运输领域北斗应用方案设计研究

刘小兵，周钰凯，王剑

( 1. 国能铁路装备公司陕西分公司, 陕西 神木 719316；2. 北京交通大学电子信息工程学院, 北京 100044 )

0 引言

随着北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的不断完善，该系统在运输领域的应用已经取得显著的成果，为运输企业提供全方位的支持和服务[1-2]. 在北斗应用相关政策的积极推动下，BDS应用将进一步促进运输行业发展，同时也将带来巨大的社会和经济效益. 在基础设施建设方面，随着BDS服务能力的提升，卫星导航应用向BDS应用过渡的问题亟待解决[3]，促进国产卫星应用产品的使用水平，并逐步过渡到以BDS应用为主、兼容其他卫星导航系统的服务体制上来. 在铁路运输业务领域中，于进江等[4]利用北斗高精度定位的原理对边坡位移数据进行高精度监测，实现了实时传输和及时预警，同时利用北斗区域增强系统提高了设备利用率；彭其渊等[5]利用北斗技术对集装箱进行实时定位追踪，提高铁路集装箱运输作业效率和信息化管理水平. 在港口业务领域中，王立端等[6]对BDS在不同场景中的性能指标要求进行分级，并在上海港实际作业中验证了BDS对实时动态(real-time kinematic, RTK)定向解算固定率提升约13%；牛帅等[7]利用北斗定位技术实现了港口安全预警检测设备的统一管控. 在航运业务领域中，史向阳[8]利用数据压缩技术对数据进行压缩并分包发送，结合北斗短报文的多媒体数据压缩要求，设计出基于北斗短报文的海上多媒体数据传输方案. 总体而言，目前基于BDS的研究和应用内容较为分散，阻碍了BDS和运输领域的高度融合，制约了BDS在运输产业智能化中的规模化和体系化应用. 通过在国能集团建设示范应用的方式实现规模效应和社会示范效应，向相关产业辐射推广，形成北斗产业链，可以促进整个BDS应用产业的规模化发展.

针对上述应用需求和研究内容，结合状态信息获取与监测技术、多模通信技术、多系统时间校准与同步等技术，开展北斗应用数据中心接口、国能集团北斗卫星运维监测服务平台等技术方案设计. 设计北斗卫星运维监测服务平台，在系统框架、功能设计、运营体系等方面考虑平台的长远运营能力和服务能力，按照统筹规划、总体设计、分期实施的原则，满足国家能源集团(以下简称“国能集团”)整体综合性位置服务产业发展的需求，对不同的专业应用在基础设施建设、系统开发和应用推广等方面按照分步、分类进行实施和推进.

本方案主要从总体架构、系统组成、平台设计三个部分进行展开. 总体架构部分详细介绍了基础设施层、数据资源层、平台服务层和业务应用层四个层面的设计方案；系统组成部分详细描述了地基增强系统、隧道增强系统、数据服务平台、业务应用系统的内容和应用示例；平台建设部分分别从基础设施设备架构、数据服务平台架构、业务应用体系架构来提出国能集团北斗卫星运维检测服务平台建设方案.

1 总体架构

北斗卫星运维监测服务平台是国能集团运维监测领域的重要组成部分，旨在形成集团运输领域BDS建设的各类规范和标准系统，并通过整合各子分公司北斗增强系统基础设施，实现跨专业、跨单位、跨层级之间的业务协同和信息互通，推动构建高效便捷畅达的全产业一体化“平台+应用”管理体系.国能集团北斗卫星运维监测服务平台的总体架构如图1所示，主要建设内容包括基础设施层、数据资源层、平台服务层和业务应用层等四个层面的建设工作，同时需要建设和完善综合服务平台的标准体系、安全和运维体系.

图1 北斗卫星运维监测服务平台总体架构

1) 基础设施层：主要包括数据采集和传输两部分.

数据采集：支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo的卫星导航信息采集，通过布设北斗地基增强网，使导航定位精度进一步提升[9]. 同时建立高精度铁路电子地图[10]，通过多源信息融合实现对信息的高效应用.

数据传输：通过卫星通信、光纤通信、专网GSM-R/LTE-R、公网3G/4G这四种主要的通信方式构建出数据传输网络. 基准站到北斗服务分中心的则采用千兆专用光纤通道传输网络，后者可基于专网移动通信(如铁路LTE-R)、公网移动通信经由安全设备接入，由各子分公司自行建设.

2) 数据资源层：基础设施层采集的数据经过传输后进入数据资源层中相应的数据库中.

原始数据：包括地基增强数据、完好性监测数据、高分全色影像、多普勒雷达影像.

基础数据：包括基础影像数据、基础线路图数据、基础地形数据、基础摄影数据.

专题数据：包括建筑信息模型(building information modeling, BIM)模型数据、工程测绘数据、工程定位数据等.

管理数据：包括北斗终端数据、平台用户数据、平台访问数据、平台管理数据.

3) 平台服务层：数据资源层的数据库通过平台服务层中的多元数据库管理，再通过云计算挖掘系统、地理信息系统(geographic information system, GIS)与服务管理中心来实现对于位置、通信和授时的各项服务.

