北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高鐵四電施工中的應(yīng)用探討

張 平 寇宗乾

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司 北京 100043）

1 引言

《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》明確要求“推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用”，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通并服務(wù)全球，在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》《關(guān)于推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》指導(dǎo)下，推動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)北斗系統(tǒng)）行業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)北斗時(shí)空信息服務(wù)在鐵路、建筑行業(yè)深度覆蓋勢(shì)在必行。近年來(lái)，北斗系統(tǒng)已經(jīng)在鐵路行業(yè)的工務(wù)、電力線路、通信、安全預(yù)警、控制測(cè)量等方面獲得了一些成功的研究與應(yīng)用［1－3］，通過(guò)深入推進(jìn)北斗系統(tǒng)在鐵路行業(yè)應(yīng)用，打造新時(shí)代智慧鐵路，將大力促進(jìn)中國(guó)北斗和中國(guó)高鐵兩張“國(guó)家名片”的深度融合，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)自主科技創(chuàng)新，支撐行業(yè)安全健康發(fā)展，打破國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的先入為主的局面，對(duì)建立暢通、高效、安全、綠色的現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系具有十分重要的意義［4－6］。

2 北斗系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)

北斗系統(tǒng)是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，獨(dú)立自主建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，是國(guó)家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。北斗系統(tǒng)不僅在軍事上具有重要意義，而且在民生中的發(fā)展也起到不容忽視的作用。北斗系統(tǒng)提供服務(wù)以來(lái)，已在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象測(cè)報(bào)、通信授時(shí)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［7－10］。

北斗系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢(shì)更為明顯；二是北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度；三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備定位導(dǎo)航授時(shí)、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、短報(bào)文通信和國(guó)際搜救等多種服務(wù)能力。世界GNSS系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型見(jiàn)表1，北斗定位技術(shù)性能見(jiàn)表 2［11－12］。

表1 世界GNSS系統(tǒng)服務(wù)類(lèi)型

表2 北斗定位技術(shù)性能

目前被廣泛應(yīng)用的北斗衛(wèi)星定位技術(shù)包括第一代偽距單點(diǎn)定位、載波相位靜態(tài)定位、偽距差分定位技術(shù)，第二代的常規(guī)RTK、廣域差分定位技術(shù)，第三代的精密單點(diǎn)定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。第四代定位技術(shù)正在快速發(fā)展過(guò)程中，即PPP-RTK定位技術(shù)。

3 北斗系統(tǒng)在高鐵四電施工中的應(yīng)用場(chǎng)景分析

北斗系統(tǒng)可以提供高精度的時(shí)間及位置信息。在四電施工中，利用北斗系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四電工程的精準(zhǔn)測(cè)量與標(biāo)樁（見(jiàn)圖1），可服務(wù)于四電施工中的定位、選址及改遷等工作；同時(shí)可應(yīng)用北斗系統(tǒng)進(jìn)行電纜線路起點(diǎn)、重點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、電纜接頭及電纜井位置的標(biāo)定工作，方便后期運(yùn)行維護(hù)；另外，在四電施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)在人員、設(shè)備及車(chē)輛上佩戴、安裝和集成北斗定位系統(tǒng)，可以在施工過(guò)程中對(duì)人員、作業(yè)車(chē)輛、工器具等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位管理，并且可以利用北斗位置報(bào)告和集團(tuán)用戶服務(wù)模式，實(shí)時(shí)獲取人員、設(shè)備及車(chē)輛之間的位置、距離信息，對(duì)于車(chē)輛與車(chē)輛、人員與車(chē)輛的安全距離進(jìn)行預(yù)警防護(hù)，確保施工現(xiàn)場(chǎng)安全。

圖1 標(biāo)樁功能示意

4 北斗系統(tǒng)在四電施工中的應(yīng)用場(chǎng)景技術(shù)路線

4.1 信號(hào)專(zhuān)業(yè)

信號(hào)施工需進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)定測(cè)，采用北斗系統(tǒng)并搭建北斗精準(zhǔn)管理系統(tǒng)，從安全、質(zhì)量、效率和成本等方面優(yōu)化施工，提高施工效率及精確度。

