xiàn)城際范圍內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)時間同步，以提供高精度的授時服務(wù)。在通信方面，需要開展城軌室內(nèi)分布系統(tǒng)與面向地鐵業(yè)務(wù)的時間切片算法的開發(fā)，以實現(xiàn)高通量通信的應(yīng)用。除此之外，隨著系統(tǒng)建設(shè)的開展，還必須突破北斗系統(tǒng)在智慧城軌中應(yīng)用的一系列關(guān)鍵技術(shù)。

4.3 應(yīng)用服務(wù)

應(yīng)用是北斗系統(tǒng)與智慧城軌融合發(fā)展的出發(fā)點和落腳點。北斗系統(tǒng)將在智能運行、智能維修、智能客服等方面賦予城軌新的能力和手段，為城軌業(yè)務(wù)提供有效支撐，協(xié)助構(gòu)建管理精細、運行高效、效益最大化的智慧城軌系統(tǒng)。

（1）在智能運行方面，通過北斗系統(tǒng)，可獲取站務(wù)、管理及施工人員的實時高精度位置信息，在此基礎(chǔ)上可通過構(gòu)建電子圍欄、電子點名簽到、績效考核分析等方式，對城軌工作人員進行精準管理；列車定位是城軌列車安全和高效運行的保障，利用北斗系統(tǒng)可使列車定位精度更高，冗余更充分，自主化更強，集成更深，聯(lián)動更高效[13]。

（2）在智能維修方面，城軌的設(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)系到城軌運行的安全可靠程度[14]。通過北斗系統(tǒng)獲取設(shè)施設(shè)備的準確位置，可在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中實現(xiàn)對資產(chǎn)設(shè)備基于精準位置的自動盤點，打造狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、風險預(yù)警、維修評價和資產(chǎn)管理的閉環(huán)鏈條。

（3）在智能客服方面，利用北斗系統(tǒng)，乘客可對城軌站內(nèi)外的自助售票機、自助售貨機、洗手間等服務(wù)設(shè)施進行快速查找和路徑規(guī)劃；還可以基于多維、多層次的數(shù)字地圖，實現(xiàn)自助導(dǎo)航、智能移動終端與機器人引導(dǎo)服務(wù)等功能[15]，從而能夠以乘客出行需求為核心，為乘客提供全時程、個性化的出行服務(wù)。

圖2 智慧城軌時空體系網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

5 結(jié)語

時間與空間信息已經(jīng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)與生活中的基礎(chǔ)信息。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展徹底改變了人們的生活方式，也改變了社會和企業(yè)的管理模式。隨著北斗系統(tǒng)的建成與應(yīng)用推廣，我國智慧城軌的建設(shè)與發(fā)展對時空基準、空間數(shù)字化、高精度定位與授時提出了更高的要求。未來，北斗系統(tǒng)與智慧城軌具有廣闊的融合空間和潛力，其核心是根據(jù)城軌應(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)用推廣將為城軌的智慧化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造最優(yōu)的基礎(chǔ)條件。