北斗卫星导航系统在高铁四电施工中的应用探讨

2021-11-05寇宗乾

铁道建筑技术 2021年10期

张平寇宗乾

（中国铁建电气化局集团有限公司北京 100043）

1 引言

《交通强国建设纲要》明确要求“推进北斗卫星导航系统应用”，北斗三号全球卫星导航系统正式开通并服务全球，在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》指导下，推动北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）行业应用，实现北斗时空信息服务在铁路、建筑行业深度覆盖势在必行。近年来，北斗系统已经在铁路行业的工务、电力线路、通信、安全预警、控制测量等方面获得了一些成功的研究与应用［1－3］，通过深入推进北斗系统在铁路行业应用，打造新时代智慧铁路，将大力促进中国北斗和中国高铁两张“国家名片”的深度融合，进一步推动我国自主科技创新，支撑行业安全健康发展，打破国外卫星导航技术在铁路领域的先入为主的局面，对建立畅通、高效、安全、绿色的现代交通运输体系具有十分重要的意义［4－6］。

2 北斗系统应用现状及特点

北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，独立自主建设的全球卫星导航系统，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，是国家重要时空基础设施。北斗系统不仅在军事上具有重要意义，而且在民生中的发展也起到不容忽视的作用。北斗系统提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，获得了显著的经济效益和社会效益［7－10］。

北斗系统具有以下特点：一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显；二是北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度；三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。世界GNSS系统服务类型见表1，北斗定位技术性能见表 2［11－12］。

表1 世界GNSS系统服务类型

表2 北斗定位技术性能

目前被广泛应用的北斗卫星定位技术包括第一代伪距单点定位、载波相位静态定位、伪距差分定位技术，第二代的常规RTK、广域差分定位技术，第三代的精密单点定位技术、网络RTK技术。第四代定位技术正在快速发展过程中，即PPP-RTK定位技术。

3 北斗系统在高铁四电施工中的应用场景分析

北斗系统可以提供高精度的时间及位置信息。在四电施工中，利用北斗系统可以实现四电工程的精准测量与标桩（见图1），可服务于四电施工中的定位、选址及改迁等工作；同时可应用北斗系统进行电缆线路起点、重点、转折点、电缆接头及电缆井位置的标定工作，方便后期运行维护；另外，在四电施工现场通过在人员、设备及车辆上佩戴、安装和集成北斗定位系统，可以在施工过程中对人员、作业车辆、工器具等实现实时高精度定位管理，并且可以利用北斗位置报告和集团用户服务模式，实时获取人员、设备及车辆之间的位置、距离信息，对于车辆与车辆、人员与车辆的安全距离进行预警防护，确保施工现场安全。

图1 标桩功能示意

4 北斗系统在四电施工中的应用场景技术路线

4.1 信号专业

信号施工需进行施工现场调查及现场定测，采用北斗系统并搭建北斗精准管理系统，从安全、质量、效率和成本等方面优化施工，提高施工效率及精确度。

（1）信号中继站

新建线路信号中继站现场定测。利用搭载北斗系统（厘米级精度）的设备对新建信号中继站选址进行定位，利用北斗电子地图服务实现现场定测工点的快速定位，通过航拍或手持等方式实现位置、环境、地貌等数据采集；对采集数据进行处理后接入线路电子地图，生成带有中继站位置的线路电子地图，供施工阶段使用。

（2）信号区间布点

信号区间布点现场定测，利用北斗＋BIM信号技术实现对区间信号布点设备进行定位、测量、数据采集，采集相关数据进行处理后与BIM技术相结合，生成带有区间布点的电子图；检验、核对区间布点的合理性，供施工阶段使用。

4.2 通信专业

（1）新建无线通信基站定位

将北斗终端集成到无线通信基站，从而可利用北斗系统的精准定位功能实现对无线通信基站的精准定位；同时利用无人机航摄或手持等方式采集无线通信基站的位置及其周边环境、地貌信息，对采集数据进行处理后接入电子地图数据库中，生成带有无线通信基站位置及其周边环境、地貌信息的电子地图，供施工阶段使用。

