北斗在智慧地铁中的应用

文|蔺陆洲

全图通位置网络有限公司

时间与位置信息已成为以万物互联、人工智能和大数据应用为特征的智慧地铁建设的核心和基础。据统计，人们80%以上的时间在建筑物、移动载具、地下等非暴露空间中度过。城市轨道交通作为非暴露空间的典型场景，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。非暴露空间下的定位、导航、授时和通信长期以来是世界性的技术难题，也是制约智慧地铁发展的瓶颈。北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）作为提供时间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，建设以其为基础的高精度定位网、高精度时间同步网、高通量通信网和空间数字化平台，可以为智慧地铁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，因此其可对地铁的发展形态、发展理念、发展模式和运营模式产生重大影响，从而促进“北斗+地铁”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各类需求，建成更加安全可靠、便捷舒适、经济高效、绿色节能的智慧地铁系统。

一、北斗系统建设与地铁应用

北斗系统的建设与发展将对智慧地铁的建设与发展产生重大影响，从而促进“北斗+地铁”运营管理新模式的形成。

1.北斗系统建设与后续发展

卫星导航系统为用户提供的时间与空间信息是所有信息系统运行的基础。北斗系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，能够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，目前已建成了覆盖全球的系统。

从应用的空间环境上看，北斗卫星导航信号微弱，易被干扰和欺骗，且不能惠及室内、水下和地下以及其他受遮蔽的非暴露空间。据统计，人们80%的时间处于建筑物、移动载具等非暴露空间环境中，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。习近平总书记倡导，要建设更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系（PNT）。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融合，生成时空基准统一且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠等优点的PNT 服务信息。综合PNT 体系建设没有可以遵循的模式，没有可以采购的载荷，也没有可以借鉴的经验，唯有不断创新，不断探索，才能建成新的国家综合PNT 体系。地铁作为典型的非暴露空间北斗时空应用场景，是国家综合PNT 体系建设和应用的重要领域。

2.北斗与地铁的融合发展

近年来，随着建设的加快及运营里程的持续增长，地铁面临着网络化运营、降本增效、快捷服务、低碳环保、可持续发展等一系列的挑战，在新一代信息技术的支持下，智慧地铁的概念由此产生。交通的实质就是提供位移，即根据需要通过运输工具实现人员和物资的位置移动。作为一种公共交通系统，智慧地铁发展的核心目的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地铁服务过程中所有环节的智能化，即“位移+”，因此需要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，以自主感知、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，为乘客提供高效精准、个性化的位移服务，从而建设更加安全、高效、舒适、绿色的新一代地铁系统。时间和空间位置信息是实现智慧地铁系统自主运行、精准管理和全时程个性化服务的基础，因此智慧地铁的建设需要与提供时空信息的北斗系统具备实现融合发展的基础（图1）。

图1 北斗系统与智慧地铁的融合发展

地铁的未来发展趋势是以“位移+”的方式推动安全、便捷、经济、高效、绿色的智能运输；而北斗系统的发展趋势是以“+北斗”，即以北斗技术为赋能手段，以时空信息为应用方式，与其他产业原有技术、原有业务相结合或替代传统应用方案的方式赋能轨道交通行业，以促进其转型升级。“位移+北斗”作为北斗系统与智慧地铁融合发展的核心理念，将进一步丰富地铁与北斗系统的技术应用与产业生态体系，促进两者全面发展，从而推进国家战略的实施。

二、智慧地铁对北斗技术的需求

智慧地铁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）、综合监控（ISCS）等种类繁多的信息系统。为实现其智能化运行，必须集成这些复杂的信息系统，进行海量时间、空间信息的感知、处理、决策和控制，因此在时空基准与空间数字化、高精度定位导航与授时两个方面需要通过系统建设方式，获得北斗技术的支持。

1.时空基准与空间数字化

智慧地铁需要建立统一的时空基准，以避免产生时空信息冲突的风险，危及地铁的安全运营。利用北斗系统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），地铁系统可以获取统一的、自主可控的时空基准。此外，地铁所处的空间环境非常复杂，暴露空间和非暴露空间并存，单纯依靠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地铁非暴露空间内并进行动态维持，一方面可以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地铁内非暴露空间的位置进行展示和应用，另一方面能够统一时间，实现非暴露空间内的时间同步。

由于地铁的空间环境复杂，因此掌握丰富、准确的地理信息是智慧地铁建设和运营的基础。空间数字化，即构建数字化的地理信息空间数据框架（DSDF），是测绘技术、地理信息技术、数字孪生技术和人工智能技术融合发展的产物。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为核心的空间数字化应用需求。在智慧地铁建设中，需要基于北斗系统的时空基准，利用架站式、推扫式、背包式、手持式等测绘工具和地理信息数据采集设备，对地铁地下和地上空间的机房、站厅、区间、车辆段、仓库等场所，围绕空间结构、设备设施、耗材物品等要素，进行三维激光点云数据的采集，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，以实现地铁的空间数字化。

2.高精度定位、导航与授时

高精度的空间与时间信息是建设智慧地铁的基础。交通数据是典型的时空数据，不仅具有时间维度属性，还对空间结构有着较强的依赖性。随着不同轨道交通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。

第一，在定位与导航方面。通过高精度定位技术的应用，克服接收卫星信号困难、多障碍物与多干扰源、高程定位困难、应用终端研制困难等问题。针对地铁环境复杂，立柱、电梯、屏蔽门等各类障碍物繁多、人员密集且车辆移动等干扰问题，大幅提高定位精度，同时提供高程定位，提供多层建筑物地上与地下、楼层位置和高度的信息。