位置服务：完成实时定位和事后定位，同时完成定位后的数据下载.

通信服务：用于完成通信的建立、信息交互与数据下载.

授时服务：用于完成时间同步和校正，以及对应数据的下载.

4)业务应用层：平台服务层中的数据通过各类通信协议传输到对应的应用与业务中，通过对不同数据的组合处理来实现物流检测、车辆调度、施工防护、灾害监测、物流监测、基础设施形变检测[11]、线路平纵断面检测等不同功能.

2 系统组成

国能集团北斗卫星运维监测服务平台主要由地基增强系统、终端设备、数据服务平台和业务应用系统四大部分组成，如图2所示.

图2 北斗卫星运维监测服务平台系统组成

地基增强系统北斗基准站接收BDS、GPS、GLONASS的卫星观测数据、星历数据等，由通信网络系统实时传输到数据综合处理系统，经过处理后生成高精度定位观测数据，利用卫星广播、数字广播、移动通信等手段播发至BDS/GNSS增强用户终端，并最终将定位终端的定位结果数据上报到数据服务平台进行持久化存储，以供数据挖掘和其他应用使用. 建设北斗地基增强网络，辅助实现高精度定位. 强化系统的集成与数据共享能力，提升了公共服务的水平和能力，满足了大规模实时位置服务的需求.

隧道增强系统[12]主要用于在无卫星导航信号覆盖的隧道或无线高精定位信号差的站场进行定位信号补强，隧道增强系统中的基准单元接入卫星定位系统，并通过中继单元将定位信号进行延展与增强，接入的终端最终通过网管系统将自身数据上报到数据综合处理平台.

数据服务平台负责将包括定位数据在内的各类数据源抽取到临时中间层后进行清洗、转换、集成，最后加载到数据仓库或数据集市中，成为联机分析处理、数据挖掘的基础，并为最终的业务应用系统提供支撑和保障. 业务应用系统主要对应于铁路运输、港口航运、三项业务.

1) 铁路运输业务：主要实现边坡动态检测、列车运行预报、作业车防溜防撞、货场安全智能管理、现场作业安全盯控等业务. 北京某山区既有客货铁路线基于北斗技术设计出铁路边坡安全监测系统，通过在监测敏感点增设北斗监测站，对监测点位置进行实时动态解算，并在平台上实时发布监测变化曲线，在通信质量不佳的情况下利用北斗短报文进行通信，实现了对边坡形变状态的实时监测，为铁路的实际运营安全提供切实保障；国能集团包神铁路基于北斗地基增强高精度定位技术设计出智能化安全防护设备，通过国家北斗地基增强系统提供的加速定位服务，缩短了现场高精度固定解的解算时间，有效地增强铁路施工作业安全性和可控性，为铁路运输安全有序运营提供支撑.

2) 港口业务：主要实现自动化装船辅助控制、航道安全通行管理、堆场监测系统、船舶到港预测、码头装卸防碰撞等业务. 厦门大小嶝造地工程利用北斗短报文通信与高精度导航系统，建立了船舶智能位置管理平台，对船舶进行远程实时监控管理；广州港南沙四期全自动化码头基于BDS实现了智慧型引导运输车(intelligent guided vehicle, IGV)在水平自动化运输的应用，通过高精度的北斗卫星定位结果与其他传感器相结合实现对IGV运行的精准控制，有效地消除了传统集卡运输模式存在的安全风险，提高作业效率.

3) 航运业务：船队航线检测、北斗短报文指挥调度、海上电子围栏、偏航预警、航线主动避让等业务.国能集团航运有限公司开展“基于北斗的大型船队调度与安全监控系统”的研究，进行北斗船载监控终端和岸基指挥型接收机的研制，开展北斗卫星无线电测定业务数据链信息传输技术研究，解决了北斗通信传输数据量小、可靠性不高等问题，研制出北斗船舶航运监控系统弥补了我国航运船队监控管理手段的不足[13].

3 平台建设

3.1 基础设施设备架构

北斗基础设施属于新型基础设施建设范畴，包括北斗服务中心(数据中心)与现场边缘实施设备，以及数据传输网络等. 其中，服务中心分层建设，路港航各子分公司自行建设北斗服务分中心，国能集团设立数据汇集的集团级服务中心.

1) 边缘基础设施

本文提出的设计方案中，将北斗地基增强网、隧道增强网和定位相关接入终端设备都列为边缘基础设施设备.

北斗地基增强网是基础设施建设的重心，应按照相关标准制定国能集团差分站建设规范[14-15]，由各子分公司自行建设. 系统由地面北斗基准站、控制中心系统、用户服务系统、数据处理系统等组成，提供实时分米级、厘米级，后处理毫米级高精度定位的基本服务能力.

