北斗卫星导航系统在铁路工务工程中的应用探讨

姜文超，冯仲伟，朱宏伟

(高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

北斗卫星导航系统在铁路工务工程中的应用探讨

姜文超，冯仲伟，朱宏伟

(高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

介绍北斗卫星导航系统的发展现状、特点和技术优势，并从路基自动化沉降监测、桥梁挠度监测、铁路施工现场人机定位与管理等6个方面探讨了该系统在铁路工务工程领域可能的应用，阐述了各种应用具体的工作原理、技术方案和可行性。

北斗卫星导航系统 铁路 工务工程 应用

1 北斗卫星导航系统现状

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS)是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国全球卫星定位系统和俄罗斯全球卫星导航系统之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务，并具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20 m，授时精度优于100 ns。目前，北斗导航定位系统已经成功发射4颗北斗导航试验卫星和16颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。

与其他卫星导航系统相比，北斗卫星导航系统具有7项技术优势:①导航定位与通信集成，定位和授时精度高，且系统具备双向报文通信功能;②覆盖的范围广，全面覆盖了我国国土及周边区域;③特别适合集团用户大范围、远程监控管理和远程数据采集、传输应用;④融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大核心资源;⑤采用混合星座定位模式;⑥兼容美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟的Galileo，兼容性更强;⑦自行研制，自主控制，安全保密。

2 BDS在铁路工务工程领域的应用展望

目前，我国铁路在列车定位、铁路沿线地质灾害及基础设施监测、工程施工等领域，涉及卫星导航应用技术的产品一般都采用价格低廉的GPS。由于GPS系统的所有权、控制权、运营权都属于美国国防部，且一直存在人为干扰等问题，故铁路系统正探讨应用北斗卫星导航系统，从而全面提升铁路系统的安全性和可靠性。

随着我国高速、重载铁路的快速发展，开展基于北斗卫星导航系统的相关技术研究，研发具有自主知识产权的北斗卫星导航系统应用，为铁路行业提供全面的技术支撑和配套解决方案已具备基本条件。根据调研和分析，结合行业应用案例，北斗卫星导航系统在铁路工务工程领域的应用可分为2类。

2.1 基于BDS的高精度变形监测技术

通过接收来自北斗卫星的信号和基准站的信息，并对接收到的数据进行实时差分处理，可计算出待监测点的三维坐标，从而实现实时厘米级、甚至毫米级精度的动态测量和实时高精度连续静态测量。利用BDS进行变形监测具有显著的优势:①可实现全天候、全天时的三维高精度测量;②量程大，满足铁路行业的需求;③基准站和待监测点的距离几乎不受限制;④延时短、实时性强，且各监测点可实现同步测量，从而实现高度自动化的无人值守监控。

2.1.1 路基沉降自动化监测

路基沉降监测的内容包括路基表面、本体及基底沉降监测，深厚层地基分层沉降监测，软土地基水平位移监测和复合地基加筋的应力应变监测等。其中，路基表面沉降主要通过埋设沉降观测桩来监测。应用北斗卫星定位系统来分层监测含水系统各主要层位的沉降量和孔隙水压力的变化量时，沉降监测剖面的设置、观测内容以及元件的布设应根据地基条件、结构部位等具体情况，结合沉降预测方法和工期的要求综合确定。

2.1.2 边坡滑坡自动化监测

同路基沉降自动化监测类似，边坡滑坡自动化监

测也是依托北斗卫星定位系统进行毫米级实时动态测量并快速作出山体崩塌、滑坡等灾害的预警(图1)。同时，边坡滑坡自动化监测可以与传统的通过阵列式位移传感器或光纤光栅传感器进行监测的方式相配合，对边坡岩土体内部的沉降、倾斜、错动、土壤湿度、孔隙水压力变化等进行连续监测，捕捉边坡性状变化的特征信息，通过有线或无线方式将监测数据发回数据中心。结合地表监测的雨量、位移等信息，经专业数据分析软件测算，对边坡的整体稳定性作出判断，从而准确地监测灾情，以保证线路安全并为整治工程设计提供参考数据。

图1 滑坡监测示意

2.1.3 路基冻胀变形自动化监测

在寒冷及严寒地区，季节性冻土在气温低于0℃时体积会发生膨胀，造成冬季路基面抬升，引起铁路轨道不平顺。这种现象对高速铁路影响尤为严重，因此严寒地区高速铁路路基防冻胀设计尤为重要。

路基冻胀变形自动化监测系统是一种综合性的远程监测系统。其应用北斗卫星定位系统对严寒地区季节性冻土的温度、水分和路基面抬升进行连续分层监测，及时捕捉路基性状变化的特征信息，通过有线或无线方式将监测数据及时发送到监测中心，快速作出轨道不平顺的预警，且为防冻胀工程设计提供参考数据。

