一城一北斗|北斗高精度定位通信技術(shù)在山區(qū)高速公路建設(shè)創(chuàng)新實踐

申報單位：中交星宇科技有限公司

聯(lián)合申報單位：中國交通信息科技集團有限公司、中交路橋建設(shè)有限公司

主要完成人：劉楊、姚俊峰、劉玲、崔銀秋、李大卓、葛紀平

一、案例簡介

針對山區(qū)高速公路建設(shè)運營面臨的環(huán)境復(fù)雜、施工安全風(fēng)險大、事故誘因多樣化、實時診斷預(yù)警缺乏 等痛點問題，開展并突破了空地一體施工場景全息數(shù)據(jù)采集技術(shù)、基于精準時空信息的工程機械三維測量 及施工協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)、北斗邊緣計算融合感知技術(shù)、北斗+UWB的隧道施工定位技術(shù)，以及基于北斗、5G、 IoT多網(wǎng)融合定位通信技術(shù)和多災(zāi)害耦合的AI智能預(yù)警診斷分析方法等，研發(fā)了北斗數(shù)字化施工機械裝備、 基于北斗+UWB的隧道施工定位技術(shù)和新型定位裝備、隧道結(jié)構(gòu)安全一體化監(jiān)測技術(shù)及病害檢測、基于北 斗大數(shù)據(jù)分析的安全監(jiān)測預(yù)警云平臺等。在20余個高速公路項目開展應(yīng)用，累計推廣應(yīng)用北斗終端約20 萬臺套，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益超30億元，為各類工程降低潛在直接損失超200億元。相關(guān)成果總體達到國

際先進水平，其中基于5G、IoT等技術(shù)集成的遠程施工作業(yè)監(jiān)控技術(shù)、“一帶一路”交通基礎(chǔ)設(shè)施高精度 時空基準創(chuàng)建技術(shù)和方法、工程人員智能安全防控及定位通導(dǎo)一體化設(shè)備等成果達到國際領(lǐng)先水平。總體 成果獲得工信部大數(shù)據(jù)試點、國資委中央?yún)^(qū)企業(yè)北斗發(fā)展3年行動計劃重要成果、交通運輸部“平安交通” 重點推薦創(chuàng)新案例、2022年度衛(wèi)星導(dǎo)航定位科技進步特等獎及2023年度衛(wèi)星導(dǎo)航定位創(chuàng)新應(yīng)用金獎。

二、技術(shù)方案

依托北斗高精度定位通信等技術(shù)，持續(xù)破解基礎(chǔ)產(chǎn)品、硬件終端、應(yīng)用平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)等方面“卡脖 子”難題，建立面向重大工程建設(shè)、運營期間應(yīng)用的管理平臺，實現(xiàn)高速公路工程建設(shè)的“建、管、養(yǎng)、 運”各階段“安全化、高效化、數(shù)字化”轉(zhuǎn)型。

1、構(gòu)建北斗高精度導(dǎo)航技術(shù)的填方路基數(shù)字化施工技術(shù)體系。1)基于數(shù)字孿生的作業(yè)過程三維可視 化實時監(jiān)控技術(shù)：采用GIS、BIM、大數(shù)據(jù)等多種信息技術(shù)協(xié)同應(yīng)用于自動化作業(yè)過程中的物理實體世界 的模擬、監(jiān)控、診斷和管理，構(gòu)建數(shù)字化及工程全生命周期的信息化服務(wù)和數(shù)字化體系，實現(xiàn)施工作業(yè)安 全可視化管控、質(zhì)量動態(tài)化監(jiān)控、管理數(shù)字化協(xié)同。2)研發(fā)北斗數(shù)字化施工管理平臺：搭建數(shù)字化施工 綜合管理平臺，智能決策、信息共享、智能生產(chǎn)、安全監(jiān)控、互聯(lián)協(xié)同等功能模塊，實現(xiàn)基于北斗時空位 置信息的高精度導(dǎo)航定位和精準施工作業(yè)管控。

2、構(gòu)建北斗技術(shù)的高邊坡、高填方路基、隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測技術(shù)體系。

