高一凡， 王楠楠， 吳迪迪， 陳小英

(1. 北京錦鴻希電信息技術(shù)股份有限公司，北京 100070； 2. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100044；3. 中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

高效運(yùn)營與安全保障是軌道交通永恒的主題。長期以來，我國軌道交通的高效安全運(yùn)行面臨著多重的壓力[1-3]，而重載鐵路的快速發(fā)展更是使其在運(yùn)營安全、運(yùn)輸效率、基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)、維護(hù)等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

重載鐵路日常維護(hù)包括每日人工巡查維護(hù)、天窗時(shí)間內(nèi)維修、要點(diǎn)維修和大修等；各專業(yè)針對運(yùn)營、安全、設(shè)備維護(hù)等進(jìn)行各種檢測、監(jiān)測，產(chǎn)生了海量的、結(jié)構(gòu)多樣的數(shù)據(jù)。如何有效地采集、管理和應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，是重載鐵路高效運(yùn)營和管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[4-6]。

我國高速鐵路裝備的運(yùn)營與安全保障系統(tǒng)主要有列控系統(tǒng)和鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)。列控系統(tǒng)根據(jù)地面設(shè)備提供信號動(dòng)態(tài)信息、線路參數(shù)、臨時(shí)限速信息和動(dòng)車組參數(shù)，按照目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式監(jiān)控列車運(yùn)行，保證列車的運(yùn)行安全[7-8]；自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)能對鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及異物侵限等狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警、報(bào)警，并對異物和地震進(jìn)行聯(lián)動(dòng)安全控制等[9-11]。

現(xiàn)有關(guān)于列控信息和自然災(zāi)害信息的監(jiān)測都是通過在地面布設(shè)傳感器，然后將感知信息通過鐵路專網(wǎng)或者公網(wǎng)傳輸?shù)铰肪W(wǎng)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析后，將預(yù)警信號發(fā)送給車輛段或者列車乘務(wù)員。該監(jiān)測方式是對一個(gè)區(qū)域局部信息的感知和處理，難以實(shí)現(xiàn)大范圍、全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測，缺乏全局和宏觀的決策能力[12-13]。因此，迫切需要建設(shè)一套監(jiān)測系統(tǒng)，突破現(xiàn)有鐵路地面監(jiān)測、預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)信息交換現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)基于空天車地信息一體化的重載鐵路系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)全息化感知與信息集成應(yīng)用技術(shù)，滿足重載鐵路列車安全運(yùn)行大范圍、全天候、全覆蓋、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測需求。

基于空天地一體化的監(jiān)測系統(tǒng)在地球觀測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域已經(jīng)有初步的應(yīng)用[14-16]，在高速鐵路的熔巖勘測和山區(qū)地形測繪方面也有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)[17-19]，但是尚未形成完整的、面向重載鐵路安全監(jiān)測和預(yù)警的空天車地一體化監(jiān)測系統(tǒng)。本文建立的基于空天車地一體化的監(jiān)測系統(tǒng)框架及其典型示范應(yīng)用，將為未來重載鐵路的安全監(jiān)測提供良好的理論、技術(shù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)總體方案與功能設(shè)計(jì)

本文針對典型重載鐵路的特點(diǎn)，以系統(tǒng)功能和指標(biāo)體系為主要依據(jù)，提出重載鐵路運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)綜合集成體系結(jié)構(gòu)、組成，以及各組成部分的功能、配置、外部接口等內(nèi)容。

1.1 系統(tǒng)總體功能分析

目前重載鐵路的日常維護(hù)工作存在兩個(gè)主要問題：①一線維護(hù)人員數(shù)量較少，維護(hù)線路長，承擔(dān)責(zé)任大；②行車密度大，維修時(shí)間嚴(yán)重不足，只能進(jìn)行小修小補(bǔ)，線路長期處在超負(fù)荷運(yùn)營之中。因此在綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本的情況下，應(yīng)實(shí)現(xiàn)廣域大范圍的低成本覆蓋，通過靜態(tài)滯空平臺(tái)(飛艇)進(jìn)行覆蓋的方式具備顯著優(yōu)勢，可以解決維護(hù)線路長、難以全天候定區(qū)域安全監(jiān)測導(dǎo)致的諸多難題。本課題要求靜態(tài)滯空平臺(tái)具備大載荷、長航時(shí)、高精度定區(qū)域駐空、立體多維態(tài)勢感知、低成本運(yùn)維等能力。

