中国铁道科学研究院电子所铁路北斗应用研发中心
封博卿 刘默涵 刘阳学宾元岑
一、背景
国家战略方面，国家对时空信息产业高度重视，先后在“一带一路”、《数字交通发展规划纲要》、“十四五”规划、《“十四五”数字经济发展规划》等国家政策及发展规划相关文件中明确提及北斗、地理信息技术及相关应用的发展方向及发展要求，为时空信息技术的研究工作开展提供了政策支持。
国铁集团十四五网信规划，明确了智能铁路信息化的发展目标、发展方向，明确了要构建大数据与人工智能平台，以北斗、GIS遥感监测作为智能感知层，以智能决策、数据融合作为智能建造中智能高铁大脑平台的核心组成部分，时空信息技术服务在铁路战略决策、建设管理、资产管理、运输生产、经营开发等方面发挥着越来与重要的作用。
二、铁路时空信息服务平台
铁路北斗应用研发中心为推进高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性铁路信息基础设施建成，铁路各业务领域信息系统标准规范化，打造了“铁路时空信息服务平台”。
铁路时空信息服务平台通过整合铁路时空信息数据，构建铁路专业地理信息数据库，利用北斗卫星导航系统技术提供高精度位置服务、授时服务及短报文通信服务，将“何时、何地、何种关系”串联，形成行业级共性基础技术平台。平台包含铁路地理信息平台与铁路北斗应用服务平台两部分。
（一）铁路地理信息平台
1.平台定位
铁路地理信息平台以实现铁路空间信息和服务共享为目标，在与国家地理信息公共服务平台接轨的基础上，统一管理铁路空间地理信息数据，为铁路各业务系统提供GIS服务，形成“一张图+N服务”的地理信息应用模式，并支持基于平台的应用开发和服务发布，为铁路战略决策、建设管理、资产管理、运输生产、经营开发、综合协同提供了强有力的支撑。
目前平台已发布655个铁路空间数据服务、管理132种铁路要素设施，实现铁路设施设备的全覆盖，支撑全路73个业务系统，累计访问量达2亿多次。铁路地理信息平台服务能力如图1所示。
图1 铁路地理信息平台服务能力
2.功能及特点
平台从功能上划分为22个模块，提供铁路地理信息数据的管理、发布、展示、分析、开发支撑、访问监控等，充分满足不同类型用户、不同业务系统对铁路地理信息的需求。
1）统一软件平台。以国铁集团地理信息平台为基础，统一规范各类电子地图，为铁路各业务信息系统提供铁路地理数据及GIS功能服务，支持基于铁路地理信息平台的应用开发，为铁路规划设计、工程建设、运营管理及公众服务提供支撑，为数字铁路建设夯实基础；
2）统一数据标准。统一管理国家基础地理信息、铁路基础地理信息、铁路专业地理数据，实现铁路空间数据共享共用，保证铁路空间数据的现势性，为铁路信息化提供全面、规范、准确的地理信息数据；
3）降本增效。搭建铁路地理信息平台可避免同类型业务系统的重复建设，降低企业运营维护成本，节约企业投资，提高铁路空间数据管理水平。
（二）铁路北斗应用服务平台
1.平台定位
铁路北斗应用服务平台以《铁路信息化总体规划》为指导，从资源共享、整体应用、高质量服务等角度出发，统一提供高精度位置服务、授时服务、短报文通信服务，统一管理铁路北斗应用设备，全面支撑北斗卫星导航系统在铁路应用。
平台为铁路勘察设计、工程建设、运营维护全生命周期各业务领域提供北斗应用支撑，促进铁路业务与信息化深度融合，推动铁路信息化总体规划的落地。铁路北斗应用服务平台系统页面如图2所示。
图2 铁路北斗应用服务平台系统页面
2.功能及特点
铁路北斗应用服务平台向终端设备提供高精度位置、授时及短报文信息服务，向业务系统、通信综合网管提供位置、短报文、状态信息等，同时向铁路数据服务平台提供时空信息。
1）实现高精度位置服务统一提供。向用户提供厘米级至亚米级的精确实时定位服务，以及毫米级的准实时定位服务；
2）实现授时服务统一提供。为终端设备、业务应用系统提供精准时间服务；
3）实现通信服务统一提供。为终端设备之间、终端设备与北斗平台之间，以及终端设备与普通手机用户之间提供短报文通信服务；
4）实现在网设备统一管理。准确掌握全路卫星导航应用设备在网状态、位置等信息，实现全路在网设备综合展示；
5）时空信息共享。为铁路数据服务平台提供在网设备时空信息，支撑基于时空信息大数据分析，支持与路外其他行业、企业时空信息共享。
三、基于时空信息服务的典型应用
（一）车载北斗高精度时空基准单元
车载北斗高精度时空基准单元主要应用于构建移动装备车载时空基准，确保铁路车载时空基准系统一致性、安全性、可靠性，为车载设备提供高精度定位、授时服务。车载北斗高精度时空基准单元设备图如图3所示。
图3 车载北斗高精度时空基准单元设备图
系统由时空基准单元、传输网络、铁路北斗应用服务平台、站段地面系统等组成，当列车处于无卫星信号条件时，可利用内部高精度惯性导航模块、雷达和时间驯服模块，实现为车载设备持续输出高精度定位和授时信息。当列车恢复接收卫星信号时，系统即可进行校准，修正累积误差。
1）高精度定位。基准单元接收铁路北斗应用服务平台播发的差分服务，为铁路车载设备提供高精度位置服务；
2）时间同步。基准单元以GNSS卫星时间或地面时钟源为基准，通过标准的授时接口为其他车载系统提供时间信息，实现整车设备时间同步；
3）无线数据传输。基准单元可为设备自身和其他车载设备提供高速无线数据传输服务；
4）数据加解密。基准单元能够对车载设备传输的数据进行加密和解密，保证数据传输的安全性。
（二）铁路北斗基础设施监测系统
铁路北斗基础设施监测系统采用高度自动化集成设计，保证基础设施监测的实时性和连续性，有效获得位移趋势信息，同时保证高精度和自动化，为线路安全增加保障。
平台并提供基于阈值的灾害预警功能，用户可根据灾害预警等级采取相应紧急处理措施，减轻因灾害引发的损失，避免次生灾害，并为抢险求援、日常维护等工作提供数据基础依据。铁路北斗基础设施监测系统页面如图4所示。
图4 铁路北斗基础设施监测系统页面
1）实时监测。系统实现对沿线基础设施监测设备及对应施工工点的位置、运行状态自动、连续、实时监控及可视化展示；
2）统计分析。对各项监测数据进行分析统计，并依据位移数据建立的预警机制，实现监测点的位移形变情况自动化管理，为铁路的安全运营和信息化建设提供基础数据监测以及灾害预警服务；
3）警情快速处理。根据告警信息危急程度，将告警信息及时准确地传达到相关人员，及时采取防御措施，最大限度减少人员伤亡和财产损失。
（三）铁路北斗上道作业人员辅助防护系统
铁路北斗上道作业人员辅助防护系统应用北斗卫星导航技术，依托铁路北斗应用服务平台，为作业人员提供高精度位置服务，有效实现作业人员的安全监控与管理。铁路北斗上道作业人员辅助防护系统页面如图5所示。