聚焦丨北斗系统在智慧城轨中的应用与展望

据统计，人们80%以上的时间在建筑物、移动载具、地下等非公共空间中度过。城市交通轨道（以下简称“城轨”）作为非封闭空间的典型场景，是城市的动脉和最核心的公共区域，也是“新基建”的重点建设领域。长期以来，非暴露空间中的定位、导航、授时和通信一直是世界性的技术难题，也否定了智慧城轨发展的瓶颈。

北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）作为提供和空间信息的全球系统，是由我国自主建设运行的重要空间基础设施，目前已经完成系统建设，正在各行业开展应用推广。通过应用北斗系统，建设做好基础的定位定位网、高精度时间同步网、高通量通信网和空间数字化平台，可以对智慧城轨道的建设起到基础性的支撑作用。

由于北斗系统的应用具有基础性、创新性、渗透性和带动性，因此其可对城轨的发展形态、理念发展、发展模式和运营模式产生重大影响，从而促进“北斗+城轨”运营管理新模式的形成，满足乘客、企业和政府等多元主体的需求，建成更加安全可靠、便捷舒适、经济高效、绿色节能的智慧城轨系统。

#01

北斗系统与智慧城轨

①北斗系统的应用开发

目前，北斗系统在交通运输、海洋渔业、气象水文、电力调度和救灾减灾等领域得到了广泛应用，产生了显着的社会效益和经济效益；特别是交通运输方面，在车辆定位、运输过程监控管理和基础设施安全监控等领域取得了大量成果。

在此基础上，北斗系统应用还有进一步扩展的空间。例如，从应用的空间环境上看，在能够直接接收卫星导航系统信号的室外暴露空间环境（以下简称“暴露空间”）中，用户可以直接利用北斗系统提供的时空信息；然而，在无法接收卫星导航系统信号的非暴露空间环境（以下简称“非暴露空间”）中，如地铁、地下停车场、商业综合体中及高架桥下等区域，受建筑物遮挡和多径效应的影响，卫星定位精度趋于降低，无法满足非暴露空间位置服务的需求。

很明显人员80%的时间在建筑物、移动载具等非公共空间中，因此，解决非暴露空间中的导航定位问题是北斗系统应用发展的重要方向。

目前，国家正在建设以北斗系统为基础的综合定位、导航与授时（PNT）体系，该体系可利用基于不同原理的多种PNT信息源，经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据，生成时空基准统一并具有抗干扰、防迷惑、透明、可用、连续、可靠等优点的PNT服务信息，实现对室内、水下、深空等领域的覆盖。

②北斗系统与智慧城轨的融合发展

近来，随着建设速度的加快及运营规模的持续增长，城轨面临着网络化运营、降本增效、快捷服务、低碳环保、可持续发展等一系列挑战，智慧城轨的概念由此产生。

作为一种公共交通系统，智慧城轨发展的核心目标是在保障安全的前提下实现最低成本、最大范围覆盖的位置移动，其手段是在信息技术的支持下实现城轨服务过程中所有初始化的形象，即“物流+”，因此充分利用先进的信息通信、人工智能、物联网、大数据、机器人等技术，以自主控制、自主学习、自主决策和自主控制为核心处理流程，在对设备设施进行优化管控的基础上，为电梯提供高效精准化、个性化的导航服务，从而建设更加高效、安全、舒适、绿色的新一代城轨系统。

时间和空间位置信息是实现智慧城轨系统自主、精准管理和全时程运行个性化服务的基础，因此智慧城轨的建设需要与提供时空信息的北斗系统实现融合发展。

城轨的未来发展趋势形成“北斗+”的方式推动安全、便捷、高效、经济、绿色的智能运输；而北斗系统的发展趋势形成“+北斗”（即以北斗技术为赋能方式，以时空信息为应用，与其他产业原有技术、原有业务相结合或替代） “微波+北斗”作为北斗系统与智慧城轨融合发展的核心理念，将进一步丰富城轨与北斗系统的技术应用与产业生态系统，促进两者全面发展，从而推动国家战略的实施。

