Fokus | Anwendung und Perspektiven des Beidou-Systems im intelligenten Stadtbahnsystem

Laut Statistik sind es mehr als 80 % der MenschenDie Zeit wird in nicht exponierten Räumen wie Gebäuden, Fahrzeugen und unterirdisch verbracht.Der städtische Schienenverkehr (nachfolgend „Stadtbahn“ genannt) ist als typisches Beispiel für einen nicht exponierten Raum die Lebensader der Stadt und das zentrale öffentliche Gebiet und zugleich ein wichtiger Baubereich der „neuen Infrastruktur“.Seit langem stellen Positionierung, Navigation, Zeitmessung und Kommunikation in nicht exponierten Bereichen globale technische Probleme und Engpässe dar, die die Entwicklung intelligenter städtischer Schienenverkehrssysteme einschränken.

Das Beidou-Satellitennavigationssystem (im Folgenden „Beidou-System“) ist ein globales System zur Bereitstellung von Zeit- und Rauminformationen und eine wichtige, von meinem Land eigenständig aufgebaute und betriebene Weltrauminfrastruktur. Der Systemaufbau ist abgeschlossen, und das System wird in verschiedenen Branchen angewendet und gefördert. Durch die Nutzung des Beidou-Systems und den Aufbau eines hochpräzisen Positionierungsnetzes, eines hochpräzisen Zeitsynchronisationsnetzes, eines Kommunikationsnetzes mit hohem Durchsatz und einer darauf basierenden digitalen Weltraumplattform kann es eine grundlegende Rolle beim Aufbau intelligenter Stadtbahnsysteme spielen.

Da die Anwendung des Beidou-Systems grundlegend, innovativ, tiefgreifend und treibend ist, kann sie einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklungsform, das Entwicklungskonzept, das Entwicklungsmodell und das Betriebsmodell des städtischen Schienenverkehrs haben und somit diesen fördern.Neues Betriebs- und Managementmodell „Beidou + Stadtbahn“Die Stadtentwicklung wird den vielfältigen Bedürfnissen unterschiedlicher Akteure wie Fahrgäste, Unternehmen und Regierungen gerecht und ein intelligentes städtisches Schienennetz schaffen, das sicherer, zuverlässiger, bequemer und komfortabler, kostengünstiger, umweltfreundlicher und energiesparender ist.

#01

Beidou-System und intelligente Stadtbahn

① Anwendung und Weiterentwicklung des Beidou-Systems

Das Beidou-System wird derzeit in den Bereichen Transport, Fischerei, Meteorologie und Hydrologie, Energieverteilung, Katastrophenhilfe und -prävention etc. weit verbreitet eingesetzt und hat bedeutende soziale und wirtschaftliche Vorteile gebracht; insbesondere im Transportwesen wird es häufig zur Fahrzeugpositionierung, zur Überwachung und Steuerung von Transportprozessen sowie zur Überwachung der Infrastruktursicherheit verwendet.

Auf dieser Grundlage besteht Raum für eine weitere Expansion der Anwendungen des Beidou-Systems. Beispielsweise können Nutzer in einer exponierten Freiluftumgebung (im Folgenden „exponierter Raum“ genannt), die Satellitennavigationssystemsignale direkt empfangen kann, die vom Beidou-System bereitgestellten raumzeitlichen Informationen direkt nutzen; jedochIn nicht exponierten Weltraumumgebungen, in denen keine Signale von Satellitennavigationssystemen empfangen werden könnenIn nicht exponierten Bereichen (im Folgenden „nicht exponierte Bereiche“ genannt), wie U-Bahnen, Tiefgaragen, Gewerbekomplexen und Bereichen unter Viadukten, kommt es aufgrund von Bebauung und Mehrwegeausbreitung zu Beeinträchtigungen der Satellitenpositionierung. Die Genauigkeit der Satellitenpositionierung ist dadurch stark reduziert und kann den Anforderungen an Ortungsdienste in diesen Bereichen nicht gerecht werden.

weilMenschen verbringen 80 % ihrer Zeit in nicht exponierten Räumen wie Gebäuden und Fahrzeugen.,daher,Die Lösung von Navigations- und Positionierungsproblemen im nicht exponierten Raum ist eine wichtige Richtung für die Anwendungsentwicklung des Beidou-Systems..

