運輸領域北斗應用方案設計研究

劉小兵，周鈺凱，王劍

( 1. 國能鐵路裝備公司陜西分公司, 陜西 神木 719316；2. 北京交通大學電子信息工程學院, 北京 100044 )

0 引言

隨著北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的不斷完善，該系統在運輸領域的應用已經取得顯著的成果，為運輸企業提供全方位的支持和服務[1-2]. 在北斗應用相關政策的積極推動下，BDS應用將進一步促進運輸行業發展，同時也將帶來巨大的社會和經濟效益. 在基礎設施建設方面，隨著BDS服務能力的提升，衛星導航應用向BDS應用過渡的問題亟待解決[3]，促進國產衛星應用產品的使用水平，并逐步過渡到以BDS應用為主、兼容其他衛星導航系統的服務體制上來. 在鐵路運輸業務領域中，于進江等[4]利用北斗高精度定位的原理對邊坡位移數據進行高精度監測，實現了實時傳輸和及時預警，同時利用北斗區域增強系統提高了設備利用率；彭其淵等[5]利用北斗技術對集裝箱進行實時定位追蹤，提高鐵路集裝箱運輸作業效率和信息化管理水平. 在港口業務領域中，王立端等[6]對BDS在不同場景中的性能指標要求進行分級，并在上海港實際作業中驗證了BDS對實時動態(real-time kinematic, RTK)定向解算固定率提升約13%；牛帥等[7]利用北斗定位技術實現了港口安全預警檢測設備的統一管控. 在航運業務領域中，史向陽[8]利用數據壓縮技術對數據進行壓縮并分包發送，結合北斗短報文的多媒體數據壓縮要求，設計出基于北斗短報文的海上多媒體數據傳輸方案. 總體而言，目前基于BDS的研究和應用內容較為分散，阻礙了BDS和運輸領域的高度融合，制約了BDS在運輸產業智能化中的規?；腕w系化應用. 通過在國能集團建設示范應用的方式實現規模效應和社會示范效應，向相關產業輻射推廣，形成北斗產業鏈，可以促進整個BDS應用產業的規?；l展.

針對上述應用需求和研究內容，結合狀態信息獲取與監測技術、多模通信技術、多系統時間校準與同步等技術，開展北斗應用數據中心接口、國能集團北斗衛星運維監測服務平臺等技術方案設計. 設計北斗衛星運維監測服務平臺，在系統框架、功能設計、運營體系等方面考慮平臺的長遠運營能力和服務能力，按照統籌規劃、總體設計、分期實施的原則，滿足國家能源集團(以下簡稱“國能集團”)整體綜合性位置服務產業發展的需求，對不同的專業應用在基礎設施建設、系統開發和應用推廣等方面按照分步、分類進行實施和推進.

本方案主要從總體架構、系統組成、平臺設計三個部分進行展開. 總體架構部分詳細介紹了基礎設施層、數據資源層、平臺服務層和業務應用層四個層面的設計方案；系統組成部分詳細描述了地基增強系統、隧道增強系統、數據服務平臺、業務應用系統的內容和應用示例；平臺建設部分分別從基礎設施設備架構、數據服務平臺架構、業務應用體系架構來提出國能集團北斗衛星運維檢測服務平臺建設方案.

1 總體架構

北斗衛星運維監測服務平臺是國能集團運維監測領域的重要組成部分，旨在形成集團運輸領域BDS建設的各類規范和標準系統，并通過整合各子分公司北斗增強系統基礎設施，實現跨專業、跨單位、跨層級之間的業務協同和信息互通，推動構建高效便捷暢達的全產業一體化“平臺+應用”管理體系.國能集團北斗衛星運維監測服務平臺的總體架構如圖1所示，主要建設內容包括基礎設施層、數據資源層、平臺服務層和業務應用層等四個層面的建設工作，同時需要建設和完善綜合服務平臺的標準體系、安全和運維體系.

圖1 北斗衛星運維監測服務平臺總體架構

1) 基礎設施層：主要包括數據采集和傳輸兩部分.

