Enfoque | Aplicación y perspectivas del sistema Beidou en el ferrocarril urbano inteligente

Según las estadísticas, más del 80% de las personasEl tiempo se pasa en espacios no expuestos, como edificios, vehículos y bajo tierra.El transporte ferroviario urbano (en adelante, "ferrocarril urbano"), como escenario típico de espacio no expuesto, es la arteria de la ciudad y el núcleo del área pública, y también es un área clave de construcción de "nueva infraestructura".Durante mucho tiempo, el posicionamiento, la navegación, la sincronización y la comunicación en espacios no expuestos han sido problemas técnicos globales y cuellos de botella que han restringido el desarrollo del ferrocarril urbano inteligente.

El Sistema de Navegación por Satélite Beidou (en adelante, el "Sistema Beidou"), como sistema global que proporciona información espacial y temporal, es una importante infraestructura espacial construida y operada de forma independiente por mi país. La construcción del sistema se ha completado y se está aplicando y promoviendo en diversos sectores. Mediante la aplicación del Sistema Beidou y la creación de una red de posicionamiento de alta precisión, una red de sincronización horaria de alta precisión, una red de comunicaciones de alto rendimiento y una plataforma digital espacial basada en él, puede desempeñar un papel fundamental en el desarrollo del transporte ferroviario urbano inteligente.

Dado que la aplicación del sistema Beidou es fundamental, innovadora, penetrante e impulsora, puede tener un impacto significativo en la forma de desarrollo, el concepto de desarrollo, el modelo de desarrollo y el modelo de operación del ferrocarril urbano, promoviendo asíNuevo modelo de operación y gestión de "Beidou + Ferrocarril Urbano"La creación de la ciudad satisfará las diversas necesidades de entidades como pasajeros, empresas y gobiernos, y construirá un sistema ferroviario urbano inteligente que sea más seguro, más fiable, más cómodo, más rentable, más ecológico y que ahorre energía.

#01

Sistema Beidou y Ferrocarril Urbano Inteligente

① Aplicación y desarrollo del sistema Beidou

En la actualidad, el sistema Beidou se utiliza ampliamente en los campos del transporte, la pesca marina, la meteorología y la hidrología, la gestión de la energía, la ayuda y mitigación de desastres, etc., y ha generado importantes beneficios sociales y económicos; especialmente en el transporte, se utiliza ampliamente en el posicionamiento de vehículos, la supervisión y gestión de procesos de transporte y la supervisión de la seguridad de la infraestructura.

Sobre esta base, hay espacio para una mayor expansión de las aplicaciones del sistema Beidou. Por ejemplo, desde la perspectiva del entorno del espacio de aplicación, en un entorno de espacio exterior expuesto (en adelante denominado "espacio expuesto") que puede recibir directamente señales del sistema de navegación por satélite, los usuarios pueden utilizar directamente la información espaciotemporal proporcionada por el sistema Beidou; sin embargo,En entornos espaciales no expuestos donde no se pueden recibir señales de sistemas de navegación por satélite.En adelante, los espacios no expuestos (como el metro, los estacionamientos subterráneos, los complejos comerciales y las zonas bajo viaductos) se ven afectados por la obstrucción de edificios y los efectos de trayectos múltiples. La precisión del posicionamiento por satélite se reduce drásticamente y no satisface las necesidades de los servicios de localización en estos espacios.

becauseLas personas pasan el 80% de su tiempo en espacios no expuestos, como edificios y vehículos móviles.,por lo tanto,Resolver problemas de navegación y posicionamiento en espacios no expuestos es una dirección importante para el desarrollo de aplicaciones del sistema Beidou..

Actualmente, el país está desarrollando un sistema integral de posicionamiento, navegación y sincronización (PNT) basado en el sistema Beidou. Este sistema puede utilizar diversas fuentes de información PNT basadas en diferentes principios y, mediante el control de una plataforma en la nube, la alta integración de múltiples sensores y la fusión de datos de múltiples fuentes, genera información de servicio PNT con puntos de referencia espacio-temporales unificados y que ofrece ventajas como resistencia a las interferencias y a la suplantación de identidad, robustez, facilidad de uso, continuidad y fiabilidad, logrando cobertura en interiores, bajo el agua, en el espacio profundo y otros entornos.

