軌道交通的時空技術變革

李中浩

(中國城市軌道交通協會專家和學術委員會副主任，原鐵道部信息技術中心主任)

2022年3月17日，中國北斗衛星導航系統重大專項——北斗鐵路行業綜合應用示范工程歷時2年，順利通過國家驗收。2022年3月20日，國家重點研發技術——地鐵北斗定位系統首都機場線示范應用研究項目舉行了啟動儀式，我國首個地鐵北斗定位系統在北京地鐵首都機場線開工建設，這是我國目前規模最大的室內空間導航定位系統，預計今年年內建成。高鐵應用北斗技術項目通過驗收、地鐵應用北斗技術項目開工建設，預示我國軌道交通技術將由于“北斗+5G”等時空技術的賦能而面臨變革。

國鐵集團依托國家發展和改革委員會工程項目，形成了鐵路北斗應用服務平臺，面向鐵路勘察設計、施工及運維三大階段，在鐵路工程測量、自動化監測系統、智慧工地系統、位置感知預警防護系統、鐵路工務巡檢、軌道測量及平順性檢測、“一帶一路”中歐班列集裝箱定位跟蹤、高分遙感地質調查、高鐵列車控制系統等9大鐵路業務版塊進行了示范應用，將北斗三號高精度定位和北斗短報文通信技術應用于鐵路列車接近預警應用場景。示范工程同步完成了71項北斗知識產權布局和專利預警，編制了4項企業標準性技術文件，有力促進了中國北斗和中國高鐵兩張“國家名片”的深度融合。

時間標準與空間定位信息已成為以萬物互聯、人工智能和大數據應用為特征的智慧城軌建設的基礎。上述鐵路北斗應用主要用于暴露空間。長期以來，非暴露空間中的定位、導航、授時和通信一直被認為是世界級技術難題，它已成為制約智慧城軌應用北斗技術的瓶頸。建設以北斗為基礎的高精度定位網、高精度時間同步網、高通量通信網和空間數字化平臺，可以對智慧城軌的建設起到基礎性的支撐作用。

地鐵北斗定位系統是國家重點研發計劃——超大城市軌道交通系統高效運輸與安全服務關鍵技術項目的重要配套示范工程，基于北斗智慧定位導航系統，可應用于實景導覽、檢修定位、輔助施工、高效調度等地鐵場景。北京地鐵首都機場線示范工程覆蓋30 km運行線路和5座車站，部署完成后，可使地鐵車站地下空間定位精度提高至優于2 m，實現全景地圖導覽及高精度定位導航。隨著北斗衛星導航系統的完善，到2025年全球空間定位精度將提升到厘米級別。綜合應用“北斗+5G+云平臺”等技術，構建由高精度定位網、高精度時間同步網、高通量通信網和城軌云平臺組成的時空體系網絡，打破城軌暴露空間與非暴露空間之間的壁壘，形成城軌時空基準信息網絡，并將其作為智慧城軌建設和運營的基礎設施，為城軌提供統一、連續的空間與時間信息以及定位、授時、通信服務。

交通數據是典型的時空數據，不僅具有時間維度屬性，還對空間維度有著較強的依賴性。隨著不同軌道交通信息系統之間的融合發展，高精度的空間定位與時間標準信息顯得更為重要。目前，我國正在建設以北斗系統為基礎的綜合定位、導航與授時(Positioning, Navigation and Timing，簡稱PNT)體系。該體系可利用基于不同原理的多種PNT信息源，經過云平臺控制、多傳感器高度集成和多源數據融合，生成統一的時空基準并實現對室內、水下、深度空間等領域的覆蓋。

城市軌道交通每年有近200億位乘客，在地鐵里乘客利用手機上網的需求強烈，城市軌道交通引入5G公網有天生優勢。城軌的5G專業應用可以通過5G公網的廣域切片，通過QoS(Quality of Service,即服務質量)、網絡切片等手段實現業務邏輯隔離，滿足對特定網絡速率、時延及可靠性的優先保障需求，并按需靈活配置。 也可通過局域切片，利用邊緣計算技術，實現數據流量卸載、本地業務處理，滿足數據不出場、超低時延等業務需求，為客戶提供專屬網絡服務。

隨著軌道交通智慧化、網絡化、數字化發展，構建具有高精度定位網、高精度時間同步網的5G公專網絡和LTE-M(Long Term Evolution for Metro,這里指技術上可長期演進的、服務于城市軌道交通的車地通信系統)網絡；應用“北斗+5G”等時空技術助力旅客服務質量提升、智慧車站建設、智能裝備換代、智能運維推廣的軌道交通網絡化運營新時代即將到來。