（1）信號(hào)中繼站

新建線路信號(hào)中繼站現(xiàn)場(chǎng)定測(cè)。利用搭載北斗系統(tǒng)（厘米級(jí)精度）的設(shè)備對(duì)新建信號(hào)中繼站選址進(jìn)行定位，利用北斗電子地圖服務(wù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)定測(cè)工點(diǎn)的快速定位，通過(guò)航拍或手持等方式實(shí)現(xiàn)位置、環(huán)境、地貌等數(shù)據(jù)采集；對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)區(qū)間布點(diǎn)

信號(hào)區(qū)間布點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)定測(cè)，利用北斗＋BIM信號(hào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)間信號(hào)布點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行定位、測(cè)量、數(shù)據(jù)采集，采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后與BIM技術(shù)相結(jié)合，生成帶有區(qū)間布點(diǎn)的電子圖；檢驗(yàn)、核對(duì)區(qū)間布點(diǎn)的合理性，供施工階段使用。

4.2 通信專(zhuān)業(yè)

（1）新建無(wú)線通信基站定位

將北斗終端集成到無(wú)線通信基站，從而可利用北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位功能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信基站的精準(zhǔn)定位；同時(shí)利用無(wú)人機(jī)航攝或手持等方式采集無(wú)線通信基站的位置及其周邊環(huán)境、地貌信息，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后接入電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成帶有無(wú)線通信基站位置及其周邊環(huán)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(tǒng)的定位功能配合無(wú)人機(jī)、通信系統(tǒng)、航拍設(shè)備對(duì)全線受鐵路施工影響的通信線路進(jìn)行精準(zhǔn)定位、測(cè)量及無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)階段統(tǒng)計(jì)遷改工作量更加精準(zhǔn)，并可更加直觀地對(duì)高壓電力線路、通信線路進(jìn)行遷改方案設(shè)計(jì)，確保相關(guān)通信線路遷改工作的順利開(kāi)展。

4.3 電力專(zhuān)業(yè)

（1）電力現(xiàn)場(chǎng)施工選址定位

在現(xiàn)有高速鐵路電力施工中，可以利用北斗系統(tǒng)的定位功能對(duì)配電所、車(chē)站電源線路徑路、施工臨時(shí)用電電源線徑路、配電所位置及區(qū)間箱變位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)選線、選址時(shí)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(tǒng)的定位功能配合無(wú)人機(jī)、通信系統(tǒng)、航拍設(shè)備對(duì)全線受鐵路施工影響的高低壓電力線路進(jìn)行精準(zhǔn)定位、測(cè)量及無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，保證電力遷改數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，合理預(yù)估電力征拆投資，確保相關(guān)鐵路電力遷改的順利開(kāi)展。

4.4 變電專(zhuān)業(yè)

牽引變電所亭選址定位，利用北斗定位系統(tǒng)，對(duì)牽引變電所亭的所址四角定位、設(shè)備基礎(chǔ)架構(gòu)等的定位、測(cè)量與標(biāo)樁等?？衫煤脚幕蚴殖值确绞綄?shí)現(xiàn)位置、環(huán)境、地貌等數(shù)據(jù)采集；對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后接入加載的電子地圖，實(shí)現(xiàn)所址四角坐標(biāo)地理位置的快速精準(zhǔn)定位，并在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和定位，進(jìn)行桿位標(biāo)樁，也可以結(jié)合電子地圖進(jìn)行標(biāo)樁進(jìn)度顯示。因其基于統(tǒng)一地理坐標(biāo)，可避免人工測(cè)量產(chǎn)生的累計(jì)誤差。

4.5 接觸網(wǎng)專(zhuān)業(yè)

接觸網(wǎng)專(zhuān)業(yè)內(nèi)容包括牽引變電所亭至線路的供電線、線路上方架設(shè)的接觸網(wǎng)、附加導(dǎo)線，包含了基礎(chǔ)、支柱、支持定位裝置等。北斗系統(tǒng)在接觸網(wǎng)施工階段的應(yīng)用主要為定位標(biāo)樁。利用北斗終端，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)工程中支柱位置的測(cè)量與標(biāo)樁，并結(jié)合加載接觸網(wǎng)桿位信息的電子地圖，在施工或日常維護(hù)作業(yè)時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和定位，并進(jìn)行桿位標(biāo)樁，也可以結(jié)合電子地圖進(jìn)行標(biāo)樁進(jìn)度顯示。