（2）通信线路迁改选址定位

在铁路施工前、施工中，可以利用北斗系统的定位功能配合无人机、通信系统、航拍设备对全线受铁路施工影响的通信线路进行精准定位、测量及无人机摄影测量，对采集数据进行处理，生成带有通信线路的地形图或二维、三维电子地图，使设计阶段统计迁改工作量更加精准，并可更加直观地对高压电力线路、通信线路进行迁改方案设计，确保相关通信线路迁改工作的顺利开展。

4.3 电力专业

（1）电力现场施工选址定位

在现有高速铁路电力施工中，可以利用北斗系统的定位功能对配电所、车站电源线路径路、施工临时用电电源线径路、配电所位置及区间箱变位置进行精准定位，节省现场选线、选址时间。

（2）电力迁改选址定位

在铁路施工前、施工中，可以利用北斗系统的定位功能配合无人机、通信系统、航拍设备对全线受铁路施工影响的高低压电力线路进行精准定位、测量及无人机摄影测量，保证电力迁改数据准确性，合理预估电力征拆投资，确保相关铁路电力迁改的顺利开展。

4.4 变电专业

牵引变电所亭选址定位，利用北斗定位系统，对牵引变电所亭的所址四角定位、设备基础架构等的定位、测量与标桩等。可利用航拍或手持等方式实现位置、环境、地貌等数据采集；对采集数据进行处理后接入加载的电子地图，实现所址四角坐标地理位置的快速精准定位，并在施工现场进行准确测量和定位，进行杆位标桩，也可以结合电子地图进行标桩进度显示。因其基于统一地理坐标，可避免人工测量产生的累计误差。

4.5 接触网专业

接触网专业内容包括牵引变电所亭至线路的供电线、线路上方架设的接触网、附加导线，包含了基础、支柱、支持定位装置等。北斗系统在接触网施工阶段的应用主要为定位标桩。利用北斗终端，实现接触网工程中支柱位置的测量与标桩，并结合加载接触网杆位信息的电子地图，在施工或日常维护作业时进行准确测量和定位，并进行杆位标桩，也可以结合电子地图进行标桩进度显示。

通过构建北斗卫星定位、无线网络覆盖的接触网施工现场，实现数字化测量、数字化机械施工和施工过程的智能化。联合无人机技术加载接触网智能施工装备，实现接触网施工作业数据采集的自动化处理，数据与设计BIM模型信息进行对比，可及时发现施工过程中的问题，全面监督施工过程。

4.6 四电专业施工通用场景

（1）施工作业北斗实时高精度定位管理系统

施工过程中对人员、作业车辆、工器具等的实时高精度定位管理：

①为工人佩戴标签或佩戴北斗定位安全帽的方式，实现对人员的实时高精度定位（厘米级）、考勤管理、电子围栏划定、历史轨迹查询等功能；同时与生物识别系统相结合，利用北斗系统掌握人员在现场出勤情况，再辅以工程量的核算就可以对劳务支出、成本核算、生产效率进行精确控制。在既有线施工中，利用北斗系统设立电子围栏，就可以对人员活动范围进行监控，及时防止既有线施工中的越界行为，在工后离场前，可以监控人员是否都已撤离，避免发生事故。

②对施工作业车辆进行监控管理。可在作业车辆上加装北斗定位模块，通过后台调度系统实现作业车的地理位置、运行状态、运行轨迹监控管理，提高调度作业效率和安全管理水平。

③对施工工具进行监控管理。为确保安全，上道作业完成后需将相关工具全部带离，可在工器具上加装定位标签，实现上道工器具的管理。

工程结束后，北斗实时高精度定位管理系统依然可用于后期维护、人员巡检、作业等方面，满足建设、规划、监测、维护等多方面现代化、信息化的需求，对现场作业实现统一管理。

（2）施工现场北斗安全预警系统

基于北斗位置报告的预警防护系统，根据北斗卫星定位及轨道电路跟踪作业车辆、施工作业人员的位置信息，并通过无线通信技术实现列车的车载终端、施工人员的手持终端与综合预警防护平台的信息交互，依据位置信息及运行轨迹实现对碰撞的预警防护。对于车辆与车辆、人员与车辆的安全距离进行预警防护，确保施工现场安全。

因现场施工存在一定的时间、区域限定，尤其是在多专业交叉作业、天窗点施工等情况下，一般会限定在某一区域、某一时间段内进行施工作业，因此可考虑通过北斗“电子围栏”方式实现上道作业人员的作业门及作业边界管理。