由于一般情況下很難到達(dá)重載鐵路的現(xiàn)場，因此動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)(無人機(jī))的應(yīng)用是解決這一問題的有效途徑。結(jié)合重載鐵路的特點(diǎn)，本文提出專用動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)快速部署、實(shí)時(shí)監(jiān)測、操作簡易、長航時(shí)滯空、遠(yuǎn)程作業(yè)、可靠性高等特點(diǎn)。同時(shí)，重載鐵路的多源聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)在空間、時(shí)間、尺度等方面呈現(xiàn)出多粒度形態(tài)，并存在嚴(yán)重的不一致性；多源傳感器獲得的感知數(shù)據(jù)具有歧義性和缺失性，監(jiān)測對象與環(huán)境具有多態(tài)性、非結(jié)構(gòu)性，因此，需要研究反映多尺度、多域狀態(tài)信息的關(guān)聯(lián)認(rèn)知模型，提出狀態(tài)信息的時(shí)空表征，獲取關(guān)聯(lián)融合方法，為列車本體安全狀態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測、線路等狀況的快速巡檢等監(jiān)視應(yīng)用需求奠定理論方法基礎(chǔ)。

另外，重載鐵路的多平臺(tái)監(jiān)測信息存在時(shí)空維度不同、多元異構(gòu)等特性，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)融合。同時(shí)，軌道交通狀態(tài)的生成與演化具有不確定性和跨尺度特性，需要探索不同局部運(yùn)行狀態(tài)的耦合機(jī)制及演化機(jī)理，建立態(tài)勢的跨尺度時(shí)空映射關(guān)系模型，解決狀態(tài)態(tài)勢跨尺度時(shí)空演化涌現(xiàn)這一關(guān)鍵科學(xué)問題。重點(diǎn)面向軌道交通系統(tǒng)狀態(tài)信息的融合處理方法、安全態(tài)勢的跨尺度演化、多源立體監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)評價(jià)與能力涌現(xiàn)展開研究，實(shí)現(xiàn)對軌道交通系統(tǒng)的多元、多維、多粒度的實(shí)時(shí)全息化評估，綜合保障軌道交通系統(tǒng)安全運(yùn)行；同時(shí)要求系統(tǒng)在突發(fā)事件、突發(fā)數(shù)據(jù)請求等情況下，具備應(yīng)急保障能力。

綜上所述，針對重載鐵路大范圍實(shí)時(shí)運(yùn)營與安全保障對廣域立體監(jiān)測、多尺度監(jiān)測信息深度融合等的迫切需求，本文將構(gòu)建空天車地一體化的狀態(tài)監(jiān)測與處理技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全方位、全息化的運(yùn)營與安全綜合保障能力。通過引入臨近空間飛艇、低空無人機(jī)、列車及地面軌旁系統(tǒng)互聯(lián)互通的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效整合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中空間和地面兩個(gè)部分，通過專用網(wǎng)絡(luò)將原本分散的感知監(jiān)測能力連接成一體化的專用網(wǎng)絡(luò)。首次通過空天車地綜合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對軌道交通廣域線路、基礎(chǔ)設(shè)施、在途列車群狀態(tài)的立體信息獲取(看得全)、可信傳輸(傳得好)與精準(zhǔn)運(yùn)管(判得準(zhǔn))，從而滿足未來軌道交通系統(tǒng)全息化安全保障和運(yùn)營支持的需求。

1.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

重載鐵路運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)按照節(jié)點(diǎn)空間分布分為臨近空間、空中、車載、地面四個(gè)層面，主要包括臨近空間平臺(tái)(專用靜態(tài)滯空平臺(tái))、空基平臺(tái)(專用動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)，包括翼型無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)等)、車載監(jiān)測、地面監(jiān)測節(jié)點(diǎn)以及地面數(shù)據(jù)中心。

重載鐵路運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)利用分布于臨近空間、空中、車載及地面的專用靜態(tài)滯空平臺(tái)、專用動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)、列車以及軌旁監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上加裝的監(jiān)測系統(tǒng)裝置，結(jié)合地面既有監(jiān)測系統(tǒng)，共同構(gòu)成了系統(tǒng)的監(jiān)測部分，提供列車本體、基礎(chǔ)設(shè)施(路基、橋梁、隧道等)及運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)軌道交通多尺度多域狀態(tài)信息的時(shí)空一致獲取與關(guān)聯(lián)。

