重點 | 北斗系統在智慧城市軌道運輸的應用與前景

根據統計，80%以上的人時間主要花在建築物、移動車輛和地下等非暴露空間。Urban rail transit (hereinafter referred to as "urban rail"), as a typical scenario of non-exposed space, is the artery of the city and the core public area, and is also a key construction area of ​​"new infrastructure".長期以來，非暴露空間中的定位、導航、計時和通訊一直是全球性的技術難題和瓶頸，限制了智慧城市軌道交通的發展。

北斗衛星導航系統（以下簡稱「北斗系統」）作為提供全球時空資訊的系統，是我國自主建設運作的重要太空基礎設施。該系統建設已完成，並在各行業中得到應用和推廣。透過應用北斗系統，並在此基礎上建構高精度定位網路、高精度時間同步網路、高吞吐量通訊網路和空間數位平台，可以為智慧城市軌道交通建設發揮基礎性支撐作用。

由於北斗系統的應用具有根本性、創新性、滲透性和驅動性，因此能夠對城市軌道交通的發展形態、發展理念、發展模式和運營模式產生重大影響，從而促進城市軌道交通的發展。"Beidou + Urban Rail" new operation and management model該城市的建設將滿足乘客、企業和政府等不同主體的各種需求，並建構一個更安全、更可靠、更便利、更舒適、更經濟、更綠色、更節能的智慧城市軌道運輸系統。

#01

北斗系統與智慧城市軌道交通

①北斗系統的應用與發展

目前，北斗系統已廣泛應用於交通運輸、海洋漁業、氣像水文、電力調度、災害救援減災等領域，並產生了顯著的社會經濟效益；尤其是在交通運輸領域，已廣泛應用於車輛定位、運輸過程監控管理、基礎設施安全監控等方面。

在此基礎上，北斗系統的應用仍有進一步拓展的空間。例如，從應用空間環境的角度來看，在可以直接接收衛星導航系統訊號的室外暴露空間環境（以下簡稱「暴露空間」）中，使用者可以直接利用北斗系統提供的時空資訊；然而，In non-exposed space environments where satellite navigation system signals cannot be received（以下簡稱「非暴露空間」），例如地鐵、地下停車場、商業綜合體和高架橋下，會受到建築物遮蔽和多路徑效應的影響，衛星定位精度大幅降低，無法滿足非暴露空間定位服務的需求。

因為人們80%的時間都待在非暴露空間，例如建築物和移動車輛中。,therefore,解決非暴露空間中的導航定位問題是北斗系統應用發展的重要方向。。

目前，我國正在建造基於北斗系統的綜合定位、導航和授時（PNT）系統。該系統能夠利用基於不同原理的多種PNT資訊來源，透過雲端平台控制、多感測器和多源資料高度融合，產生具有統一時空基準的PNT服務訊息，並具備抗干擾、抗欺騙、魯棒性強、易用性高、連續性和可靠性等優點，可覆蓋室內、水下、深空等領域。

②北斗系統與智慧城市軌道運輸整合發展

近年來，隨著城市軌道交通建設的加速推進和運營里程的不斷增長，城市軌道交通面臨著網絡化運營、成本降低和效率提升、快速服務、低碳環保以及可持續發展等一系列挑戰，由此催生了智慧城市軌道交通的概念。

交通運輸的本質在於提供位移服務，即根據需要透過交通工具實現人員和物資的定位移動。作為公共交通系統，智慧城市軌道交通發展的核心目標是在確保安全的前提下，以最低的成本實現最大程度的覆蓋，從而提供最便捷的位移服務。其方法是在資訊科技的支持下，實現城市軌道運輸服務流程中所有環節的智慧化，即「位移+」。因此，需要充分利用先進的資訊通訊、人工智慧、物聯網、大數據、機器人等技術，以自主感知、自主學習、自主決策和自主控制為核心處理流程，在優化設備和設施管理控制的基礎上，為乘客提供高效、精準、個人化的位移服務，從而建立更安全、更有效率、更舒適、更環保的新一代城市軌道交通系統。

時間和空間位置資訊是實現智慧城市軌道運輸系統自主運作、精準管理和全天候個人化服務的基礎。因此，智慧城市軌道運輸建設需要與提供時空資訊的北斗系統實現一體化發展。

城市軌道運輸的未來發展趨勢是以「置換+」的方式推動安全、便利、經濟、高效、綠色智慧交通；而北斗系統的發展趨勢是以「+北斗」的方式賦能軌道交通產業（即以北斗技術為賦能手段，以時空資訊為應用方式，結合其他產業的原有技術和原有業務，或替代傳統升級方案），或替代傳統其產業升級。 「置換+北斗」作為北斗系統與智慧城市軌道交通融合發展的核心理念，將進一步豐富城市軌道運輸與北斗系統的技術應用及產業生態系統，促進二者的全面發展，從而助力國家戰略的落實。

