邓烨飞

北斗卫星导航系统是我国自主研制、独立运行的全球卫星导航系统。北斗三号卫星系统已于2020年6月全面建设完成，为全球用户提供授时、定位导航、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信等服务［1］。因此，开展基于北斗的应用技术研究具有重要意义。

近年来，我国铁路进入了高速发展时期，形成了安全高效、便捷经济的铁路运输网络，以适应经济快速发展的需要。铁路的智能化、信息化也为安全运营维护带来了新的挑战［2］。面向智能铁路时代，运输调度的精准化、运营维护的精细化对定位功能提出了更高的要求，需要通信、定位、决策相融合，实现安全、快速、精准的智能运维。

1 需求分析

铁路的智能运维以铁路人员、装备、设施为基础，以通信平台为支撑，通过与卫星定位、计算机网络、数字通信等技术多方位结合，实现全面感知、科学决策［3］。智能运维对于北斗定位的需求已从事后走向实时、从静态走向动态、从粗略走向精准，突显在功能需求和应用需求2个方面。

1.1 功能需求

功能需求主要为对精确定位的需求。铁路各应用场景中对定位精度需求有所不同。基于北斗来满足不同等级的精准定位需求，可以有效提升管理效率和运输安全水平，为线路安全增加保障，大幅降低铁路运维的成本和难度。

1）运营生产。列车调度管理的定位精度为亚米级，实现精确列车定位和运行速度、方向可控化；重点货物跟踪需要确定货物当前位置（站内或运输途中），实现重要运输物资／车辆的定位跟踪。

2）运营管理。铁路关键基础设施监测的定位精度为毫米级，对桥梁、隧道、钢轨、路基、输电线路、铁塔等铁路基础设施进行形变、位移监测［4］，实现状态修、预测修；人员定位精度为米级，对现场作业人员跟踪定位，实现安全卡控。

3）建设管理。在铁路工程建设过程中实现对铁路工程测量的亚米级精度定位，在建设期提供精确的工程测量。

“一维性”的铁路运输网覆盖我国广袤地域，列车运行环境多样复杂，存在各种隧道、峡谷等卫星信号衰弱环境，成为智能运维的监测盲区。弱卫星信号场景的全天候信号覆盖，为铁路提供安全性、完整性的定位精度及快速定位功能。

1.2 应用需求

北斗定位与智能运维融合，形成新的系统架构。其应用需求与多种因素息息相关，在应用过程中需要充分考虑系统架构的标准化、安全性、智能化。这些因素决定了应用范围和应用成果的优劣。

1）建立标准体系。需要建立全面性、动态性的铁路行业标准体系，使基于北斗应用的智能运维系统化、规范化。相关的技术要求或指标衔接一致，提高系统互通性和可操作性。标准体系的建立有利于总结既有的应用经验，也为未来的推广应用夯实基础。标准体系随着时间的推移和条件的改变可不断发展更新［5］。

2）实现安全保障。铁路使用SIL（安全完整度等级）来定义功能安全性，可分为SIL0～4级，而定位功能作为核心安全功能，其等级为最高的SIL4级。基于北斗的铁路智能运维必须考虑到安全因素。

3）ICT（信息通信技术）融合。铁路的运维管理已经广泛部署了各类采集设备、监测设备、管理系统以及其他各类信息平台，获取了海量信息。信息的相关性分析及深度挖掘是大数据的真正价值所在。结合大数据、云技术、物联网等ICT技术，将基于北斗的定位监测数据与铁路运维信息动态关联、综合分析，为新一代铁路智能运维创造客观条件。

2 应用架构

结合铁路智能运维的需求，对基于北斗的铁路智能运维新技术应用进行深化设计，其系统架构见图1。

北斗卫星导航系统自主可控、安全可靠，是我国重要的空间战略设施，能够满足铁路系统不同SIL等级的安全性需求。搭建铁路北斗应用支持平台，采用包括地基增强系统、遮蔽地区的覆盖增强系统及基础设施监测系统等新技术，统一接收北斗卫星定位信息，汇总各类时空信息及其他相关信息，形成综合数据平台。再基于通信网络为运营生产、运营管理、建设管理中各应用场景提供差异化定位服务；获取的海量数据经平台进行集成分析，为资源管理提供综合分析、辅助决策等服务。