Das Land entwickelt derzeit ein umfassendes System zur Positionsbestimmung, Navigation und Zeitmessung (PNT) auf Basis des Beidou-Systems. Dieses System nutzt verschiedene PNT-Informationsquellen nach unterschiedlichen Prinzipien und generiert durch Cloud-Plattform-Steuerung, die hohe Integration mehrerer Sensoren und die Datenfusion aus verschiedenen Quellen PNT-Dienstinformationen mit einheitlichen raumzeitlichen Referenzwerten. Es zeichnet sich durch Störungsresistenz, Schutz vor Manipulation, Robustheit, Benutzerfreundlichkeit, Kontinuität und Zuverlässigkeit aus und ermöglicht die Abdeckung in Innenräumen, unter Wasser, im Weltraum und weiteren Bereichen.

② Integrierte Entwicklung des Beidou-Systems und intelligenter städtischer Schienenverkehrssysteme

In den letzten Jahren hat die beschleunigte Entwicklung des Schienennetzes und das stetige Wachstum des Streckennetzes eine Reihe von Herausforderungen mit sich gebracht, darunter vernetzter Betrieb, Kostenreduzierung und Effizienzsteigerung, schneller Service, CO₂-arme Umweltverträglichkeit und nachhaltige Entwicklung. Dies hat zur Entstehung des Konzepts des intelligenten städtischen Schienennetzes geführt.

Das Wesen des Transports besteht darin, Personen und Güter bedarfsgerecht zu befördern. Als öffentliches Verkehrssystem hat die Entwicklung intelligenter Stadtbahnen das Ziel, diese Beförderung kostengünstig und mit maximaler Abdeckung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Sicherheit zu realisieren. Die Methode besteht darin, alle Glieder des städtischen Bahnbetriebs mithilfe von Informationstechnologie intelligent zu gestalten – ein „Beförderungsplus“. Daher ist es notwendig, fortschrittliche Informations- und Kommunikationstechnologien, künstliche Intelligenz, das Internet der Dinge, Big Data, Robotik und andere Technologien umfassend zu nutzen und autonome Wahrnehmung, autonomes Lernen, autonome Entscheidungsfindung und autonome Steuerung als Kernprozesse einzusetzen. Auf Basis optimierter Verwaltung und Steuerung von Anlagen und Ausrüstung werden den Fahrgästen effiziente, präzise und personalisierte Beförderungsdienste angeboten. So entsteht ein neues, sichereres, effizienteres, komfortableres und umweltfreundlicheres Stadtbahnsystem.

Zeit- und Ortsinformationen bilden die Grundlage für den autonomen Betrieb, die präzise Steuerung und die rund um die Uhr verfügbaren personalisierten Dienste des intelligenten städtischen Schienenverkehrssystems.Daher muss der Aufbau intelligenter städtischer Schienennetze eine integrierte Entwicklung mit dem Beidou-System erreichen, das raumzeitliche Informationen liefert.

Der zukünftige Entwicklungstrend des städtischen Schienenverkehrs zielt auf die Förderung eines sicheren, komfortablen, wirtschaftlichen, effizienten und umweltfreundlichen intelligenten Verkehrssystems im Sinne von „Displacement+“. Gleichzeitig soll das Beidou-System den Schienenverkehr durch „+Beidou“ stärken (d. h. die Beidou-Technologie als Basistechnologie nutzen, raumzeitliche Informationen als Anwendungsmethode einsetzen und innovative Technologien und Geschäftsmodelle anderer Branchen integrieren oder traditionelle Anwendungslösungen ersetzen), um dessen Transformation und Modernisierung voranzutreiben. „Displacement + Beidou“ als Kernkonzept der integrierten Entwicklung von Beidou-System und intelligentem städtischen Schienenverkehr wird die technologischen Anwendungen und industriellen Ökosysteme beider Systeme bereichern, deren umfassende Entwicklung fördern und somit die Umsetzung der nationalen Strategie unterstützen.