針對鐵路大范圍實(shí)時(shí)運(yùn)營與安全綜合保障對按需動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、任務(wù)應(yīng)急重構(gòu)、可靠傳輸?shù)确矫娴男枨?，?gòu)建空天車地軌道交通專用網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)覆蓋列車、地面基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境的空天車地一體化協(xié)同組網(wǎng)，支持面向軌道交通運(yùn)營業(yè)務(wù)以及應(yīng)急業(yè)務(wù)等條件下的快速組網(wǎng)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)，具備大范圍軌道交通安全監(jiān)控大帶寬、實(shí)時(shí)、高可靠的長距離通信傳輸能力。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析部分通過構(gòu)建大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，運(yùn)用多維度軌道交通狀態(tài)信息融合和互操作技術(shù)，對多源立體感知數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和挖掘，實(shí)現(xiàn)對多元時(shí)空大樣本數(shù)據(jù)的有效處理和分析利用，達(dá)到安全狀態(tài)信息深度融合與整體行為的跨尺度演化涌現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)軌道交通狀態(tài)辨識(shí)評價(jià)、預(yù)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)分析。

重載鐵路運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)通過空天車地軌道交通專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)立體感知信息的可靠傳輸與無縫共享，結(jié)合軌道交通系統(tǒng)狀態(tài)信息融合與處理系統(tǒng)對多源數(shù)據(jù)的智能分析，支撐列車運(yùn)營安全全方位監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)傳輸與預(yù)警處理。

2 系統(tǒng)組成部分

重載鐵路運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)主要由監(jiān)測子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)三部分組成，其中監(jiān)測和通信子系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)包括專用靜態(tài)滯空平臺(tái)節(jié)點(diǎn)、專用動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)節(jié)點(diǎn)、列車節(jié)點(diǎn)、軌旁監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及地面通信節(jié)點(diǎn)等；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要是以地面數(shù)據(jù)處理中心為核心的數(shù)據(jù)處理和預(yù)測預(yù)警平臺(tái)。各子系統(tǒng)通過通信設(shè)備和通信鏈路進(jìn)行連接，共同完成空天車地一體化軌道交通系統(tǒng)安全保障的功能。

重載鐵路運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)主要由專用靜態(tài)滯空平臺(tái)、專用動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)、軌道交通系統(tǒng)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)獲取與監(jiān)測子系統(tǒng)、應(yīng)急通信子系統(tǒng)、空天車地軌道交通專用網(wǎng)絡(luò)、軌道交通系統(tǒng)狀態(tài)信息融合預(yù)處理子系統(tǒng)以及既有監(jiān)測系統(tǒng)組成。

2.1 專用靜態(tài)滯空平臺(tái)

本文提出的專用靜態(tài)滯空平臺(tái)是針對軌道交通大范圍實(shí)時(shí)運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)的要求研制，具有大載荷、長航時(shí)、高精度定區(qū)域駐空三項(xiàng)核心能力，支持全天候定點(diǎn)廣域覆蓋，能夠解決廣域稀疏路網(wǎng)難以全天候定區(qū)域安全監(jiān)測的難題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全方位、全息化的運(yùn)營與安全綜合保障能力，提供空中平臺(tái)保障。

專用靜態(tài)滯空平臺(tái)主要通過在飛艇平臺(tái)上安裝光電吊艙等遙感遙測設(shè)備，對軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)中心，對基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷及預(yù)測。

應(yīng)用場景及監(jiān)測對象主要包括：列車位置、基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)(線路、橋梁、隧道的狀態(tài))、運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)(山體滑坡、塌方、泥石流、水位暴漲等自然災(zāi)害；風(fēng)、沙、雨、雪等自然環(huán)境)及異物侵限(落石、動(dòng)物、車輛、設(shè)施、遺留物等)。

2.2 專用動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)

本文設(shè)計(jì)的專用動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)滿足快速部署、實(shí)時(shí)監(jiān)測、操作簡易、長航時(shí)滯空、遠(yuǎn)程作業(yè)、可靠性高等要求，支持實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)監(jiān)視的業(yè)務(wù)要求。