2.1.4 桥梁挠度监测

桥梁几何线形监测主要指结构静态的变形、变位等，包括主梁线形(挠度和转角)、拱轴线形、索塔轴线、墩台变位(倾斜、沉降)等。混凝土徐变、温度变化等都会引起桥梁各部分轴线位置的变化，如果对设计位置的偏离超过规定值，桥梁的内力分布甚至行车性能就会受到影响。因此，梁轴线、拱轴线或斜拉桥和悬索桥的主梁、索塔的轴线位置是衡量桥梁是否处于健康状态的重要指标。

基于北斗卫星导航系统的桥梁扰度监测系统由基准站、监测站和监控中心三部分组成。各部分之间通过通信网实现数据交互。在需要进行监测的铁路沿线布设北斗卫星接收设备，并在不容易发生沉降或变形的区域建立基准站。基准站安置一台高精度接收机，对测区内的卫星进行连续观测，并通过光纤网络实时将观测数据和站坐标信息广播给监测站。监测站通过接收机接收卫星定位信号，同时通过光纤网络通信链路接收基准站传送的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地处理数据，并实时地以厘米级的精度给出测站的三维坐标。卫星数据通过无线网络传输到监测中心服务器，监测中心进行实时解算。网络中断时可利用北斗短报文作应急处理。桥梁挠度监测如图2所示。

图2 桥梁挠度监测示意

2.2 基于BDS的高精度定位技术

通过北斗定位系统可以采集工程测量、监测、检测等项目需要用到的位置坐标，替代传统的人工采集，从而大大提高测量精度及准确性。结合通信技术，可以将这些信息实时上传到网络管理平台，实现对铁路工程勘察、施工、运营关键环节的远程监控，推动我国铁路信息化进程。

2.2.1 现场人机管理

现场人机管理是指通过北斗定位系统获取现场作业车辆、人员的位置信息，并记录车辆、人员的移动轨迹来监控作业过程。

由于列车速度高，行车密度大，维修施工现场无计划超范围施工、天窗点外违规上线作业、安全防护不到位等问题容易引发安全事故。施工安全问题一直困扰着铁路运输安全。如果能对现场作业进行有效控制，及时制止惯性违章，采取相应机控预警及控制手段，就可堵住事故源头。

目前国内外已经开始开发施工安全管理系统。日本的维修施工作业管理子系统可以编制、协调、批准、下达施工作业计划，确认作业开始和结束时间，办理施工作业车辆的进路。由于一些技术上的原因，目前国内铁路施工安全管理系统功能较为单一，只是侧重施工计划管理和数据分析，而不注重施工安全整体流程的监控与管理。

通过应用北斗定位系统、手持终端、铁路GIS地图

来实现对现场作业车辆和人员的全过程位置监控，辅以计划管理、安全门监控等手段，可实现对施工安全的全流程监控与管理。目前研发工作的重点是基于BDS的现场作业人员随身携带的高精度定位装置，需具备亚米级精度，且能识别股道，并与机车的定位装置相对照，实现当机车接近时能及时向相关人员预警，以机控冗余的方式增强现场作业人员的安全。

2.2.2 路基连续压实检测

目前我国铁路路基常用的压实质量检测技术一般采用单点事后检测方式，如检测地基系数 K30、动态变形模量Evd等。这种抽样检测的方式不能全面反映路基的整体压实状况，当出现不合格情况时难以界定需要处理的区域，且检测数据受人为因素影响较大。自20世纪80年代以来，国外涌现的连续压实监测技术(图3)提供了路基全面质量检测的新思路。其基本原理是:①利用振动碾上的压实传感器自动记录碾压区域的压实信息;②利用传感器实时获得压实测点的精确位置和检测时间(利用BDS系统);③利用无线通信设备实时向数据处理中心传送压实检测信息;④安装在驾驶室的显示器实时为驾驶员展示路基填筑的设计信息和压实信息。

连续压实检测设备可以随压路机碾压作业同步完成质量检测，通过监测压路机的振动信号，计算得到路基的压实状况。该方法对施工干扰较少，而且可以做到过程控制，能及时根据检测结果对施工进程进行调整，是信息化施工的有力支持。

图3 路基连续压实监测示意

3 结语

我国铁路运营总里程不断增加，列车运行速度不断提高，但地质地形极为复杂，养护维修作业任务繁重。在铁路工务工程领域引入北斗卫星导航定位系统，实时监测线路、桥梁、边坡等的变化情况，及时跟踪作业人员和作业车辆的运行轨迹，对保证铁路安全运营具有实际意义。

［1］赵康宁，赵勇.面向信息融合的北斗卫星导航系统及应用发展［J］.中国铁路，2013(4):1-3.

［2］于天泽.北斗卫星导航定位技术在我国铁路应用探讨［J］.中国铁路，2013(4):4-7.

［3］陈国锋.北斗卫星高精度地面增强技术的铁路应用探讨［J］.中国铁路，2013(4):22-25.

［4］苏蕊，刘晓娟.“北斗”卫星导航系统在铁路行业中的应用［J］.铁路通信信号工程技术，2011(12):28-30.

(责任审编 葛全红)

U2

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.36

2015-04-19;

:2015-05-26

姜文超(1983— )，男，山东淄博人，硕士研究生。

1003-1995(2015)09-0128-03