數據采集：支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo的衛星導航信息采集，通過布設北斗地基增強網，使導航定位精度進一步提升[9]. 同時建立高精度鐵路電子地圖[10]，通過多源信息融合實現對信息的高效應用.

數據傳輸：通過衛星通信、光纖通信、專網GSM-R/LTE-R、公網3G/4G這四種主要的通信方式構建出數據傳輸網絡. 基準站到北斗服務分中心的則采用千兆專用光纖通道傳輸網絡，后者可基于專網移動通信(如鐵路LTE-R)、公網移動通信經由安全設備接入，由各子分公司自行建設.

2) 數據資源層：基礎設施層采集的數據經過傳輸后進入數據資源層中相應的數據庫中.

原始數據：包括地基增強數據、完好性監測數據、高分全色影像、多普勒雷達影像.

基礎數據：包括基礎影像數據、基礎線路圖數據、基礎地形數據、基礎攝影數據.

專題數據：包括建筑信息模型(building information modeling, BIM)模型數據、工程測繪數據、工程定位數據等.

管理數據：包括北斗終端數據、平臺用戶數據、平臺訪問數據、平臺管理數據.

3) 平臺服務層：數據資源層的數據庫通過平臺服務層中的多元數據庫管理，再通過云計算挖掘系統、地理信息系統(geographic information system, GIS)與服務管理中心來實現對于位置、通信和授時的各項服務.

位置服務：完成實時定位和事后定位，同時完成定位后的數據下載.

通信服務：用于完成通信的建立、信息交互與數據下載.

授時服務：用于完成時間同步和校正，以及對應數據的下載.

4)業務應用層：平臺服務層中的數據通過各類通信協議傳輸到對應的應用與業務中，通過對不同數據的組合處理來實現物流檢測、車輛調度、施工防護、災害監測、物流監測、基礎設施形變檢測[11]、線路平縱斷面檢測等不同功能.

2 系統組成

國能集團北斗衛星運維監測服務平臺主要由地基增強系統、終端設備、數據服務平臺和業務應用系統四大部分組成，如圖2所示.

圖2 北斗衛星運維監測服務平臺系統組成

地基增強系統北斗基準站接收BDS、GPS、GLONASS的衛星觀測數據、星歷數據等，由通信網絡系統實時傳輸到數據綜合處理系統，經過處理后生成高精度定位觀測數據，利用衛星廣播、數字廣播、移動通信等手段播發至BDS/GNSS增強用戶終端，并最終將定位終端的定位結果數據上報到數據服務平臺進行持久化存儲，以供數據挖掘和其他應用使用. 建設北斗地基增強網絡，輔助實現高精度定位. 強化系統的集成與數據共享能力，提升了公共服務的水平和能力，滿足了大規模實時位置服務的需求.

隧道增強系統[12]主要用于在無衛星導航信號覆蓋的隧道或無線高精定位信號差的站場進行定位信號補強，隧道增強系統中的基準單元接入衛星定位系統，并通過中繼單元將定位信號進行延展與增強，接入的終端最終通過網管系統將自身數據上報到數據綜合處理平臺.

數據服務平臺負責將包括定位數據在內的各類數據源抽取到臨時中間層后進行清洗、轉換、集成，最后加載到數據倉庫或數據集市中，成為聯機分析處理、數據挖掘的基礎，并為最終的業務應用系統提供支撐和保障. 業務應用系統主要對應于鐵路運輸、港口航運、三項業務.

1) 鐵路運輸業務：主要實現邊坡動態檢測、列車運行預報、作業車防溜防撞、貨場安全智能管理、現場作業安全盯控等業務. 北京某山區既有客貨鐵路線基于北斗技術設計出鐵路邊坡安全監測系統，通過在監測敏感點增設北斗監測站，對監測點位置進行實時動態解算，并在平臺上實時發布監測變化曲線，在通信質量不佳的情況下利用北斗短報文進行通信，實現了對邊坡形變狀態的實時監測，為鐵路的實際運營安全提供切實保障；國能集團包神鐵路基于北斗地基增強高精度定位技術設計出智能化安全防護設備，通過國家北斗地基增強系統提供的加速定位服務，縮短了現場高精度固定解的解算時間，有效地增強鐵路施工作業安全性和可控性，為鐵路運輸安全有序運營提供支撐.