Integrierte Entwicklung des Beidou-Systems und der intelligenten U-Bahn

#02

Der Bedarf intelligenter Stadtbahnen am Beidou-System

①Raum-Zeit-Benchmark

Als typisches komplexes cyber-physisches System umfasst die intelligente Stadtbahn eine Vielzahl von Informationssystemen wie die automatische Zugsteuerung (ATC), die automatische Fahrgelderfassung (AFC), die Systemsteuerung für die Stromversorgung (SCADA), die Gebäudeautomation (BAS) und die Brandmeldeanlage (FAS). Um einen autonomen Betrieb zu ermöglichen, müssen diese komplexen Informationssysteme integriert werden, um große Mengen an zeitlichen und räumlichen Informationen zu erfassen, zu verarbeiten, Entscheidungen zu treffen und diese zu steuern. Daher ist es umso wichtiger, einen einheitlichen raumzeitlichen Bezugspunkt zu etablieren, um das Risiko von raumzeitlichen Informationskonflikten zu vermeiden und den sicheren Betrieb der Stadtbahn nicht zu gefährden.Durch die Anwendung des Beidou-Systems und seines Koordinatensystems CGCS2000 (das neueste nationale geodätische Koordinatensystem in meinem Land), das Positions- und Navigationsdienste bereitstellt, kann das städtische Schienennetz eine einheitliche, autonome und kontrollierbare raumzeitliche Referenz erhalten.

Darüber hinaus ist die räumliche Umgebung von Stadtbahnen sehr komplex, da sowohl exponierte als auch nicht exponierte Bereiche nebeneinander existieren. Die alleinige Nutzung von Satellitennavigationssystemen genügt den aktuellen Anwendungsanforderungen nicht. Durch die Integration des absoluten raumzeitlichen Bezugssystems des Beidou-Systems in den nicht exponierten Bereich der Stadtbahn und dessen dynamische Aktualisierung lässt sich einerseits die relative Position des nicht exponierten Bereichs mit der absoluten Position des exponierten Bereichs vereinheitlichen und die Position des nicht exponierten Bereichs in Form eines absoluten Koordinatensystems in der Stadtbahn darstellen und anwenden; andererseits ermöglicht dies die Vereinheitlichung der Zeit und die Synchronisierung der Zeit im nicht exponierten Bereich.

②Digitalisierung des Weltraums

Aufgrund der komplexen räumlichen Gegebenheiten des städtischen Schienenverkehrs ist die Beherrschung umfassender und präziser geografischer Informationen die Grundlage für den Aufbau und Betrieb intelligenter städtischer Schienennetze. Räumliche Digitalisierung, d. h.构建数字化的地理信息空间数据框架 (Digital Geospatial Data Framework, DSDF), ist das Produkt der Entwicklung und Integration von Vermessungs- und Kartierungstechnologien, Geoinformationstechnologien und anderen modernen Informationstechnologien.

Mit dem technischen Fortschritt entwickelt sich die Vermessungs- und Kartierungstechnologie hin zu dreidimensionaler Digitalisierung, Vernetzung, Echtzeit-Datenerfassung und Visualisierung sowie Datenverarbeitung und Ergebnisanwendung. Es besteht Bedarf an räumlichen digitalen Anwendungen mit dreidimensionaler, realitätsnaher Modellierung als Kern. Beim Aufbau intelligenter Stadtbahnen ist es notwendig, den raumzeitlichen Bezugspunkt des Beidou-Systems zu nutzen, um mithilfe von stationsmontierten, mobilen, tragbaren und anderen Vermessungs- und Kartierungsgeräten sowie Geoinformations-Datenerfassungsgeräten Computerräume, Bahnhofshallen, Streckenabschnitte, Depots und Lagerhallen im unterirdischen und oberirdischen Bereich der Stadtbahn zu erfassen. An anderen Stellen werden 3D-Laserpunktwolkendaten um räumliche Strukturen, Anlagen, Verbrauchsmaterialien und weitere Elemente erfasst und mit Dateninformationen wie Fotos und Texturen vor Ort ergänzt, um detaillierte, realitätsnahe 3D-Modelle aller Elemente zu erstellen und so die räumliche Digitalisierung der Stadtbahn zu realisieren.