北斗系統與智慧地鐵整合開發

#02

智慧城市軌道運輸對北斗系統的需求

①時空基準

作為典型的複雜網路物理系統，智慧城市軌道交通涉及多種資訊系統，例如列車自動控制系統（ATC）、自動收費系統（AFC）、電力系統管理自動化系統（SCADA）、環境監測系統（BAS）和火災警報系統（FAS）。為了實現自主運行，這些複雜的資訊系統必須進行集成，以感知、處理、決策和控制海量的時空資訊。因此，建立統一的時空基準，避免時空資訊衝突，並保障城市軌道運輸的安全運行，顯得格外重要。By applying the Beidou system and its CGCS2000 coordinate system (the latest national geodetic coordinate system in my country) that provides positioning and navigation services, the urban rail system can obtain a unified, autonomous and controllable spatio-temporal reference.

此外，都市軌道交通所處的空間環境十分複雜，暴露空間與非暴露空間並存。僅依靠衛星導航系統無法滿足目前的應用需求。透過將北斗系統的絕對時空參考引入城市軌道交通的非暴露空間並進行動態維護，一方面可以統一非暴露空間的相對位置和暴露空間的絕對位置，以絕對坐標系的形式在城市軌道交通中顯示和應用非暴露空間的位置；另一方面可以統一時間，實現非暴露空間的時間同步。

②空間數位化

由於城市軌道交通的空間環境複雜，掌握豐富、準確的地理資訊是智慧城市軌道交通建設與運作的基礎。空間數位化，即城市軌道交通空間環境的數位化，是實現智慧城市軌道交通建設與運作的關鍵。建構數位化的地理資訊空間資料框架（Digital Geospatial Data Framework，DSDF）是測繪技術、地理資訊科技和其他現代資訊科技發展和融合的產物。

隨著技術手段的進步，測繪技術正朝著資訊收集、資料處理和結果應用的三維數位化、網路化、即時化和視覺化方向發展。以三維實景建模為核心的空間數位化應用需求日益增長。在智慧城市軌道交通建設中，需要利用北斗系統的時空基準，採用站載式、推掃式、背包式、手持式等測繪工具和地理資訊資料收集設備，對城市軌道交通地下和地上空間的機房、站廳、區段、車輛段、倉庫等進行測繪。在其他區域，則需採集空間結構、設備設施、耗材等要素周圍的三維激光點雲數據，並輔以現場照片、紋理等數據信息，構建包含所有要素的精細實景三維模型，從而實現城市軌道交通的空間數字化。

利用上述數據，相關人員可以產生高精度地圖，梳理空間資源，掌握城市軌道交通的空間結構和設施設備，為智慧城市軌道交通的規劃、建設、改造和維護提供準確全面的地理信息，並為空間利用和精細化管理提供重要的基礎信息和技術支持。作為北斗技術在時空系統中應用的新場景，空間數位化為智慧城市軌道交通的發展注入了新的活力。

③高精度定位與定時

高精度的時空資訊是建構智慧城市軌道運輸的基礎。交通數據是一種典型的時空數據，它不僅具有時間維度屬性，而且對空間結構具有強烈的依賴性。

隨著不同軌道運輸資訊系統的整合與發展，對定位精度與時間同步精度的要求不斷提高。目前，北斗系統尚無法直接滿足智慧城市軌道運輸對高精度定位和授時的要求。原因如下：

• 接收衛星訊號困難。在城市軌道交通的非暴露空間中，由於牆壁（特別是鋼筋混凝土）的屏蔽作用，衛星定位訊號穿過建築物後會明顯減弱，定位精度會大大降低，甚至可能無法接收訊號。

• 多重障礙物和乾擾源。城市軌道交通中存在多種障礙物，例如立柱、電梯、自動扶梯、設備、屏蔽門和行人等，且佈局各異。此外，行人和車輛時刻都在移動，訊號會被多次反射。這些諸多不確定因素使得城市軌道運輸環境極為複雜。這種情況在地鐵中尤其突出，因為地鐵環境相對封閉，無線電訊號、聲音、光線和溫度等複雜的環境幹擾都會對定位設備感測器的精確度產生負面影響。
  

• 高度定位很困難。在地鐵環境中，不僅要考慮二維平面的位置，還要考慮多層建築地上和地下樓層的位置和高度。
  

• 應用終端開發難度高。城市軌道交通需要小型化、個人化和整合應用終端，並需要解決組件最佳化設計、材料選擇、精密製造、深度組件整合、即時感測器標定以及感測器輸出資訊自適應融合等問題。研究人員應從以上四個方面入手，進行針對性研究，解決上述問題，從而為智慧城市軌道交通的建設和運營提供高精度的時空信息，確保其順利推進。

