張 平 寇宗乾

（中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043）

1 引言

《交通強國建設(shè)綱要》明確要求“推進北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用”，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通并服務(wù)全球，在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》《關(guān)于推動交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》指導(dǎo)下，推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）行業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)北斗時空信息服務(wù)在鐵路、建筑行業(yè)深度覆蓋勢在必行。近年來，北斗系統(tǒng)已經(jīng)在鐵路行業(yè)的工務(wù)、電力線路、通信、安全預(yù)警、控制測量等方面獲得了一些成功的研究與應(yīng)用［1－3］，通過深入推進北斗系統(tǒng)在鐵路行業(yè)應(yīng)用，打造新時代智慧鐵路，將大力促進中國北斗和中國高鐵兩張“國家名片”的深度融合，進一步推動我國自主科技創(chuàng)新，支撐行業(yè)安全健康發(fā)展，打破國外衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的先入為主的局面，對建立暢通、高效、安全、綠色的現(xiàn)代交通運輸體系具有十分重要的意義［4－6］。

2 北斗系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及特點

北斗系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，獨立自主建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，是國家重要時空基礎(chǔ)設(shè)施。北斗系統(tǒng)不僅在軍事上具有重要意義，而且在民生中的發(fā)展也起到不容忽視的作用。北斗系統(tǒng)提供服務(wù)以來，已在交通運輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信授時、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益［7－10］。

北斗系統(tǒng)具有以下特點：一是北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯；二是北斗系統(tǒng)提供多個頻點的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度；三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備定位導(dǎo)航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務(wù)能力。世界GNSS系統(tǒng)服務(wù)類型見表1，北斗定位技術(shù)性能見表 2［11－12］。

表1 世界GNSS系統(tǒng)服務(wù)類型

表2 北斗定位技術(shù)性能

目前被廣泛應(yīng)用的北斗衛(wèi)星定位技術(shù)包括第一代偽距單點定位、載波相位靜態(tài)定位、偽距差分定位技術(shù)，第二代的常規(guī)RTK、廣域差分定位技術(shù)，第三代的精密單點定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。第四代定位技術(shù)正在快速發(fā)展過程中，即PPP-RTK定位技術(shù)。

3 北斗系統(tǒng)在高鐵四電施工中的應(yīng)用場景分析

北斗系統(tǒng)可以提供高精度的時間及位置信息。在四電施工中，利用北斗系統(tǒng)可以實現(xiàn)四電工程的精準(zhǔn)測量與標(biāo)樁（見圖1），可服務(wù)于四電施工中的定位、選址及改遷等工作；同時可應(yīng)用北斗系統(tǒng)進行電纜線路起點、重點、轉(zhuǎn)折點、電纜接頭及電纜井位置的標(biāo)定工作，方便后期運行維護；另外，在四電施工現(xiàn)場通過在人員、設(shè)備及車輛上佩戴、安裝和集成北斗定位系統(tǒng)，可以在施工過程中對人員、作業(yè)車輛、工器具等實現(xiàn)實時高精度定位管理，并且可以利用北斗位置報告和集團用戶服務(wù)模式，實時獲取人員、設(shè)備及車輛之間的位置、距離信息，對于車輛與車輛、人員與車輛的安全距離進行預(yù)警防護，確保施工現(xiàn)場安全。

圖1 標(biāo)樁功能示意

4 北斗系統(tǒng)在四電施工中的應(yīng)用場景技術(shù)路線

4.1 信號專業(yè)

信號施工需進行施工現(xiàn)場調(diào)查及現(xiàn)場定測，采用北斗系統(tǒng)并搭建北斗精準(zhǔn)管理系統(tǒng)，從安全、質(zhì)量、效率和成本等方面優(yōu)化施工，提高施工效率及精確度。

（1）信號中繼站

新建線路信號中繼站現(xiàn)場定測。利用搭載北斗系統(tǒng)（厘米級精度）的設(shè)備對新建信號中繼站選址進行定位，利用北斗電子地圖服務(wù)實現(xiàn)現(xiàn)場定測工點的快速定位，通過航拍或手持等方式實現(xiàn)位置、環(huán)境、地貌等數(shù)據(jù)采集；對采集數(shù)據(jù)進行處理后接入線路電子地圖，生成帶有中繼站位置的線路電子地圖，供施工階段使用。