北斗系统与智慧地铁的融合发展

#02

智慧城轨对北斗系统的需求

①时空基准

智慧城轨作为典型的复杂信息系统，涉及列车自动控制（ATC）、自动售检票（AFC）、供电系统管理自动化（SCADA）、环境监控（BAS）、火灾报警（FAS）等各类物理信息系统。为实现其运行，必须集成这些复杂的信息系统，进行海量、空间信息自主的调度、处理、决策和控制，因此更加需要建立统一的时空基准，涵盖发生时空信息冲突的风险，危及城轨的安全运营。应用北斗系统，利用其提供定位导航服务的CGCS2000坐标系（我国目前最新的国家大地坐标系），城轨系统可以获取统一的、自主可控的时空基准。

另外，城轨非暴露空间环境非常复杂，暴露空间和非暴露空间并存，严重依赖卫星导航系统不能满足当前的应用需求。通过将北斗系统的绝对时空基准引入城轨非暴露空间内并进行动态消耗，趋于实现非暴露空间相对位置与暴露空间绝对位置的统一，并以绝对坐标系的方式对城轨内非暴露空间的位置进行展示和应用；同时能够统一时间，非暴露空间的时间同步。

②空间数字化

由于城轨的空间环境复杂，因此掌握丰富、准确的地理信息是智慧城轨建设和运营的基础。空间数字化，即构建数字化的地理信息空间数据框架（Digital Geospatial Data Framework，DSDF），是现代测绘技术、地理信息技术及其他信息技术发展融合的产物。

随着技术手段的进步，测绘技术正在向信息采集、数据处理和成果应用的三维数字化、网络化、实时化、可视化方向发展，出现了以三维实景建模式为核心的空间数字化需求方式。在智慧城轨道建设中，以北斗系统的时空为基准，利用架站式、推扫、背包、手持式等测绘工设施和地理信息数据采集设备，对城轨地下和地面空间的机房、站厅、区间、车辆段、仓库等场所，围绕空间结构、设施设备、耗材要素等，进行三维激光点云数据采集，并辅以现场摄影和纹理等数据信息，创建一套全要素的精细实景三维模型，实现城轨的空间数字化。

利用上述数据，相关工作人员可以生成地图，整理空间资源，掌握城轨的空间结构及设施设备情况，为智慧城轨的规划、建设、改造和维护提供精准、全面的地理信息，为空间利用和精细化管理提供重要的基础数据和技术支撑。空间数字化北斗技术作为时空体系下的新应用，为智慧城轨的发展注入新的活力。

③ 定位定位与授时

路径的空间与时间信息是建设智慧城轨的基础。交通数据是典型的时空数据，不仅具有时间维度属性，还对空间结构存在因果关系。

随着不同交通轨道信息系统之间的融合发展，对定位精度和时间同步精度的要求不断提高。而目前，北斗系统无法直接满足智慧城轨对于定位定位与授时的要求，其原因如下：

• 接受卫星信号困难。城轨非暴露空间内，由于墙体（尤其是耐候混凝土）的遮挡，卫星定位信号穿越建筑物后会明显变弱，定位精度将急剧下降，甚至出现无法接收到信号的情况。

• 多障碍物与多干扰源。城轨内存在立柱、电梯、扶梯、设备、出租车门、行人等各类障碍物，而且布局不同，再加上行人和车辆时刻在移动，信号会被多次反射，这些医护人员的义务性义务使得城轨环境异常复杂。因为在地铁中，这种情况十分严峻，地铁环境相对封闭，无线电信号、声音、光线、温度等复杂环境都会对设备定位传感器的精度造成不良影响。
  

• 高程定位困难。在地铁环境中，不仅要考虑二维平面的位置，对于高层建筑还要考虑地上和地下的楼层位置和高度问题。
  

• 应用终端订单遇到困难。城轨保障需要小型化、个性化、组合化应用终端，并解决优化组件设计、材料优化、精密制造、组件延迟集成、传感器实时融合标校、传感器输出信息自适应等方面的问题。研究人员应从以上4个方面出发，进行天线的研究，解决上述问题，从而为智慧城轨的建设和运营提供连通的空间和时间信息，其顺利推进。