第二，在授时服务方面。通过大范围时间同步技术的应用，使用户在较低的成本下获得北斗的高精度时间。地铁使用的各类设备，需要从北斗系统获取标准的时间信号，通过服务接口将高精度的时间信息传输给用户设备，从而使用户整个系统达到时间和日期的高精度同步。

3.系统建设与关键技术

智慧地铁必须建设一套自主可控的时空体系网络。针对北斗系统导航定位在非暴露空间无法使用、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，形成地铁交通时空基准信息网络，并将其作为智慧地铁建设和运营的基础设施（图2）。智慧地铁时空体系将为地铁提供统一、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，从而打破地铁暴露空间与非暴露空间之间的壁垒。

图2 智慧地铁时空体系网络的建设

建设智慧地铁时空体系网络，需要重点突破室内外一体化高精度连续定位、基于通用网络协议的大范围高精度时频传递、基于5G 的高通量无线通信应用等关键技术。

在定位方面，需要在统一的空间基准上，采取以超宽带（UWB）定位技术为主导、多种定位技术为补充和增强的方式，通过导航定位软件与算法的融合，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、组合化服务终端研制的微PNT 体系，提供高精度的位置服务。

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，即精确时间同步协议（PTP）为基础，结合同步以太网技术（SyncE）和白兔时间同步方法（WR），实现城际范围内整个网络节点的动态时间同步，以提供高精度的授时服务。

在通信方面，需要开展地铁室内分布系统的设计与面向地铁业务的时间切片算法的开发，以实现高通量通信的应用。在设备方面，地铁需要小型化、个性化、组合化应用终端，并解决组件优化设计、材料优选、精密制造、组件深度集成、传感器实时标校、传感器输出信息自适应融合等方面的问题。

三、北斗在智慧地铁中的应用

应用是北斗系统与智慧地铁融合发展的出发点和落脚点。北斗技术将以客流感知为核心，在提供高精度客流信息的基础上，在运行调度、乘客服务、维修维护、安全管理等方面赋予地铁新的能力和手段，为地铁业务提供有效支撑，协助构建管理精细、运行高效、效益最大化的智慧地铁系统。

1.运行调度

基于北斗技术的应用，在高精度客流和地铁的全量地理信息的支持下，进行轨道交通的网络化高韧性运行调度（图3）。首先，在客运组织的准备阶段，基于北斗提供的更加精确的客流信息，科学建立更加可靠的客流规律模型，优化运行图编制。其次，在客运组织的实施过程中，列车定位是地铁列车安全和高效运行的保障，北斗技术可使列车定位精度更高，冗余更充分，自主化更强，集成更深，联动更高效。此外，基于北斗提供的高精度列车位置信息，可以支持车车通信和自主感知，支持建立基于动态间隔调整的高可靠、高可用的列车运行控制系统，实现列车自主控制、虚拟编组，成为灵活混跑和智能调度的基础。

图3 北斗地铁运行调度应用

2.乘客服务

乘客服务是地铁运营的核心。不同于传统基于部门设置的乘客服务模式，智慧地铁系统在面向乘客需求与业务驱动的乘客服务新模式建立过程中，充分利用了北斗技术。首先，在乘客出行方面，乘客可以实现涵盖地铁内外的全时程出行路径规划、站内换乘路径的导航，同时可以对地铁站内外的自助售票机、自助售货机、洗手间等服务设施进行快速查找定位和导航，优化乘客乘车体验。其次，在乘客服务管理方面，基于北斗定位的高精度客流数据，可以在空间数字化的数字孪生环境下，针对突发大客流场景进行模拟仿真，在现场支持站务人员的限流、预案实施的实时指挥与调度。此外，针对乘客服务设备，还可以基于多维、多层次的数字地图，实现乘客服务机器人、服务台等乘客服务装备的定位、引导服务等功能，从而支持无人化乘客服务的实现（图4）。

图4 北斗地铁乘客服务应用

3.维修维护

在地铁集约化维修维护的发展过程中应用北斗。首先，在此管理方面，地铁的设施设备错综复杂、自动化程度高、资产规模庞大，其维保和管理直接关系到地铁运行的安全可靠程度。通过北斗技术获取设施设备的准确位置，可在资产管理系统中实现对资产设备基于精准位置的自动盘点，打造状态监测、故障诊断、风险预警、维修评价和资产管理的闭环链条。其次，采用北斗精准定位与资产联动实现自动化与智能化的深度融合，维修与维护的作业人员可以利用高精度地图，定位故障位置，管理人员可以掌握作业人员位置和备品备件的情况，为车辆设备设施的预防性状态维修和远程维修指导提供支持。

4.安全管理

在面向“人—机—环—管”的城市轨道交通“知—辨—治—控—救”一体化矩阵式主动防控体系建设过程中应用北斗。首先，可以使用北斗高精度定位明确风险点的位置和风险链传导的地理路径，支持主动安全知识图谱的建立。其次，通过北斗技术，可获取站务、管理及施工人员的实时高精度位置信息，在此基础上可通过构建电子围栏、电子点名签到、绩效考核分析等方式，对地铁工作人员进行精准管理，在火灾、水淹、重大活动、脱轨事故等应急场景下，掌握现场人员与物资的位置，支持应急管理和指挥救援。

四、结论

时间与空间信息已成为现代生产与生活中的一项基础信息。卫星导航系统的发展彻底改变了人们的生活方式，也改变了管理模式。随着北斗系统的建成与应用推广，我国智慧地铁的建设与发展对时空基准、空间数字化、高精度定位与授时提出了迫切的要求。未来，北斗系统与智慧地铁具有广阔的融合空间和潜力，其核心是根据地铁应用场景定义其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将为地铁的智慧化转型创造最优的基础条件。