（2）信號區(qū)間布點

信號區(qū)間布點現(xiàn)場定測，利用北斗＋BIM信號技術(shù)實現(xiàn)對區(qū)間信號布點設(shè)備進行定位、測量、數(shù)據(jù)采集，采集相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理后與BIM技術(shù)相結(jié)合，生成帶有區(qū)間布點的電子圖；檢驗、核對區(qū)間布點的合理性，供施工階段使用。

4.2 通信專業(yè)

（1）新建無線通信基站定位

將北斗終端集成到無線通信基站，從而可利用北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位功能實現(xiàn)對無線通信基站的精準(zhǔn)定位；同時利用無人機航攝或手持等方式采集無線通信基站的位置及其周邊環(huán)境、地貌信息，對采集數(shù)據(jù)進行處理后接入電子地圖數(shù)據(jù)庫中，生成帶有無線通信基站位置及其周邊環(huán)境、地貌信息的電子地圖，供施工階段使用。

（2）通信線路遷改選址定位

在鐵路施工前、施工中，可以利用北斗系統(tǒng)的定位功能配合無人機、通信系統(tǒng)、航拍設(shè)備對全線受鐵路施工影響的通信線路進行精準(zhǔn)定位、測量及無人機攝影測量，對采集數(shù)據(jù)進行處理，生成帶有通信線路的地形圖或二維、三維電子地圖，使設(shè)計階段統(tǒng)計遷改工作量更加精準(zhǔn)，并可更加直觀地對高壓電力線路、通信線路進行遷改方案設(shè)計，確保相關(guān)通信線路遷改工作的順利開展。

4.3 電力專業(yè)

（1）電力現(xiàn)場施工選址定位

在現(xiàn)有高速鐵路電力施工中，可以利用北斗系統(tǒng)的定位功能對配電所、車站電源線路徑路、施工臨時用電電源線徑路、配電所位置及區(qū)間箱變位置進行精準(zhǔn)定位，節(jié)省現(xiàn)場選線、選址時間。

（2）電力遷改選址定位

在鐵路施工前、施工中，可以利用北斗系統(tǒng)的定位功能配合無人機、通信系統(tǒng)、航拍設(shè)備對全線受鐵路施工影響的高低壓電力線路進行精準(zhǔn)定位、測量及無人機攝影測量，保證電力遷改數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，合理預(yù)估電力征拆投資，確保相關(guān)鐵路電力遷改的順利開展。

4.4 變電專業(yè)

牽引變電所亭選址定位，利用北斗定位系統(tǒng)，對牽引變電所亭的所址四角定位、設(shè)備基礎(chǔ)架構(gòu)等的定位、測量與標(biāo)樁等?？衫煤脚幕蚴殖值确绞綄崿F(xiàn)位置、環(huán)境、地貌等數(shù)據(jù)采集；對采集數(shù)據(jù)進行處理后接入加載的電子地圖，實現(xiàn)所址四角坐標(biāo)地理位置的快速精準(zhǔn)定位，并在施工現(xiàn)場進行準(zhǔn)確測量和定位，進行桿位標(biāo)樁，也可以結(jié)合電子地圖進行標(biāo)樁進度顯示。因其基于統(tǒng)一地理坐標(biāo)，可避免人工測量產(chǎn)生的累計誤差。

4.5 接觸網(wǎng)專業(yè)

接觸網(wǎng)專業(yè)內(nèi)容包括牽引變電所亭至線路的供電線、線路上方架設(shè)的接觸網(wǎng)、附加導(dǎo)線，包含了基礎(chǔ)、支柱、支持定位裝置等。北斗系統(tǒng)在接觸網(wǎng)施工階段的應(yīng)用主要為定位標(biāo)樁。利用北斗終端，實現(xiàn)接觸網(wǎng)工程中支柱位置的測量與標(biāo)樁，并結(jié)合加載接觸網(wǎng)桿位信息的電子地圖，在施工或日常維護作業(yè)時進行準(zhǔn)確測量和定位，并進行桿位標(biāo)樁，也可以結(jié)合電子地圖進行標(biāo)樁進度顯示。