結(jié)合動(dòng)態(tài)滯空平臺(tái)的高機(jī)動(dòng)性，在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)和視頻監(jiān)測系統(tǒng)，對軌道現(xiàn)場動(dòng)靜態(tài)異物侵限進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警；對線、橋、隧及軌旁設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行高機(jī)動(dòng)性和高分辨率的狀態(tài)獲取和識(shí)別；對線、橋、隧的完整度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和分析；對突發(fā)事故進(jìn)行近距離、高精度探測。

翼型無人機(jī)所搭載的遙感遙測設(shè)備的部分監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過艇載基站實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至地面中心；隧道無人機(jī)自主飛行完成巡檢任務(wù)，巡檢所得數(shù)據(jù)使用專用U盤等介質(zhì)通過專用網(wǎng)絡(luò)傳送或直接拷貝至地面中心；通過無人機(jī)搭載的高像素照相設(shè)備、紅外攝像設(shè)備、激光雷達(dá)設(shè)備等，獲取實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度和高分辨率的拍攝，并通過機(jī)載的GPS(全球定位系統(tǒng))和具備實(shí)時(shí)傳圖功能的數(shù)據(jù)鏈路，將各信息采集狀態(tài)的視頻數(shù)據(jù)回傳到地面站。

2.3 車載監(jiān)測輔助平臺(tái)

位置監(jiān)測輔助平臺(tái)主要通過衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航傳感器組合定位方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測列車的運(yùn)行位置，其列車定位精度基本滿足列車定位需求。

軌道交通車載監(jiān)測平臺(tái)監(jiān)測對象復(fù)雜多樣，應(yīng)用的場景非常豐富，本系統(tǒng)選擇有代表性的監(jiān)測對象進(jìn)行分析。

(1) 列車位置監(jiān)測。為實(shí)現(xiàn)空天車地環(huán)境下列車高精度連續(xù)無縫定位，采用基于衛(wèi)星定位的多傳感器信息融合組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車位置的實(shí)時(shí)獲取與行車監(jiān)測，突破多傳感器緊耦合組合定位核心算法，實(shí)現(xiàn)面向線橋隧等多個(gè)典型應(yīng)用場景的測試示范和驗(yàn)證。

(2) 列車關(guān)鍵部件監(jiān)測。其包括軸箱狀態(tài)監(jiān)測、齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測、牽引電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、輔助逆變系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。

(3) 人員狀態(tài)監(jiān)測(包括司機(jī)狀態(tài)監(jiān)測)。

2.4 地面軌旁監(jiān)測平臺(tái)

基于地面平臺(tái)的軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施及環(huán)境監(jiān)測的總體方案如圖1所示。

圖1 基于地面平臺(tái)的軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施及環(huán)境監(jiān)測的總體方案

①在軌旁安裝視頻監(jiān)控對鐵路周邊移動(dòng)物體進(jìn)行監(jiān)控與識(shí)別分析，對移動(dòng)物體的類型、距離鐵路的距離、分布態(tài)勢、威脅程度進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與預(yù)警；②在重點(diǎn)位置安裝風(fēng)力風(fēng)向傳感設(shè)備，對可能發(fā)生大風(fēng)威脅的區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；③在容易發(fā)生沙塵暴的地區(qū)安裝沙塵覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；④在沿線重點(diǎn)位置安裝雨量傳感器；⑤在沿線重點(diǎn)位置安裝雪深傳感器，如條件允許也可和沙塵覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)共用一套系統(tǒng)；⑥在橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的重點(diǎn)部位安裝應(yīng)力傳感系統(tǒng)。

各傳感監(jiān)測系統(tǒng)采集原始數(shù)據(jù)，在本地進(jìn)行分析預(yù)處理后，再由軌旁數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行編碼與集成，通過軌旁路由網(wǎng)關(guān)、無線通信終端、艇載無線通信基站等通信通路將數(shù)據(jù)傳遞至地面中心再做深入的分析處理與應(yīng)用。

2.5 多維度軌道交通狀態(tài)信息的融合和互操作平臺(tái)