Anhand der oben genannten Daten können die zuständigen Mitarbeiter hochpräzise Karten erstellen, räumliche Ressourcen erfassen, die räumliche Struktur sowie die Anlagen und Ausrüstung des städtischen Schienenverkehrs analysieren und genaue und umfassende geografische Informationen für die Planung, den Bau, die Sanierung und die Instandhaltung intelligenter städtischer Schienennetze bereitstellen. Darüber hinaus liefern sie wichtige Grundlageninformationen und technische Unterstützung für die Raumnutzung und ein optimiertes Management. Als neues Anwendungsgebiet der Beidou-Technologie im Raum-Zeit-System hat die räumliche Digitalisierung der Entwicklung intelligenter städtischer Schienennetze neue Impulse verliehen.

③ Hochpräzise Positionierung und Zeitmessung

Hochpräzise räumliche und zeitliche Informationen bilden die Grundlage für den Aufbau intelligenter städtischer Schienennetze. Verkehrsdaten sind typische raumzeitliche Daten, die nicht nur zeitliche Dimensionen aufweisen, sondern auch stark von der räumlichen Struktur abhängen.

Mit der Integration und Weiterentwicklung verschiedener Informationssysteme für den Schienenverkehr steigen die Anforderungen an die Positions- und Zeitgenauigkeit stetig. Derzeit kann das Beidou-System die Anforderungen intelligenter Stadtbahnen an hochpräzise Positions- und Zeitmessung nicht direkt erfüllen. Die Gründe hierfür sind folgende:

• Schwierigkeiten beim Empfang von Satellitensignalen.Im nicht exponierten Bereich von Stadtbahnen werden die Satellitenpositionierungssignale aufgrund der Abschirmung durch Wände (insbesondere Stahlbeton) nach dem Durchgang durch Gebäude erheblich geschwächt, die Positionsgenauigkeit wird stark reduziert, und das Signal kann unter Umständen gar nicht mehr empfangen werden.

• Mehrere Hindernisse und Störquellen.Im städtischen Schienenverkehr gibt es verschiedene Hindernisse wie Säulen, Aufzüge, Rolltreppen, Anlagen, Schranken und Fußgänger. Die Anordnung der Anlagen ist unterschiedlich. Hinzu kommt, dass sich Fußgänger und Fahrzeuge ständig bewegen und das Signal mehrfach reflektiert wird. Diese zahlreichen Unwägbarkeiten machen den städtischen Schienenverkehr extrem komplex. Besonders deutlich wird dies in der U-Bahn, da deren Raum relativ geschlossen ist und komplexe Umwelteinflüsse wie Funksignale, Schall, Licht und Temperatur die Genauigkeit der Sensoren der Positionsbestimmungsgeräte beeinträchtigen.
  

• Die Höhenpositionierung ist schwierig.Im U-Bahn-Umfeld müssen nicht nur die Lage der zweidimensionalen Ebene, sondern auch die Lage und Höhe der ober- und unterirdischen Geschosse bei mehrgeschossigen Gebäuden berücksichtigt werden.
  

• Es ist schwierig, Anwendungsterminals zu entwickeln.Der städtische Schienenverkehr erfordert Miniaturisierung, Personalisierung und integrierte Anwendungsterminals und muss Herausforderungen wie die Optimierung des Komponentendesigns, die Materialauswahl, die Präzisionsfertigung, die tiefe Komponentenintegration, die Echtzeit-Sensorkalibrierung und die adaptive Fusion von Sensordaten bewältigen. Forscher sollten von diesen vier Aspekten ausgehen und gezielte Forschung betreiben, um die genannten Probleme zu lösen und so hochpräzise Raum- und Zeitinformationen für den Bau und Betrieb intelligenter städtischer Schienennetze bereitzustellen und deren reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.

#03

Perspektiven für den Einsatz des Beidou-Systems im intelligenten städtischen Schienenverkehr

① Konstruktion eines Raum-Zeit-Systemnetzwerks

Intelligente städtische Schienennetze müssen ein autonomes und steuerbares Raum-Zeit-Systemnetzwerk aufbauen.