通過構(gòu)建北斗衛(wèi)星定位、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的接觸網(wǎng)施工現(xiàn)場，實現(xiàn)數(shù)字化測量、數(shù)字化機械施工和施工過程的智能化。聯(lián)合無人機技術(shù)加載接觸網(wǎng)智能施工裝備，實現(xiàn)接觸網(wǎng)施工作業(yè)數(shù)據(jù)采集的自動化處理，數(shù)據(jù)與設(shè)計BIM模型信息進行對比，可及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題，全面監(jiān)督施工過程。

4.6 四電專業(yè)施工通用場景

（1）施工作業(yè)北斗實時高精度定位管理系統(tǒng)

施工過程中對人員、作業(yè)車輛、工器具等的實時高精度定位管理：

①為工人佩戴標(biāo)簽或佩戴北斗定位安全帽的方式，實現(xiàn)對人員的實時高精度定位（厘米級）、考勤管理、電子圍欄劃定、歷史軌跡查詢等功能；同時與生物識別系統(tǒng)相結(jié)合，利用北斗系統(tǒng)掌握人員在現(xiàn)場出勤情況，再輔以工程量的核算就可以對勞務(wù)支出、成本核算、生產(chǎn)效率進行精確控制。在既有線施工中，利用北斗系統(tǒng)設(shè)立電子圍欄，就可以對人員活動范圍進行監(jiān)控，及時防止既有線施工中的越界行為，在工后離場前，可以監(jiān)控人員是否都已撤離，避免發(fā)生事故。

②對施工作業(yè)車輛進行監(jiān)控管理?？稍谧鳂I(yè)車輛上加裝北斗定位模塊，通過后臺調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)作業(yè)車的地理位置、運行狀態(tài)、運行軌跡監(jiān)控管理，提高調(diào)度作業(yè)效率和安全管理水平。

③對施工工具進行監(jiān)控管理。為確保安全，上道作業(yè)完成后需將相關(guān)工具全部帶離，可在工器具上加裝定位標(biāo)簽，實現(xiàn)上道工器具的管理。

工程結(jié)束后，北斗實時高精度定位管理系統(tǒng)依然可用于后期維護、人員巡檢、作業(yè)等方面，滿足建設(shè)、規(guī)劃、監(jiān)測、維護等多方面現(xiàn)代化、信息化的需求，對現(xiàn)場作業(yè)實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

（2）施工現(xiàn)場北斗安全預(yù)警系統(tǒng)

基于北斗位置報告的預(yù)警防護系統(tǒng)，根據(jù)北斗衛(wèi)星定位及軌道電路跟蹤作業(yè)車輛、施工作業(yè)人員的位置信息，并通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)列車的車載終端、施工人員的手持終端與綜合預(yù)警防護平臺的信息交互，依據(jù)位置信息及運行軌跡實現(xiàn)對碰撞的預(yù)警防護。對于車輛與車輛、人員與車輛的安全距離進行預(yù)警防護，確保施工現(xiàn)場安全。

因現(xiàn)場施工存在一定的時間、區(qū)域限定，尤其是在多專業(yè)交叉作業(yè)、天窗點施工等情況下，一般會限定在某一區(qū)域、某一時間段內(nèi)進行施工作業(yè)，因此可考慮通過北斗“電子圍欄”方式實現(xiàn)上道作業(yè)人員的作業(yè)門及作業(yè)邊界管理。

5 結(jié)束語

北斗系統(tǒng)應(yīng)用于高鐵四電施工中，可有效控制施工質(zhì)量，改善施工管理水平，為實現(xiàn)高鐵四電數(shù)字化、智能化施工提供有力支撐和基礎(chǔ)保障。本文提出的北斗系統(tǒng)在高鐵四電中的應(yīng)用場景及技術(shù)路線，可為后續(xù)北斗系統(tǒng)在高鐵四電施工中的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)性意見。