1)研制高集成低功耗的監(jiān)測型北斗接收機：研發(fā)北斗與陀螺儀融合的解算以及邊緣解算技術(shù)，在北 斗解算算法模糊度固定時加入陀螺儀監(jiān)測結(jié)果的約束，并對兩種設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果進行自適應(yīng)卡爾曼濾波和 小波降噪處理，得到穩(wěn)定的監(jiān)測結(jié)果；邊緣解算技術(shù)在參考站、監(jiān)測站和移動通信模塊的基礎(chǔ)上增加RTU 模塊，對北斗信號接收機和陀螺儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行收集以及整合，并得到數(shù)據(jù)解算結(jié)果，再經(jīng)由4G/5G移 動通信與中心服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。基于上述算法，采用芯片級低功耗設(shè)計，自主研發(fā)邊坡高精度監(jiān)測專 用型北斗接收機。2)研究基于北斗+UWB的隧道施工定位技術(shù)和新型定位裝備：以BDS+UWB定位技術(shù)

為核心，集成實時視頻監(jiān)控、語音通信等功能的北斗智能終端設(shè)備，實現(xiàn)地下有限空間一體化動態(tài)定位信 息采集、數(shù)據(jù)傳輸及預(yù)報警功能，支撐隧道施工地下空間場景下動態(tài)安全管理。3)研究北斗、激光雷達 的隧道結(jié)構(gòu)安全一體化監(jiān)測技術(shù)及病害檢測裝備：綜合利用北斗高精度定位、物聯(lián)網(wǎng)、激光雷達三維掃描 等技術(shù)，融合基于北斗、激光雷達的隧道三維掃描、形變監(jiān)測等技術(shù)，研發(fā)基于視覺的隧道結(jié)構(gòu)的病害監(jiān) 測技術(shù)，針對重點監(jiān)測對象建模后的病害圖像進行自動識別，直觀、便捷、精準的完成交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu) 病害智能化、自動化。

3、搭建高速公路大數(shù)據(jù)分析安全檢測預(yù)警管理平臺。綜合利用北斗、IOT、LoRa自組網(wǎng)等技術(shù)，搭 建基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測預(yù)警云平臺，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場邊坡環(huán)境、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測等信息實時感知監(jiān)測及安全診斷， 為智能控制和決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

三、創(chuàng)新亮點

1)突破了基于空地一體施工場景全息數(shù)據(jù)采集技術(shù)、機械數(shù)控智能傳感導(dǎo)引技術(shù)及三維實時動態(tài)仿 真技術(shù)以及邊緣計算分析、異構(gòu)協(xié)議兼容、大數(shù)據(jù)存儲分析、工業(yè)數(shù)據(jù)智能等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)“北斗數(shù)字 化施工”適用工法及施工設(shè)備，大幅度提高山區(qū)高速公路的勘測、設(shè)計、施工精度，全面提升高速公路建 設(shè)工程的建造智能化、設(shè)備操作自動化、數(shù)據(jù)信息可視化水平，優(yōu)于Trimble、Topcon、Leica等國際水平。

2)提出了多災(zāi)害耦合作用下北斗邊緣計算融合探測技術(shù)，研發(fā)微型化、低成本、易安裝的實時北斗 高邊坡監(jiān)測終端，研制工程人員智能定位穿戴設(shè)備，研制集成了隧道病害檢測裝備，實現(xiàn)山區(qū)高邊坡、隧 道作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)外部施工環(huán)境、裝備運行狀態(tài)及人員作業(yè)安全等信息實時感知監(jiān)測。自主研發(fā)的邊坡高精度 監(jiān)測專用型北斗接收機較市面常見的接收機功耗下降76%,自主研發(fā)的北斗解算軟件中融入新型周跳探測 和基線長度約束算法，修正了多路徑誤差模型，提高了GNSS定位精度，抗干擾能力大幅提高。

3)首次提出將軟基監(jiān)測及沉降預(yù)測方法集成于北斗+安全智能監(jiān)測云平臺中，提出了多災(zāi)害耦合的 AI智能預(yù)警診斷分析方法，為智能控制和決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。針對重點監(jiān)測對象建模后的病害圖像進 行自動識別，融合基于“北斗+”AI的結(jié)構(gòu)位移、形變監(jiān)測技術(shù)和多指標數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物斷面數(shù) 據(jù)的快速連續(xù)采集和自動化實時監(jiān)測。