通過(guò)構(gòu)建北斗衛(wèi)星定位、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的接觸網(wǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量、數(shù)字化機(jī)械施工和施工過(guò)程的智能化。聯(lián)合無(wú)人機(jī)技術(shù)加載接觸網(wǎng)智能施工裝備，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)施工作業(yè)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化處理，數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)BIM模型信息進(jìn)行對(duì)比，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的問(wèn)題，全面監(jiān)督施工過(guò)程。

4.6 四電專(zhuān)業(yè)施工通用場(chǎng)景

（1）施工作業(yè)北斗實(shí)時(shí)高精度定位管理系統(tǒng)

施工過(guò)程中對(duì)人員、作業(yè)車(chē)輛、工器具等的實(shí)時(shí)高精度定位管理：

①為工人佩戴標(biāo)簽或佩戴北斗定位安全帽的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的實(shí)時(shí)高精度定位（厘米級(jí)）、考勤管理、電子圍欄劃定、歷史軌跡查詢等功能；同時(shí)與生物識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合，利用北斗系統(tǒng)掌握人員在現(xiàn)場(chǎng)出勤情況，再輔以工程量的核算就可以對(duì)勞務(wù)支出、成本核算、生產(chǎn)效率進(jìn)行精確控制。在既有線施工中，利用北斗系統(tǒng)設(shè)立電子圍欄，就可以對(duì)人員活動(dòng)范圍進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)防止既有線施工中的越界行為，在工后離場(chǎng)前，可以監(jiān)控人員是否都已撤離，避免發(fā)生事故。

②對(duì)施工作業(yè)車(chē)輛進(jìn)行監(jiān)控管理?？稍谧鳂I(yè)車(chē)輛上加裝北斗定位模塊，通過(guò)后臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)車(chē)的地理位置、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行軌跡監(jiān)控管理，提高調(diào)度作業(yè)效率和安全管理水平。

③對(duì)施工工具進(jìn)行監(jiān)控管理。為確保安全，上道作業(yè)完成后需將相關(guān)工具全部帶離，可在工器具上加裝定位標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)上道工器具的管理。

工程結(jié)束后，北斗實(shí)時(shí)高精度定位管理系統(tǒng)依然可用于后期維護(hù)、人員巡檢、作業(yè)等方面，滿足建設(shè)、規(guī)劃、監(jiān)測(cè)、維護(hù)等多方面現(xiàn)代化、信息化的需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

（2）施工現(xiàn)場(chǎng)北斗安全預(yù)警系統(tǒng)

基于北斗位置報(bào)告的預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)北斗衛(wèi)星定位及軌道電路跟蹤作業(yè)車(chē)輛、施工作業(yè)人員的位置信息，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的車(chē)載終端、施工人員的手持終端與綜合預(yù)警防護(hù)平臺(tái)的信息交互，依據(jù)位置信息及運(yùn)行軌跡實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞的預(yù)警防護(hù)。對(duì)于車(chē)輛與車(chē)輛、人員與車(chē)輛的安全距離進(jìn)行預(yù)警防護(hù)，確保施工現(xiàn)場(chǎng)安全。

因現(xiàn)場(chǎng)施工存在一定的時(shí)間、區(qū)域限定，尤其是在多專(zhuān)業(yè)交叉作業(yè)、天窗點(diǎn)施工等情況下，一般會(huì)限定在某一區(qū)域、某一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行施工作業(yè)，因此可考慮通過(guò)北斗“電子圍欄”方式實(shí)現(xiàn)上道作業(yè)人員的作業(yè)門(mén)及作業(yè)邊界管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

北斗系統(tǒng)應(yīng)用于高鐵四電施工中，可有效控制施工質(zhì)量，改善施工管理水平，為實(shí)現(xiàn)高鐵四電數(shù)字化、智能化施工提供有力支撐和基礎(chǔ)保障。本文提出的北斗系統(tǒng)在高鐵四電中的應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)路線，可為后續(xù)北斗系統(tǒng)在高鐵四電施工中的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。