#03

北斗系統在智慧城市軌道運輸的應用前景

①時空系統網路的建構

智慧城市軌道運輸必須建構自主可控的時空系統網路。

鑑於北斗系統在非暴露空間導航定位能力不足、缺乏高吞吐量通訊手段、缺乏全要素地理資訊等問題，應綜合應用「北斗+5G+空間數位化」技術，建構由高精度定位網絡、高精度時間同步網絡、高吞吐量通訊網路與空間數位平台組成的「三網一平台」時空系統網絡，形成城市軌道交通時空參考資訊網絡，並將其作為智慧城市軌道交通建設和運營的基礎設施，為城市軌道交通提供統一、連續的時空信息以及定位、授時和通信服務，從而補充、增強和支持北斗系統在非暴露空間的應用，打破城市軌道交通暴露空間與非暴露空間之間的壁壘。

智慧城市軌道運輸時空系統網路建設

②Key technology space-time benchmarks that need to be broken through

要建構智慧城市軌道交通時空系統網絡，必須專注於室內外一體化高精度連續定位、基於通用網路協定的大規模高精度時頻傳輸、基於 5G 的高吞吐量無線通訊應用等關鍵技術的突破。

在定位方面，需要以超寬頻（UWB）定位技術為主導定位技術，在統一的空間基準上進行定位，並輔以多種定位技術，透過導航定位軟體和演算法的集成，實現暴露空間和非暴露空間的連續定位；透過國家投資建設的綜合PNT系統和小型化、個性化、組合式服務終端開發的微型PNT系統，可以提供高精度定位系統，終端可以提供高精度定位服務。

在時間方面，需要基於 IEEE 1588V2 網路測量和控制系統的精密時鐘同步協定（也稱為精密時間同步協定 (PTP)），結合同步乙太網路 (SyncE) 技術和白兔 (WR) 時間同步方法，在統一的時間基礎上實現城際範圍內整個網路節點的動態時間同步，從而提供高精度授時服務。

在通訊方面，需要開發城市軌道交通室內分發系統和地鐵服務時分複用演算法，以實現高吞吐量通訊的應用。此外，隨著系統建設的推進，還需要突破北斗系統在智慧城市軌道運輸中應用的一系列關鍵技術。

③應用服務應用是北斗系統與智慧城市軌道運輸整合發展的起點與目標。北斗系統將賦予城市軌道交通智慧營運、智慧維護和智慧客戶服務等方面的新能力和手段，為城市軌道運輸業務提供有效支撐，協助建構管理精細化、營運高效、效益最大化的智慧城市軌道運輸系統。

• 在智慧化運作方面，透過北斗系統，可以即時取得車站、管理人員和施工人員的高精度位置資訊。在此基礎上，可以透過建造電子圍籬、電子點名簽到、績效考核分析等方式，對城市軌道運輸工作人員進行精準管理。列車定位是城市軌道交通安全高效運行的保障。北斗系統的應用，能夠使列車定位更加精準、冗餘、自主、深度集成，連動效率更高。

• In terms of intelligent maintenance, urban rail facilities and equipment are complex, highly automated, and have large asset scales. Their maintenance and management are directly related to the safety and reliability of urban rail operations. Obtaining the accurate location of facilities and equipment through the Beidou system can realize automatic inventory of assets and equipment based on precise location in the asset management system, creating a closed-loop chain of condition monitoring, fault diagnosis, risk warning, maintenance evaluation and asset management.

• In terms of intelligent customer service, using the Beidou system, passengers can quickly search and plan routes for self-service ticket machines, self-service vending machines, restrooms and other service facilities inside and outside urban rail stations; they can also implement functions such as self-service navigation, intelligent mobile terminals and robot guidance services based on multi-dimensional and multi-layered digital maps, thus being able to provide passengers with full-time, personalized travel services based on passenger travel needs.

#04

結語

時空資訊已成為現代生產生活的基礎資訊。衛星導航定位系統的發展徹底改變了人們的生活方式，也改變了社會和企業的管理模式。隨著北斗系統的建成與應用推廣，我國智慧城市軌道運輸的建設發展對時空基準、空間數位化、高精度定位和授時提出了更高的要求。

未來，北斗系統與智慧城市軌道運輸具有廣闊的融合空間與潛力。其核心在於基於城市軌道交通應用場景定義其定位、導航和授時（PNT）系統，突破關鍵技術，建構「三網一平台」的時空系統網路。北斗系統的應用和推廣將為城市軌道運輸的智慧轉型創造最佳基礎條件。

參考文獻：

林祿洲，李玉傑，鄧平科，等. 北斗系統在智慧城市軌道交通中的應用及展望[J]. 現代城市軌道交通，2021（4）：6-10。


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