中國鐵道科學研究院電子所鐵路北斗應(yīng)用研發(fā)中心
封博卿 劉默涵 劉陽學賓元岑
一、背景
國家戰(zhàn)略方面，國家對時空信息產(chǎn)業(yè)高度重視，先后在“一帶一路”、《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》、“十四五”規(guī)劃、《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》等國家政策及發(fā)展規(guī)劃相關(guān)文件中明確提及北斗、地理信息技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展方向及發(fā)展要求，為時空信息技術(shù)的研究工作開展提供了政策支持。
國鐵集團十四五網(wǎng)信規(guī)劃，明確了智能鐵路信息化的發(fā)展目標、發(fā)展方向，明確了要構(gòu)建大數(shù)據(jù)與人工智能平臺，以北斗、GIS遙感監(jiān)測作為智能感知層，以智能決策、數(shù)據(jù)融合作為智能建造中智能高鐵大腦平臺的核心組成部分，時空信息技術(shù)服務(wù)在鐵路戰(zhàn)略決策、建設(shè)管理、資產(chǎn)管理、運輸生產(chǎn)、經(jīng)營開發(fā)等方面發(fā)揮著越來與重要的作用。
二、鐵路時空信息服務(wù)平臺
鐵路北斗應(yīng)用研發(fā)中心為推進高速泛在、天地一體、云網(wǎng)融合、智能敏捷、綠色低碳、安全可控的智能化綜合性鐵路信息基礎(chǔ)設(shè)施建成，鐵路各業(yè)務(wù)領(lǐng)域信息系統(tǒng)標準規(guī)范化，打造了“鐵路時空信息服務(wù)平臺”。
鐵路時空信息服務(wù)平臺通過整合鐵路時空信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建鐵路專業(yè)地理信息數(shù)據(jù)庫，利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)提供高精度位置服務(wù)、授時服務(wù)及短報文通信服務(wù)，將“何時、何地、何種關(guān)系”串聯(lián)，形成行業(yè)級共性基礎(chǔ)技術(shù)平臺。平臺包含鐵路地理信息平臺與鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺兩部分。
（一）鐵路地理信息平臺
1.平臺定位
鐵路地理信息平臺以實現(xiàn)鐵路空間信息和服務(wù)共享為目標，在與國家地理信息公共服務(wù)平臺接軌的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一管理鐵路空間地理信息數(shù)據(jù)，為鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供GIS服務(wù)，形成“一張圖+N服務(wù)”的地理信息應(yīng)用模式，并支持基于平臺的應(yīng)用開發(fā)和服務(wù)發(fā)布，為鐵路戰(zhàn)略決策、建設(shè)管理、資產(chǎn)管理、運輸生產(chǎn)、經(jīng)營開發(fā)、綜合協(xié)同提供了強有力的支撐。
目前平臺已發(fā)布655個鐵路空間數(shù)據(jù)服務(wù)、管理132種鐵路要素設(shè)施，實現(xiàn)鐵路設(shè)施設(shè)備的全覆蓋，支撐全路73個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，累計訪問量達2億多次。鐵路地理信息平臺服務(wù)能力如圖1所示。
圖1 鐵路地理信息平臺服務(wù)能力
2.功能及特點
平臺從功能上劃分為22個模塊，提供鐵路地理信息數(shù)據(jù)的管理、發(fā)布、展示、分析、開發(fā)支撐、訪問監(jiān)控等，充分滿足不同類型用戶、不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)對鐵路地理信息的需求。
1）統(tǒng)一軟件平臺。以國鐵集團地理信息平臺為基礎(chǔ)，統(tǒng)一規(guī)范各類電子地圖，為鐵路各業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)提供鐵路地理數(shù)據(jù)及GIS功能服務(wù)，支持基于鐵路地理信息平臺的應(yīng)用開發(fā)，為鐵路規(guī)劃設(shè)計、工程建設(shè)、運營管理及公眾服務(wù)提供支撐，為數(shù)字鐵路建設(shè)夯實基礎(chǔ)；
2）統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準。統(tǒng)一管理國家基礎(chǔ)地理信息、鐵路基礎(chǔ)地理信息、鐵路專業(yè)地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)鐵路空間數(shù)據(jù)共享共用，保證鐵路空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，為鐵路信息化提供全面、規(guī)范、準確的地理信息數(shù)據(jù)；
3）降本增效。搭建鐵路地理信息平臺可避免同類型業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重復建設(shè)，降低企業(yè)運營維護成本，節(jié)約企業(yè)投資，提高鐵路空間數(shù)據(jù)管理水平。
（二）鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺
1.平臺定位
鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺以《鐵路信息化總體規(guī)劃》為指導，從資源共享、整體應(yīng)用、高質(zhì)量服務(wù)等角度出發(fā)，統(tǒng)一提供高精度位置服務(wù)、授時服務(wù)、短報文通信服務(wù)，統(tǒng)一管理鐵路北斗應(yīng)用設(shè)備，全面支撐北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在鐵路應(yīng)用。
平臺為鐵路勘察設(shè)計、工程建設(shè)、運營維護全生命周期各業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供北斗應(yīng)用支撐，促進鐵路業(yè)務(wù)與信息化深度融合，推動鐵路信息化總體規(guī)劃的落地。鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺系統(tǒng)頁面如圖2所示。