2) 港口業務：主要實現自動化裝船輔助控制、航道安全通行管理、堆場監測系統、船舶到港預測、碼頭裝卸防碰撞等業務. 廈門大小嶝造地工程利用北斗短報文通信與高精度導航系統，建立了船舶智能位置管理平臺，對船舶進行遠程實時監控管理；廣州港南沙四期全自動化碼頭基于BDS實現了智慧型引導運輸車(intelligent guided vehicle, IGV)在水平自動化運輸的應用，通過高精度的北斗衛星定位結果與其他傳感器相結合實現對IGV運行的精準控制，有效地消除了傳統集卡運輸模式存在的安全風險，提高作業效率.

3) 航運業務：船隊航線檢測、北斗短報文指揮調度、海上電子圍欄、偏航預警、航線主動避讓等業務.國能集團航運有限公司開展“基于北斗的大型船隊調度與安全監控系統”的研究，進行北斗船載監控終端和岸基指揮型接收機的研制，開展北斗衛星無線電測定業務數據鏈信息傳輸技術研究，解決了北斗通信傳輸數據量小、可靠性不高等問題，研制出北斗船舶航運監控系統彌補了我國航運船隊監控管理手段的不足[13].

3 平臺建設

3.1 基礎設施設備架構

北斗基礎設施屬于新型基礎設施建設范疇，包括北斗服務中心(數據中心)與現場邊緣實施設備，以及數據傳輸網絡等. 其中，服務中心分層建設，路港航各子分公司自行建設北斗服務分中心，國能集團設立數據匯集的集團級服務中心.

1) 邊緣基礎設施

本文提出的設計方案中，將北斗地基增強網、隧道增強網和定位相關接入終端設備都列為邊緣基礎設施設備.

北斗地基增強網是基礎設施建設的重心，應按照相關標準制定國能集團差分站建設規范[14-15]，由各子分公司自行建設. 系統由地面北斗基準站、控制中心系統、用戶服務系統、數據處理系統等組成，提供實時分米級、厘米級，后處理毫米級高精度定位的基本服務能力.

隧道增強網是北斗地基增強網的補充，通常在無衛星信號覆蓋的隧道或需要無線高精度定位補強的站場進行定位基站的架設，由各子分公司自行建設.從實現技術區分，通常有基于超寬帶無線通信技術(ultra wideband，UWB)的無線定位方式[16]和基于光纖轉發信號的室內定位方式[17]、基于衛星導航信號實時再生的室內定位方式等，可根據實際擬定行業或企業標準進行建設. 無論采用何種方式，隧道增強網都應與北斗定位、慣性導航等技術融合，時間基準、坐標基準與北斗地基增強網一致.

接入終端是指具備高精度定位模塊的、可接入北斗地基增強網或隧道增強網的終端設備，包括手持終端、車載終端、機載終端、船載終端、監測終端(含固定安裝設備、無人機等)、穿戴設備等.

2) 數據傳輸網絡

數據傳輸網絡是指與北斗接入或播發數據相關的傳輸通道，主要包括基準站到北斗服務分中心的傳輸網絡、接入終端到北斗服務分中心的通信網絡，前者最好采用千兆專用光纖通道，后者可基于專網移動通信(如鐵路LTE-R)、公網移動通信經由安全設備接入，由各子分公司自行建設.

3) 北斗服務中心

北斗服務中心分為子分公司服務分中心和集團服務中心兩級.

子分公司北斗服務分中心，通常隨北斗地基增強網同步建設，可在子分公司私有云上部署，也可配置服務器雙機部署.