Angesichts von Problemen wie der eingeschränkten Navigations- und Positionierungsfähigkeit des Beidou-Systems in nicht exponierten Gebieten, dem Mangel an Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsmitteln und der unzureichenden Verfügbarkeit umfassender Geodaten sollte die Technologie „Beidou + 5G + Digitalisierung des Weltraums“ umfassend angewendet werden, um ein raumzeitliches Systemnetzwerk mit drei Netzwerken und einer Plattform aufzubauen. Dieses Netzwerk besteht aus einem hochpräzisen Positionierungsnetzwerk, einem hochpräzisen Zeitsynchronisationsnetzwerk, einem Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerk und einer digitalen Weltraumplattform. Es bildet ein raumzeitliches Referenzinformationsnetzwerk für den städtischen Schienenverkehr und dient als Infrastruktur für den intelligenten Bau und Betrieb von Stadtbahnen. Dadurch werden einheitliche und kontinuierliche Raum- und Zeitinformationen sowie Positionierungs-, Zeit- und Kommunikationsdienste für den städtischen Schienenverkehr bereitgestellt. Dies ergänzt, erweitert und unterstützt die Anwendungen des Beidou-Systems in nicht exponierten Gebieten und überwindet die Grenzen zwischen exponierten und nicht exponierten Gebieten des städtischen Schienenverkehrs.

Aufbau eines intelligenten städtischen Schienenverkehrssystems mit Raum-Zeit-System

② Wichtige technologische Raum-Zeit-Benchmarks, die durchbrochen werden müssen

Für den Aufbau eines intelligenten städtischen Schienenverkehrssystems ist es notwendig, sich auf Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien wie der integrierten hochpräzisen kontinuierlichen Positionierung im Innen- und Außenbereich, der großflächigen hochpräzisen Zeit-Frequenz-Übertragung auf Basis universeller Netzwerkprotokolle und drahtlosen Kommunikationsanwendungen mit hohem Durchsatz auf Basis von 5G zu konzentrieren.

Im Hinblick auf die Positionierung ist es notwendig, die Ultrabreitband-Positionierungstechnologie (UWB) als dominierende Positionierungstechnologie auf einem einheitlichen räumlichen Bezugspunkt zu verwenden, ergänzt und erweitert durch mehrere Positionierungstechnologien, und durch die Integration von Navigations- und Positionierungssoftware und -algorithmen eine kontinuierliche Positionierung in exponierten und nicht exponierten Bereichen zu erreichen; durch das umfassende PNT-System, in das der Staat investiert und das er aufgebaut wurde, und das Mikro-PNT-System, das durch miniaturisierte, personalisierte und kombinierte Service-Terminals entwickelt wurde, können hochpräzise Ortungsdienste bereitgestellt werden.

Zeitlich gesehen ist es notwendig, eine dynamische Zeitsynchronisation aller Netzwerkknoten im interstädtischen Bereich auf der Grundlage des Präzisionsuhrsynchronisationsprotokolls des IEEE 1588V2 Netzwerkmess- und Steuerungssystems (auch bekannt als Precision Time Synchronization Protocol (PTP)) in Kombination mit der Synchronous Ethernet (SyncE)-Technologie und der White Rabbit (WR)-Zeitsynchronisationsmethode auf einer einheitlichen Zeitbasis zu erreichen, um hochpräzise Zeitdienste bereitzustellen.

Im Bereich der Kommunikation ist die Entwicklung von Indoor-Verteilungssystemen für städtische Schienenverkehre sowie von Zeitschlitzalgorithmen für U-Bahn-Verbindungen erforderlich, um den Einsatz von Hochdurchsatzkommunikation zu realisieren. Darüber hinaus gilt es im Zuge des Systemausbaus, eine Reihe von Schlüsseltechnologien des Beidou-Systems für intelligente städtische Schienenverkehre weiterzuentwickeln.