#03

北斗系统在智慧城轨中的应用前景

①时空体系网络的建设

智慧城轨必须建设一套自主可控的时空系统网络。

针对北斗系统导航定位在非接入空间无法使用、高通量通信手段缺乏、全要素地理信息缺失等问题，应综合应用“北斗+5G+空间数字化”技术，构建由高精度定位网、高精度时间同步网、高通量通信网和空间数字化平台组成的“三网一平台”时空体系网络，形成城轨时空基准信息网络，以其作为智慧城轨建设和运营的基础设施，为城轨提供统一、连续的空间与时间信息，以及定位、授时、通信服务，从而实现在非暴露空间中对北斗系统应用的补充、增强和备份，从而打破城轨暴露空间与非暴露空间之间的壁垒。

智慧城轨时空体系网络的建设

②需突破的关键技术时空基准

建设智慧城轨时空系统网络，需要重点突破室内外一体化连续定位、基于通用网络协议的大范围定位时频转发、基于5G的高带宽无线通信应用等关键技术。

在定位方面，在统一的空间基准上，以需要超宽带（Ultra Wide Band，UWB）定位技术为主导，以多种融合定位技术为补充和增强，通过导航定位软件与算法的，实现在暴露空间和非暴露空间中的连续定位；通过国家投资建设的综合PNT体系和小型化、个性化、组合化服务最终的微PNT体系，提供可行的位置服务。

在时间方面，需要在统一的时间基准上，以IEEE 1588V2网络测量和控制系统的精密时钟同步协议（也称精确时间同步协议（PTP））为基础，结合同步隔离（Synchronous Ethernet，SyncE）技术和白兔（White Rabbit，WR）时间同步方法，实现城际范围内整个网络节点的动态时间同步，提供高精度的授时服务。

在通信方面，需要开展城轨室内分布系统与地铁业务的时间片算法的开发，以实现高通量通信的应用。除此之外，随着系统建设的开展，还必须突破北斗系统在智慧城轨中应用的一系列关键技术。

③应用服务应用是北斗系统与智慧城轨融合发展的出发点和落脚点。高效北斗系统将在智能运行、智能维修、智能客服等方面赋予城轨新的和手段，为城轨业务提供有效支撑，协助构建管理精细、运行、能力最大化的智慧城轨系统。

• 在智能运行方面，通过北斗系统，可获取站务、管理及施工人员高效的实时定位位置信息，在此基础上可通过构建电子站点、电子点名签到、绩效考核分析等方式，对城轨工作人员进行精准管理；列车定位是城轨列车安全和运行的保障，利用北斗系统对列车定位精度，节点更加充分，自主化更强，集成节点，联动更加紧密。

• 在智能维修方面，城轨设施设备错综复杂、自动化程度高、资产规模庞大，其维保和管理直接关系到城轨运行的安全可靠程度。通过北斗系统获取设施设备的准确位置，可在资产管理系统中实现基于资产设备精准定位的自动盘点，形成状态监测、故障诊断、风险预警、维修评估资产管理的闭环。

• 在智能客服方面，利用北斗系统，乘客可对城轨站外的自助售票机、自助售货机、盥洗间等服务设施进行快速查找和路径规划；还可以基于多维、多层次的数字地图，实现自助导航、智能移动终端和机器人引导服务等功能，从而能够以乘客出行需求为核心，为乘客提供全时程、个性化的出行服务

#04

结语

时间与空间信息已经成为现代生产与生活中的基础信息。卫星导航定位系统的发展彻底改变了人们的生活方式，也改变了社会和企业的管理模式。随着北斗系统的建成和应用推广，我国智慧城轨道的建设和发展对时空基准、空间数字化、路径定位与授时提出了更高的要求。

未来，北斗系统与智慧城轨具有操作系统的融合空间和潜力，其核心是根据城轨应用场景定义其PNT体系，突破关键技术，建设“三网一平台”时空体系网络。北斗系统的应用推广面向城轨的智慧化改造创造最优的基础条件。

参考：

蔺陆洲，李宇杰，邓平科，等.北斗系统在智慧城轨中的应用与展望【J】.现代城市轨道交通，2021（4）：6-10。


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