集團北斗服務中心，采用超融合架構建立私有云虛擬化環境，使網絡架構具備靈活的擴展性和動態管理能力. 云計算可基于主流的OpenStack標準框架，數據湖以大規模并行處理(massively parallel processor,MPP)數據庫為核心建立數據庫集群，提供彈性的VCD服務、計算服務、網絡服務、存儲服務和數據服務等.

3.2 數據服務平臺架構

國能集團北斗服務中心基于基礎設施即服務(infrastructure as a service, IaaS)形成平臺即服務(platform as a service, PaaS)，是整個平臺建設的核心，從功能構成上可分為數據治理服務、數據存儲服務、數據共享服務和監控運維服務四大部分.

1) 面向標準化的數據治理

提供數據抽取、數據轉換、數據加載、數據匯總、數據分發、數據計算等能力，根據數據源狀況和數據類型實現數據的實時處理與非實時處理，支持統一調度分布式處理，并按照國能集團數據標準開展數據清洗、數據對齊、數據脫敏等加工.

2) 面向湖倉一體化的數據存儲

與國能集團數據湖對接，構建北斗主題的湖倉一體化數據資源池，包括BDS數據、GIS數據以及北斗相關的基礎數據、主題數據、分析數據，通過數據倉庫技術實現從操作型數據存儲(operation data store,ODS)、數據明細層(data warehouse detail, DWD)、數據中間層(data warehouse middle, DWM)到數據服務層(data warehouse servce, DWS)的海量數據分層分區存儲.

3) 面向智能化的數據共享

基于數據倉庫的數據資源，利用先進平臺服務組件，形成服務資源管理、數據開放管理、數據流程管理等能力，向外提供API、SQL、時鐘、文件、消息(短報文)等標準化接口，主要業務數據實現自助式訂閱共享智能服務功能.

4) 面向可視化的監控運維

利用統一運維管理平臺，在云服務、云管理之外提供可視化的系統管理服務和系統監控服務[18]，主要包括多租戶管理、任務管理、權限管理、數據地圖以及數據監控日志、運行監控日志等功能.

路港航子分公司級北斗服務分中心建設遵循相關要求自行開展，主要包括位置解算、地圖管理、基準站管理等服務.

3.3 業務應用體系架構

應用架構分層：國能集團應用+路港航子分公司應用，如圖3所示. 國能集團應用主要是基于一張圖，可整體或按路港航板塊或按子分公司分類分級查看北斗基礎設施建設情況、車船設備位置軌跡信息、作業人員位置軌跡信息、生產環境監測信息等.

圖3 應用架構分層

子分公司級應用：

路：北斗定位、導航、通信、監測、遙測功能在設備管理、生產作業、安全管控、環境感知、應急指揮、智能調車、智能駕駛等方面的應用；

港：在作業過程控制、作業風險防范、生產調度指揮、融合智能通信等方面的應用；

航：在狀態監控、航標管理、航線跟蹤、應急通信、安全管理、調度管理等方面的應用.

4 結束語

本文針對運輸行業對于北斗應用的具體需求，提出一個基于BDS的應用設計方案，并從總體架構、系統組成、平臺建設三方面進行了具體描述，旨在設計一個通用的方案，為運輸領域智慧化應用以及BDS規?；峁┙鉀Q思路. 本方案實現了跨專業、跨單位、跨層級之間的業務協同和信息互通，避免了標準不統一、信息不互通、數據不共享造成難以統一調度、統一使用的問題，減少了重復建設與資源浪費，實現智能化降本增效. 構建出高效便捷暢達的全產業一體化“平臺+應用”管理體系，利用天地互聯、統一基準進行時空融合，利用協同傳輸、數據挖掘、智能處理實現按需服務和智能化集成應用，為開展運輸產業不同應用場景的北斗服務應用提供基礎保障. 為BDS應用單位提供高效、方便、快捷的信息服務渠道，引領、集聚、帶動相關產業的發展. 未來，我們可以期待更加智能化的運輸管理系統，通過BDS與物聯網、人工智能等技術的深度融合，實現更高效、智能化的運輸過程.