③AnwendungsdiensteDie Anwendung bildet den Ausgangspunkt und das Ziel der integrierten Entwicklung des Beidou-Systems und des intelligenten Stadtbahnsystems. Das Beidou-System wird der Stadtbahn neue Möglichkeiten und Mittel für intelligenten Betrieb, intelligente Wartung und intelligenten Kundenservice eröffnen, das Stadtbahngeschäft effektiv unterstützen und zum Aufbau eines intelligenten Stadtbahnsystems mit ausgefeiltem Management, effizientem Betrieb und maximalem Nutzen beitragen.

• Im Hinblick auf den intelligenten Betrieb ermöglicht das Beidou-System die Erfassung hochpräziser Echtzeit-Standortdaten von Bahnhofs-, Management- und Baupersonal. Darauf aufbauend kann das Personal im Stadtbahnverkehr durch den Aufbau elektronischer Zäune, elektronische Anwesenheitskontrolle, Leistungsbeurteilungsanalysen etc. präzise gesteuert werden. Die Zugpositionierung ist die Grundlage für einen sicheren und effizienten Betrieb der Stadtbahnen. Der Einsatz des Beidou-Systems ermöglicht eine genauere, redundantere, autonomere, tiefer integrierte und effizientere Zugpositionierung.

• Im Hinblick auf intelligente Instandhaltung sind städtische Schienenverkehrsanlagen und -ausrüstungen komplex, hochautomatisiert und von großem Umfang. Ihre Instandhaltung und Verwaltung stehen in direktem Zusammenhang mit der Sicherheit und Zuverlässigkeit des städtischen Schienenverkehrs. Die präzise Standortbestimmung von Anlagen und Ausrüstung mithilfe des Beidou-Systems ermöglicht die automatische Bestandsaufnahme im Anlagenmanagementsystem und schafft so einen geschlossenen Kreislauf für Zustandsüberwachung, Fehlerdiagnose, Risikowarnung, Instandhaltungsbewertung und Anlagenmanagement.

• Im Hinblick auf intelligenten Kundenservice können Fahrgäste mithilfe des Beidou-Systems schnell Routen zu Fahrkartenautomaten, Verkaufsautomaten, Toiletten und anderen Serviceeinrichtungen innerhalb und außerhalb von städtischen Bahnhöfen suchen und planen; außerdem können Funktionen wie Selbstbedienungsnavigation, intelligente mobile Terminals und Roboterführungsdienste auf Basis mehrdimensionaler und mehrschichtiger digitaler Karten genutzt werden, wodurch den Fahrgästen rund um die Uhr personalisierte Reisedienstleistungen angeboten werden können, die auf deren Reisebedürfnissen basieren.

#04

Fazit

Zeit- und Rauminformationen sind in der modernen Produktion und im Alltag unverzichtbar geworden. Die Entwicklung von Satellitennavigations- und Positionierungssystemen hat den Lebensstil der Menschen grundlegend verändert und auch die Managementmodelle von Gesellschaft und Unternehmen umgestaltet. Mit der Fertigstellung und dem Ausbau des Beidou-Systems und dem damit einhergehenden Aufbau und der Entwicklung des intelligenten Stadtbahnnetzes in meinem Land steigen die Anforderungen an raumzeitliche Bezugspunkte, räumliche Digitalisierung sowie hochpräzise Positionierung und Zeitmessung.

Zukünftig bieten das Beidou-System und intelligente Stadtbahnen ein breites Integrationspotenzial. Im Kern geht es darum, das PNT-System auf Basis von Stadtbahn-Anwendungsszenarien zu definieren, Schlüsseltechnologien voranzutreiben und ein raumzeitliches Systemnetzwerk aus drei Netzen und einer Plattform aufzubauen. Die Anwendung und Förderung des Beidou-Systems schafft optimale Voraussetzungen für die intelligente Transformation der Stadtbahn.

Referenzen: (Die Referenzliste bleibt in der wissenschaftlichen Zitierweise erhalten)

Lin Luzhou, Li Yujie, Deng Pingke, et al. Anwendung und Perspektiven des Beidou-Systems im intelligenten städtischen Schienenverkehr [J]. Modern Urban Rail Transit, 2021 (4):6-10.


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