針對空天車地信息協(xié)同的軌道交通運(yùn)營與安全綜合保障系統(tǒng)所涉及的軌道交通列車車體、基礎(chǔ)設(shè)施以及運(yùn)行環(huán)境等設(shè)施設(shè)備種類多樣、測量數(shù)據(jù)復(fù)雜等問題，研究這些測量數(shù)據(jù)的接入、歸類、篩選、存儲(chǔ)方法及數(shù)據(jù)融合、互操作技術(shù)，根據(jù)不同應(yīng)用建立起合理的存儲(chǔ)機(jī)制和管理辦法，建立軌道交通一體化檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，多維度軌道交通狀態(tài)信息的融合和互操作平臺(tái)，主要包括多源信息的接入、存儲(chǔ)、融合處理、交互和安全管理等多個(gè)子系統(tǒng)和子功能模塊。

2.6 基于大數(shù)據(jù)的軌道交通狀態(tài)辨識(shí)評價(jià)、預(yù)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)

軌道交通空天車地一體化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式多樣，包括報(bào)表、文本、圖像、視頻、音頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了綜合運(yùn)用、挖掘分析這些潛在的數(shù)據(jù)金礦，必須將其按照特定的規(guī)則集成存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)應(yīng)用方式不同，構(gòu)建不同的子系統(tǒng)，包括基于大數(shù)據(jù)的軌道交通狀態(tài)辨識(shí)評價(jià)、預(yù)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)分析及平臺(tái)研制。

研究列車關(guān)鍵部件、列車運(yùn)行狀態(tài)、線橋隧等基礎(chǔ)設(shè)施以及列車運(yùn)行環(huán)境等故障或危險(xiǎn)趨勢分析及預(yù)測模型、運(yùn)維輔助決策與應(yīng)急處置方法，建立安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)體系。其包括：①列車車體實(shí)時(shí)監(jiān)測與告警平臺(tái)；②基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測與告警平臺(tái)；③運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測與告警平臺(tái)；④系統(tǒng)自身狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與告警平臺(tái)；⑤故障趨勢分析及預(yù)測系統(tǒng)；⑥安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評估系統(tǒng)。

3 典型應(yīng)用場景

本章結(jié)合朔黃鐵路對于空天車地一體化系統(tǒng)監(jiān)測的需求，使用本系統(tǒng)研究的技術(shù)及研制平臺(tái)，對驗(yàn)證的場景及驗(yàn)證方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。驗(yàn)證場景主要分為：①基于飛艇的基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測；②基于無人機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測；③基于軌旁設(shè)施的基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測；④機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測；⑤基于地面?zhèn)鞲衅骱托l(wèi)星的列車位置實(shí)時(shí)監(jiān)測；⑥軌道交通系統(tǒng)狀態(tài)信息獲取、融合與決策支持平臺(tái)；⑦運(yùn)營與安全綜合保障的空天車地信息協(xié)同技術(shù)平臺(tái)。

空天車地一體化監(jiān)測系統(tǒng)在朔黃鐵路進(jìn)行示范應(yīng)用時(shí)，需要滿足以下監(jiān)測和預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)：覆蓋隧道、橋梁、長大干線等典型應(yīng)用場景的監(jiān)測；基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測有效覆蓋半徑≥300 km；周邊環(huán)境的典型自然災(zāi)害具有大范圍監(jiān)測能力≥100 km；移動(dòng)體目標(biāo)的地面位置檢測精度≤1 m；巡航監(jiān)測特定區(qū)域與突發(fā)事件現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警分辨率≤20 cm。

3.1 基于飛艇的基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測

基于飛艇的基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測總體方案如圖2所示，安裝在飛艇平臺(tái)上的光電吊艙等遙感遙測設(shè)備對監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至地面中心，由地面中心從原始數(shù)據(jù)中分析可能影響鐵路運(yùn)營安全的因素。

