一城一北斗|北斗高精度定位通信技術在山區高速公路建設創新實踐

申報單位：中交星宇科技有限公司

聯合申報單位：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

針對山區高速公路建設運營面臨的環境復雜、施工安全風險大、事故誘因多樣化、實時診斷預警缺乏 等痛點問題，開展并突破了空地一體施工場景全息數據采集技術、基于精準時空信息的工程機械三維測量 及施工協同關鍵技術、北斗邊緣計算融合感知技術、北斗+UWB的隧道施工定位技術，以及基于北斗、5G、 IoT多網融合定位通信技術和多災害耦合的AI智能預警診斷分析方法等，研發了北斗數字化施工機械裝備、 基于北斗+UWB的隧道施工定位技術和新型定位裝備、隧道結構安全一體化監測技術及病害檢測、基于北 斗大數據分析的安全監測預警云平臺等。在20余個高速公路項目開展應用，累計推廣應用北斗終端約20 萬臺套，產生直接經濟效益超30億元，為各類工程降低潛在直接損失超200億元。相關成果總體達到國

際先進水平，其中基于5G、IoT等技術集成的遠程施工作業監控技術、“一帶一路”交通基礎設施高精度 時空基準創建技術和方法、工程人員智能安全防控及定位通導一體化設備等成果達到國際領先水平。總體 成果獲得工信部大數據試點、國資委中央區企業北斗發展3年行動計劃重要成果、交通運輸部“平安交通” 重點推薦創新案例、2022年度衛星導航定位科技進步特等獎及2023年度衛星導航定位創新應用金獎。

二、技術方案

依托北斗高精度定位通信等技術，持續破解基礎產品、硬件終端、應用平臺、數據服務等方面“卡脖 子”難題，建立面向重大工程建設、運營期間應用的管理平臺，實現高速公路工程建設的“建、管、養、 運”各階段“安全化、高效化、數字化”轉型。

1、構建北斗高精度導航技術的填方路基數字化施工技術體系。1)基于數字孿生的作業過程三維可視 化實時監控技術：采用GIS、BIM、大數據等多種信息技術協同應用于自動化作業過程中的物理實體世界 的模擬、監控、診斷和管理，構建數字化及工程全生命周期的信息化服務和數字化體系，實現施工作業安 全可視化管控、質量動態化監控、管理數字化協同。2)研發北斗數字化施工管理平臺：搭建數字化施工 綜合管理平臺，智能決策、信息共享、智能生產、安全監控、互聯協同等功能模塊，實現基于北斗時空位 置信息的高精度導航定位和精準施工作業管控。

2、構建北斗技術的高邊坡、高填方路基、隧道結構穩定性監測技術體系。

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

為核心，集成實時視頻監控、語音通信等功能的北斗智能終端設備，實現地下有限空間一體化動態定位信 息采集、數據傳輸及預報警功能，支撐隧道施工地下空間場景下動態安全管理。3)研究北斗、激光雷達 的隧道結構安全一體化監測技術及病害檢測裝備：綜合利用北斗高精度定位、物聯網、激光雷達三維掃描 等技術，融合基于北斗、激光雷達的隧道三維掃描、形變監測等技術，研發基于視覺的隧道結構的病害監 測技術，針對重點監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設施結構 病害智能化、自動化。

3、搭建高速公路大數據分析安全檢測預警管理平臺。綜合利用北斗、IOT、LoRa自組網等技術，搭 建基礎設施安全監測預警云平臺，實現作業現場邊坡環境、結構安全監測等信息實時感知監測及安全診斷， 為智能控制和決策提供基礎數據支撐。

三、創新亮點

1)突破了基于空地一體施工場景全息數據采集技術、機械數控智能傳感導引技術及三維實時動態仿 真技術以及邊緣計算分析、異構協議兼容、大數據存儲分析、工業數據智能等關鍵技術，研發“北斗數字 化施工”適用工法及施工設備，大幅度提高山區高速公路的勘測、設計、施工精度，全面提升高速公路建 設工程的建造智能化、設備操作自動化、數據信息可視化水平，優于Trimble、Topcon、Leica等國際水平。

2)提出了多災害耦合作用下北斗邊緣計算融合探測技術，研發微型化、低成本、易安裝的實時北斗 高邊坡監測終端，研制工程人員智能定位穿戴設備，研制集成了隧道病害檢測裝備，實現山區高邊坡、隧 道作業現場內外部施工環境、裝備運行狀態及人員作業安全等信息實時感知監測。自主研發的邊坡高精度 監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)首次提出將軟基監測及沉降預測方法集成于北斗+安全智能監測云平臺中，提出了多災害耦合的 AI智能預警診斷分析方法，為智能控制和決策提供基礎數據支撐。針對重點監測對象建模后的病害圖像進 行自動識別，融合基于“北斗+”AI的結構位移、形變監測技術和多指標數據分析，實現對結構物斷面數 據的快速連續采集和自動化實時監測。