圖2 鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺系統(tǒng)頁面
2.功能及特點
鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺向終端設(shè)備提供高精度位置、授時及短報文信息服務(wù)，向業(yè)務(wù)系統(tǒng)、通信綜合網(wǎng)管提供位置、短報文、狀態(tài)信息等，同時向鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供時空信息。
1）實現(xiàn)高精度位置服務(wù)統(tǒng)一提供。向用戶提供厘米級至亞米級的精確實時定位服務(wù)，以及毫米級的準實時定位服務(wù)；
2）實現(xiàn)授時服務(wù)統(tǒng)一提供。為終端設(shè)備、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供精準時間服務(wù)；
3）實現(xiàn)通信服務(wù)統(tǒng)一提供。為終端設(shè)備之間、終端設(shè)備與北斗平臺之間，以及終端設(shè)備與普通手機用戶之間提供短報文通信服務(wù)；
4）實現(xiàn)在網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一管理。準確掌握全路衛(wèi)星導航應(yīng)用設(shè)備在網(wǎng)狀態(tài)、位置等信息，實現(xiàn)全路在網(wǎng)設(shè)備綜合展示；
5）時空信息共享。為鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供在網(wǎng)設(shè)備時空信息，支撐基于時空信息大數(shù)據(jù)分析，支持與路外其他行業(yè)、企業(yè)時空信息共享。
三、基于時空信息服務(wù)的典型應(yīng)用
（一）車載北斗高精度時空基準單元
車載北斗高精度時空基準單元主要應(yīng)用于構(gòu)建移動裝備車載時空基準，確保鐵路車載時空基準系統(tǒng)一致性、安全性、可靠性，為車載設(shè)備提供高精度定位、授時服務(wù)。車載北斗高精度時空基準單元設(shè)備圖如圖3所示。
圖3 車載北斗高精度時空基準單元設(shè)備圖
系統(tǒng)由時空基準單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)、鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺、站段地面系統(tǒng)等組成，當列車處于無衛(wèi)星信號條件時，可利用內(nèi)部高精度慣性導航模塊、雷達和時間馴服模塊，實現(xiàn)為車載設(shè)備持續(xù)輸出高精度定位和授時信息。當列車恢復接收衛(wèi)星信號時，系統(tǒng)即可進行校準，修正累積誤差。
1）高精度定位。基準單元接收鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺播發(fā)的差分服務(wù)，為鐵路車載設(shè)備提供高精度位置服務(wù)；
2）時間同步�；鶞蕟卧�GNSS衛(wèi)星時間或地面時鐘源為基準，通過標準的授時接口為其他車載系統(tǒng)提供時間信息，實現(xiàn)整車設(shè)備時間同步；
3）無線數(shù)據(jù)傳輸�；鶞蕟卧蔀樵O(shè)備自身和其他車載設(shè)備提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；
4）數(shù)據(jù)加解密。基準單元能夠?qū)囕d設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密和解密，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/span>
（二）鐵路北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)
鐵路北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)采用高度自動化集成設(shè)計，保證基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的實時性和連續(xù)性，有效獲得位移趨勢信息，同時保證高精度和自動化，為線路安全增加保障。
平臺并提供基于閾值的災(zāi)害預警功能，用戶可根據(jù)災(zāi)害預警等級采取相應(yīng)緊急處理措施，減輕因災(zāi)害引發(fā)的損失，避免次生災(zāi)害，并為搶險求援、日常維護等工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)依據(jù)。鐵路北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)頁面如圖4所示。
圖4 鐵路北斗基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)頁面
1）實時監(jiān)測。系統(tǒng)實現(xiàn)對沿線基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測設(shè)備及對應(yīng)施工工點的位置、運行狀態(tài)自動、連續(xù)、實時監(jiān)控及可視化展示；
2）統(tǒng)計分析。對各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，并依據(jù)位移數(shù)據(jù)建立的預警機制，實現(xiàn)監(jiān)測點的位移形變情況自動化管理，為鐵路的安全運營和信息化建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測以及災(zāi)害預警服務(wù)；
3）警情快速處理。根據(jù)告警信息危急程度，將告警信息及時準確地傳達到相關(guān)人員，及時采取防御措施，最大限度減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。
（三）鐵路北斗上道作業(yè)人員輔助防護系統(tǒng)
鐵路北斗上道作業(yè)人員輔助防護系統(tǒng)應(yīng)用北斗衛(wèi)星導航技術(shù)，依托鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺，為作業(yè)人員提供高精度位置服務(wù)，有效實現(xiàn)作業(yè)人員的安全監(jiān)控與管理。鐵路北斗上道作業(yè)人員輔助防護系統(tǒng)頁面如圖5所示。