圖2 基于飛艇的基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測總體方案

其主要監(jiān)測對象包括：①落石、動(dòng)物、車輛、設(shè)施、遺留物品等引起的侵限事件；②地形地貌；③水文；④橋梁垮塌等較大形變；⑤隧道塌陷。

為了保證對監(jiān)測對象的覆蓋能力和飛艇的持續(xù)工作能力，該飛艇的工作環(huán)境及指標(biāo)參數(shù)設(shè)置如下：飛艇駐留在20 km高空；艙內(nèi)設(shè)備(網(wǎng)關(guān)和通信設(shè)備)溫度 -45 ℃ ～ 50 ℃，氣壓3 kPa環(huán)境下可靠工作；艙外設(shè)備(天線)溫度-60 ℃，氣壓3 kPa環(huán)境下可靠工作。在實(shí)際使用過程中可能會(huì)存在飛艇在高度和水平位置的駐留穩(wěn)定性問題，可以通過飛艇的動(dòng)力和控制系統(tǒng)進(jìn)行位置調(diào)整，保持監(jiān)測范圍的穩(wěn)定性。

3.2 基于無人機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)施和列車運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測

地面中心制定巡檢任務(wù)交由翼型無人機(jī)巡檢，翼型無人機(jī)巡檢方案如圖3所示。巡檢時(shí)由翼型無人機(jī)控制指揮設(shè)備進(jìn)行控制指揮，并實(shí)時(shí)將無人機(jī)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)至地面中心。翼型無人機(jī)所搭載的遙感遙測設(shè)備的部分監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過艇載基站實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至地面中心。

其主要監(jiān)測對象包括：①落石、動(dòng)物、車輛、設(shè)施、遺留物品等引起的侵限事件；②地形地貌；③水文；④線路扣件丟失；⑤橋梁垮塌等較大形變；⑥隧道塌陷；⑦接觸網(wǎng)異物。

為了保障監(jiān)測對象覆蓋能力和無人機(jī)的持續(xù)工作能力，該無人機(jī)的工作環(huán)境及指標(biāo)參數(shù)設(shè)置如下：無人機(jī)在鐵路沿線進(jìn)行常規(guī)或應(yīng)急巡航飛行，進(jìn)行巡航監(jiān)測特定區(qū)域與突發(fā)事件現(xiàn)場監(jiān)測；溫度-25 ℃～70 ℃環(huán)境下可靠工作。在實(shí)際使用過程中可能會(huì)存在無人機(jī)滯留在線路上，與列車、接觸網(wǎng)發(fā)生接觸或干涉，在隧道內(nèi)或山區(qū)巡航時(shí)因通信中斷而導(dǎo)致失聯(lián)，風(fēng)力較大時(shí)無人機(jī)不能穩(wěn)定飛行等問題，需要無人機(jī)操作人員對監(jiān)測時(shí)間、環(huán)境及操作方法有很好的判斷能力。

圖3 翼型無人機(jī)巡檢方案

3.3 基于軌旁設(shè)施的基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測

基于軌旁設(shè)施的基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由地面?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行狀態(tài)感知，并將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場采集服務(wù)器進(jìn)行收集，最后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

其主要監(jiān)測對象包括：①氣象環(huán)境；②線路路基沉降；③線路鋼軌狀態(tài)；④橋梁應(yīng)力；⑤落石、動(dòng)物、車輛、設(shè)施、遺留物品等引起的侵限事件。

為了保障軌旁監(jiān)測設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，其工作環(huán)境及指標(biāo)參數(shù)設(shè)置如下：溫度-25 ℃～70 ℃環(huán)境下可靠工作。在實(shí)際使用過程中可能會(huì)存在線路周邊安裝設(shè)備不牢固，造成對線路限界侵限等風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)設(shè)備安裝牢固性。

3.4 機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

在車載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，車載數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理設(shè)備接收所有車載傳感監(jiān)測系統(tǒng)輸出接口以及既有監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)、預(yù)處理、統(tǒng)一編碼與集成，然后經(jīng)空間路由網(wǎng)關(guān)、車載移動(dòng)通信終端發(fā)送出去，通過空天車地軌道交通專用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至地面中心節(jié)點(diǎn)。列車監(jiān)測節(jié)點(diǎn)向地面中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送本列車的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在地面中心的顯示終端上顯示列車狀態(tài)信息。機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、分析、轉(zhuǎn)發(fā)和顯示流程如圖4所示。

其主要監(jiān)測對象包括：①軸箱狀態(tài)；②齒輪箱狀態(tài)；③牽引電機(jī)狀態(tài)；④制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)；⑤輔助逆變系統(tǒng)狀態(tài)；⑥司機(jī)狀態(tài)。

