軌道交通的時空技術(shù)變革

李中浩

(中國城市軌道交通協(xié)會專家和學術(shù)委員會副主任，原鐵道部信息技術(shù)中心主任)

2022年3月17日，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項——北斗鐵路行業(yè)綜合應用示范工程歷時2年，順利通過國家驗收。2022年3月20日，國家重點研發(fā)技術(shù)——地鐵北斗定位系統(tǒng)首都機場線示范應用研究項目舉行了啟動儀式，我國首個地鐵北斗定位系統(tǒng)在北京地鐵首都機場線開工建設，這是我國目前規(guī)模最大的室內(nèi)空間導航定位系統(tǒng)，預計今年年內(nèi)建成。高鐵應用北斗技術(shù)項目通過驗收、地鐵應用北斗技術(shù)項目開工建設，預示我國軌道交通技術(shù)將由于“北斗+5G”等時空技術(shù)的賦能而面臨變革。

國鐵集團依托國家發(fā)展和改革委員會工程項目，形成了鐵路北斗應用服務平臺，面向鐵路勘察設計、施工及運維三大階段，在鐵路工程測量、自動化監(jiān)測系統(tǒng)、智慧工地系統(tǒng)、位置感知預警防護系統(tǒng)、鐵路工務巡檢、軌道測量及平順性檢測、“一帶一路”中歐班列集裝箱定位跟蹤、高分遙感地質(zhì)調(diào)查、高鐵列車控制系統(tǒng)等9大鐵路業(yè)務版塊進行了示范應用，將北斗三號高精度定位和北斗短報文通信技術(shù)應用于鐵路列車接近預警應用場景。示范工程同步完成了71項北斗知識產(chǎn)權(quán)布局和專利預警，編制了4項企業(yè)標準性技術(shù)文件，有力促進了中國北斗和中國高鐵兩張“國家名片”的深度融合。

時間標準與空間定位信息已成為以萬物互聯(lián)、人工智能和大數(shù)據(jù)應用為特征的智慧城軌建設的基礎。上述鐵路北斗應用主要用于暴露空間。長期以來，非暴露空間中的定位、導航、授時和通信一直被認為是世界級技術(shù)難題，它已成為制約智慧城軌應用北斗技術(shù)的瓶頸。建設以北斗為基礎的高精度定位網(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起到基礎性的支撐作用。

地鐵北斗定位系統(tǒng)是國家重點研發(fā)計劃——超大城市軌道交通系統(tǒng)高效運輸與安全服務關鍵技術(shù)項目的重要配套示范工程，基于北斗智慧定位導航系統(tǒng)，可應用于實景導覽、檢修定位、輔助施工、高效調(diào)度等地鐵場景。北京地鐵首都機場線示范工程覆蓋30 km運行線路和5座車站，部署完成后，可使地鐵車站地下空間定位精度提高至優(yōu)于2 m，實現(xiàn)全景地圖導覽及高精度定位導航。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完善，到2025年全球空間定位精度將提升到厘米級別。綜合應用“北斗+5G+云平臺”等技術(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)和城軌云平臺組成的時空體系網(wǎng)絡，打破城軌暴露空間與非暴露空間之間的壁壘，形成城軌時空基準信息網(wǎng)絡，并將其作為智慧城軌建設和運營的基礎設施，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。

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，還對空間維度有著較強的依賴性。隨著不同軌道交通信息系統(tǒng)之間的融合發(fā)展，高精度的空間定位與時間標準信息顯得更為重要。目前，我國正在建設以北斗系統(tǒng)為基礎的綜合定位、導航與授時(Positioning, Navigation and Timing，簡稱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，生成統(tǒng)一的時空基準并實現(xiàn)對室內(nèi)、水下、深度空間等領域的覆蓋。

城市軌道交通每年有近200億位乘客，在地鐵里乘客利用手機上網(wǎng)的需求強烈，城市軌道交通引入5G公網(wǎng)有天生優(yōu)勢。城軌的5G專業(yè)應用可以通過5G公網(wǎng)的廣域切片，通過QoS(Quality of Service,即服務質(zhì)量)、網(wǎng)絡切片等手段實現(xiàn)業(yè)務邏輯隔離，滿足對特定網(wǎng)絡速率、時延及可靠性的優(yōu)先保障需求，并按需靈活配置。 也可通過局域切片，利用邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量卸載、本地業(yè)務處理，滿足數(shù)據(jù)不出場、超低時延等業(yè)務需求，為客戶提供專屬網(wǎng)絡服務。

隨著軌道交通智慧化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化發(fā)展，構(gòu)建具有高精度定位網(wǎng)、高精度時間同步網(wǎng)的5G公專網(wǎng)絡和LTE-M(Long Term Evolution for Metro,這里指技術(shù)上可長期演進的、服務于城市軌道交通的車地通信系統(tǒng))網(wǎng)絡；應用“北斗+5G”等時空技術(shù)助力旅客服務質(zhì)量提升、智慧車站建設、智能裝備換代、智能運維推廣的軌道交通網(wǎng)絡化運營新時代即將到來。