2.1 系统功能

1）支持网络互联。铁路北斗应用支持平台与地基增强系统、遮蔽地区的覆盖增强系统、基础设施监测系统及其他相关应用互联互通，完成数据的交换传递；同时具备北向接口与上层智能运维管理平台互联互通。网络互联可基于铁路既有通信网络资源。

2）支持数据综合处理。对采集的应用、卫星定位、地理位置等信息进行数据管理、解算、处理、存储和更新等，完成数据集成及数据分析，实现系统运行监控、安全防护管理等重要功能。

3）支持差异化定位服务。各级差分数据产品通过铁路北斗应用支持平台进行数据发布，定位等级包括实时的米级、亚米级、厘米级精度，以及事后处理的毫米级精度。结合运营生产、运营管理、建设管理的多种应用场景，提供安全性、完整性的定位精度。

4）平台采用大数据技术架构，利用铁路人员、装备、设施等海量多源的大数据，完成分析处理、跟踪预测的一体化功能，挖掘数据之间时间、空间的动态关联关系，提供预警信息，为线路安全增加保障，为资源管理提供有力支撑。

2.2 基于北斗的新技术

2.2.1 地基增强系统

地基增强系统在地面一定范围内建立若干个连续运行的卫星定位基准站，协同北斗卫星导航系统为用户提供更高精度的静态、动态空间位置服务。基于北斗的铁路地基增强系统由若干连续运行基准站、数据及处理中心等组成［6］，其中数据及处理中心功能可由铁路北斗应用服务平台统一提供。地基增强系统架构见图2。

2.2.2 遮蔽地区的覆盖增强系统

遮蔽地区的覆盖增强系统由基准站、中继单元、网管系统等组成，以隧道区段为例，其系统组成见图3。

图3 隧道覆盖增强系统架构

2.2.3 基础设施监测系统

基础设施监测系统由采集设备（北斗差分接收机、监测点天线等）、监测服务器等部分组成。通信铁塔作为铁路移动通信的承载设施，数量众多，以铁塔为例，其系统架构见图4。

3 应用展望

图4 铁塔监测系统架构

下一代通信网络（NGN）是一个多业务、多技术融合的通信网络，基于北斗定位的铁路智能运维新技术应用与5G、云技术等新兴技术互融互通，具有融合增强的效果，可提供更丰富的应用场景。

3.1 云技术

云的本质模式是将存储、安全、运算、软件资源最终虚拟为服务资源。云技术具有高可靠性、强数据处理、灵活可扩展以及高效利用在网设备等特点，可实现网随云动的自动化部署［7］。云技术为基于大数据的铁路北斗应用服务平台提供了可选的部署模式，形成的云中心平台实现云服务的统一发放管理。与云技术的深度融合，有效支撑在智能铁路建设过程中的新兴技术落地应用。

3.2 SDN、NFV

SDN（软件定义网络）技术的核心思想是将网络设备由传统模式解耦成为转发、控制和应用三层分离［8］。NFV（网络功能虚拟化）技术的核心思想是利用虚拟化技术和通用硬件承载多功能的软件处理。SDN及NFV技术应用于铁路北斗应用服务平台，使得软硬件进一步解耦，网络设备简化，网络功能服务化，实现自动配置和灵活调度。

3.3 5G

5G作为智能化时代的移动通信基础设施，未来在智能铁路的应用可期。5G具有更大带宽、更高速率、更低时延等诸多特点，贴合未来智能运维对高清视频监控、空天地一体的网络时延等新需求。北斗地基增强系统的建设可结合5G网络结构同步进行，以北斗加载于5G网络，将精密定位、授时和时间同步功能赋予5G。5G接收精准坐标位置和精确时间同步的同时，也可以发出北斗信号。“5G+北斗”的基站构成一张超高密度、超高精度的地基增强网，成为国家地基增强系统框架网的延伸和补充，精确感知时间空间信息，对于未来的“万物互联”非常重要［9］。

4 结束语

北斗卫星导航系统是中国重要的战略性技术，基于北斗的新技术应用可以解决复杂地形条件的区域覆盖问题，助力基础设施的智能动态监测，成为智慧铁路的一个重要基础组件［10］。综合北斗定位、智慧运维、新兴技术，可以按需提供差别化服务，提升铁路资源的交通效能，为智慧铁路提供更高效、更安全的支撑。