為了保障車載監(jiān)測設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，其工作環(huán)境及指標(biāo)參數(shù)設(shè)置如下：溫度-25 ℃～70 ℃環(huán)境下可靠工作；滿足《軌道交通 機(jī)車車輛電子裝置》(GB/T 25119—2010)要求。在實(shí)際使用過程中可能會(huì)存在車外安裝的設(shè)備松脫等風(fēng)險(xiǎn)，需要車外設(shè)備滿足振動(dòng)沖擊要求并采取相應(yīng)防松、防脫措施。

圖4 機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、分析、轉(zhuǎn)發(fā)和顯示流程

3.5 基于地面?zhèn)鞲衅骱托l(wèi)星的列車位置實(shí)時(shí)監(jiān)測

基于衛(wèi)星定位的多傳感器信息融合組合定位如圖5所示，在列首放置一套列車定位單元，采用GNSS/INS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng))松耦合組合定位算法，結(jié)合差分定位技術(shù)，隨著場景的變化，系統(tǒng)自動(dòng)切換定位方法，實(shí)現(xiàn)列車高精度無縫定位。

圖5 基于衛(wèi)星定位的多傳感器信息融合組合定位

針對重載鐵路高密度、大軸重及長大編組列車的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合列車高精度連續(xù)無縫定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車面向線、橋、隧等多種復(fù)雜運(yùn)行場景實(shí)現(xiàn)高精度連續(xù)無縫定位。

3.6 軌道交通系統(tǒng)狀態(tài)信息獲取、融合與決策支持平臺(tái)

通過空天車地信息深度融合方法和復(fù)雜環(huán)境下列車與基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營安全狀態(tài)的綜合分析技術(shù)、多平臺(tái)監(jiān)測信息的時(shí)空關(guān)聯(lián)關(guān)系與融合模型、多維度監(jiān)測信息大數(shù)據(jù)接入和存儲(chǔ)管理技術(shù)、基于數(shù)據(jù)云和計(jì)算云的監(jiān)測信息大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對多元時(shí)空大樣本數(shù)據(jù)的有效處理和分析利用，構(gòu)建信息共享交互大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

其實(shí)現(xiàn)的功能包括：①重載鐵路應(yīng)急信息獲?。虎谥剌d鐵路突發(fā)事件分類分級；③重載鐵路應(yīng)急預(yù)案編制管理；④重載鐵路應(yīng)急預(yù)案模板管理；⑤重載鐵路應(yīng)急資源管理；⑥重載鐵路應(yīng)急預(yù)案命令下達(dá)；⑦應(yīng)急條件下重載鐵路應(yīng)急運(yùn)輸徑路遴選；⑧應(yīng)急條件下重載鐵路列車開行方案編制；⑨應(yīng)急條件下重載鐵路列車編組計(jì)劃編制；⑩重載鐵路應(yīng)急預(yù)案評估；應(yīng)急條件下重載列車開行方案與編組計(jì)劃評價(jià)；重載鐵路列車運(yùn)行徑路評價(jià)。

3.7 運(yùn)營與安全綜合保障的空天車地信息協(xié)同技術(shù)平臺(tái)

空天車地軌道交通專用網(wǎng)由浮空器節(jié)點(diǎn)、無人機(jī)節(jié)點(diǎn)、列車節(jié)點(diǎn)、地面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和地面中心節(jié)點(diǎn)、地面站節(jié)點(diǎn)組成，空天車地軌道交通專用網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 空天車地軌道交通專用網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為了保障監(jiān)測信息的穩(wěn)定可靠傳輸，空天車地專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)設(shè)置如下：高速接入帶寬≥2 Mbps；臨空地骨干鏈路通信帶寬≥100 Mbps；轉(zhuǎn)發(fā)速率≥300 Mbps；地面監(jiān)測節(jié)點(diǎn)帶寬≥100 Mbps；車-空-車、車-空-地信息無縫互聯(lián)，業(yè)務(wù)信息傳輸速率≥1 Mbps。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了基于空天車地一體化技術(shù)在列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)研究中的現(xiàn)狀及問題，提出了系統(tǒng)總體框架并分別介紹了艇載節(jié)點(diǎn)、機(jī)載節(jié)點(diǎn)、車載節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵性能和通信模式，最后詳細(xì)分析了系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題，以期為該領(lǐng)域技術(shù)研究和深化應(yīng)用提供參考。