隧道增强网是北斗地基增强网的补充，通常在无卫星信号覆盖的隧道或需要无线高精度定位补强的站场进行定位基站的架设，由各子分公司自行建设.从实现技术区分，通常有基于超宽带无线通信技术(ultra wideband，UWB)的无线定位方式[16]和基于光纤转发信号的室内定位方式[17]、基于卫星导航信号实时再生的室内定位方式等，可根据实际拟定行业或企业标准进行建设. 无论采用何种方式，隧道增强网都应与北斗定位、惯性导航等技术融合，时间基准、坐标基准与北斗地基增强网一致.

接入终端是指具备高精度定位模块的、可接入北斗地基增强网或隧道增强网的终端设备，包括手持终端、车载终端、机载终端、船载终端、监测终端(含固定安装设备、无人机等)、穿戴设备等.

2) 数据传输网络

数据传输网络是指与北斗接入或播发数据相关的传输通道，主要包括基准站到北斗服务分中心的传输网络、接入终端到北斗服务分中心的通信网络，前者最好采用千兆专用光纤通道，后者可基于专网移动通信(如铁路LTE-R)、公网移动通信经由安全设备接入，由各子分公司自行建设.

3) 北斗服务中心

北斗服务中心分为子分公司服务分中心和集团服务中心两级.

子分公司北斗服务分中心，通常随北斗地基增强网同步建设，可在子分公司私有云上部署，也可配置服务器双机部署.

集团北斗服务中心，采用超融合架构建立私有云虚拟化环境，使网络架构具备灵活的扩展性和动态管理能力. 云计算可基于主流的OpenStack标准框架，数据湖以大规模并行处理(massively parallel processor,MPP)数据库为核心建立数据库集群，提供弹性的VCD服务、计算服务、网络服务、存储服务和数据服务等.

3.2 数据服务平台架构

国能集团北斗服务中心基于基础设施即服务(infrastructure as a service, IaaS)形成平台即服务(platform as a service, PaaS)，是整个平台建设的核心，从功能构成上可分为数据治理服务、数据存储服务、数据共享服务和监控运维服务四大部分.

1) 面向标准化的数据治理

提供数据抽取、数据转换、数据加载、数据汇总、数据分发、数据计算等能力，根据数据源状况和数据类型实现数据的实时处理与非实时处理，支持统一调度分布式处理，并按照国能集团数据标准开展数据清洗、数据对齐、数据脱敏等加工.

2) 面向湖仓一体化的数据存储

与国能集团数据湖对接，构建北斗主题的湖仓一体化数据资源池，包括BDS数据、GIS数据以及北斗相关的基础数据、主题数据、分析数据，通过数据仓库技术实现从操作型数据存储(operation data store,ODS)、数据明细层(data warehouse detail, DWD)、数据中间层(data warehouse middle, DWM)到数据服务层(data warehouse servce, DWS)的海量数据分层分区存储.

3) 面向智能化的数据共享

基于数据仓库的数据资源，利用先进平台服务组件，形成服务资源管理、数据开放管理、数据流程管理等能力，向外提供API、SQL、时钟、文件、消息(短报文)等标准化接口，主要业务数据实现自助式订阅共享智能服务功能.

4) 面向可视化的监控运维

利用统一运维管理平台，在云服务、云管理之外提供可视化的系统管理服务和系统监控服务[18]，主要包括多租户管理、任务管理、权限管理、数据地图以及数据监控日志、运行监控日志等功能.

路港航子分公司级北斗服务分中心建设遵循相关要求自行开展，主要包括位置解算、地图管理、基准站管理等服务.

3.3 业务应用体系架构

应用架构分层：国能集团应用+路港航子分公司应用，如图3所示. 国能集团应用主要是基于一张图，可整体或按路港航板块或按子分公司分类分级查看北斗基础设施建设情况、车船设备位置轨迹信息、作业人员位置轨迹信息、生产环境监测信息等.

图3 应用架构分层

子分公司级应用：

路：北斗定位、导航、通信、监测、遥测功能在设备管理、生产作业、安全管控、环境感知、应急指挥、智能调车、智能驾驶等方面的应用；

港：在作业过程控制、作业风险防范、生产调度指挥、融合智能通信等方面的应用；

航：在状态监控、航标管理、航线跟踪、应急通信、安全管理、调度管理等方面的应用.

4 结束语

本文针对运输行业对于北斗应用的具体需求，提出一个基于BDS的应用设计方案，并从总体架构、系统组成、平台建设三方面进行了具体描述，旨在设计一个通用的方案，为运输领域智慧化应用以及BDS规模化提供解决思路. 本方案实现了跨专业、跨单位、跨层级之间的业务协同和信息互通，避免了标准不统一、信息不互通、数据不共享造成难以统一调度、统一使用的问题，减少了重复建设与资源浪费，实现智能化降本增效. 构建出高效便捷畅达的全产业一体化“平台+应用”管理体系，利用天地互联、统一基准进行时空融合，利用协同传输、数据挖掘、智能处理实现按需服务和智能化集成应用，为开展运输产业不同应用场景的北斗服务应用提供基础保障. 为BDS应用单位提供高效、方便、快捷的信息服务渠道，引领、集聚、带动相关产业的发展. 未来，我们可以期待更加智能化的运输管理系统，通过BDS与物联网、人工智能等技术的深度融合，实现更高效、智能化的运输过程.