②Desarrollo integrado del sistema Beidou y del ferrocarril urbano inteligente

En los últimos años, con la aceleración de la construcción y el continuo aumento del kilometraje operativo, el transporte ferroviario urbano se ha enfrentado a una serie de desafíos, como la operación en red, la reducción de costos y la mejora de la eficiencia, la rapidez del servicio, la protección ambiental con bajas emisiones de carbono y el desarrollo sostenible. Esto ha dado lugar al surgimiento del concepto de transporte ferroviario urbano inteligente.

La esencia del transporte radica en proporcionar desplazamiento, es decir, facilitar el movimiento de personas y mercancías mediante vehículos de transporte según sea necesario. Como sistema de transporte público, el objetivo principal del desarrollo del ferrocarril urbano inteligente es lograr el movimiento con el menor coste y la máxima cobertura, garantizando al mismo tiempo la seguridad. El método consiste en optimizar la inteligencia de todos los eslabones del servicio ferroviario urbano mediante el apoyo de la tecnología de la información, es decir, mediante el concepto de "desplazamiento +". Por lo tanto, es necesario aprovechar al máximo las tecnologías avanzadas de comunicación, inteligencia artificial, Internet de las Cosas, macrodatos, robótica y otras tecnologías, tomando como base la percepción, el aprendizaje, la toma de decisiones y el control autónomos, y proporcionando a los pasajeros servicios de desplazamiento eficientes, precisos y personalizados, basados ​​en una gestión y un control optimizados de los equipos e instalaciones. De esta forma, se construirá un sistema ferroviario urbano de nueva generación más seguro, eficiente, cómodo y sostenible.

La información sobre la ubicación en el tiempo y el espacio es la base para lograr el funcionamiento autónomo, la gestión precisa y los servicios personalizados en todo momento del sistema ferroviario urbano inteligente.Por lo tanto, la construcción de un sistema ferroviario urbano inteligente debe lograr un desarrollo integrado con el sistema Beidou, que proporciona información espacio-temporal.

La tendencia de desarrollo futuro del transporte ferroviario urbano es promover un transporte inteligente, seguro, conveniente, económico, eficiente y ecológico bajo el concepto de "desplazamiento+"; mientras que la tendencia de desarrollo del sistema Beidou es potenciar la industria del transporte ferroviario bajo el concepto de "+Beidou" (es decir, utilizando la tecnología Beidou como medio facilitador, empleando la información espaciotemporal como método de aplicación, combinándola con tecnologías y negocios originales de otras industrias o reemplazando las soluciones de aplicación tradicionales) para impulsar su transformación y modernización. "Desplazamiento + Beidou", como concepto central del desarrollo integrado del sistema Beidou y el transporte ferroviario urbano inteligente, enriquecerá aún más las aplicaciones tecnológicas y los ecosistemas industriales de ambos sistemas, promoviendo su desarrollo integral y, por ende, impulsando la implementación de la estrategia nacional.

Desarrollo integrado del sistema Beidou y del metro inteligente.

#02

La demanda de sistemas Beidou por parte del transporte ferroviario urbano inteligente

①Punto de referencia espacio-temporal

Como sistema ciberfísico complejo típico, el ferrocarril urbano inteligente involucra una amplia variedad de sistemas de información, tales como el control automático de trenes (ATC), el cobro automático de tarifas (AFC), la automatización de la gestión del sistema de suministro de energía (SCADA), el monitoreo ambiental (BAS) y la alarma contra incendios (FAS). Para lograr su funcionamiento autónomo, estos complejos sistemas de información deben integrarse para percibir, procesar, tomar decisiones y controlar grandes cantidades de información espacio-temporal. Por lo tanto, es aún más necesario establecer un punto de referencia espacio-temporal unificado para evitar el riesgo de conflictos de información espacio-temporal y poner en peligro la operación segura del ferrocarril urbano.Mediante la aplicación del sistema Beidou y su sistema de coordenadas CGCS2000 (el sistema de coordenadas geodésicas nacional más reciente de mi país), que proporciona servicios de posicionamiento y navegación, el sistema ferroviario urbano puede obtener una referencia espacio-temporal unificada, autónoma y controlable.

Además, el entorno espacial en el que se ubica el ferrocarril urbano es muy complejo, con la coexistencia de espacios expuestos y no expuestos. Depender únicamente de los sistemas de navegación por satélite no satisface las necesidades actuales de las aplicaciones. Al introducir la referencia espacio-temporal absoluta del sistema Beidou en el espacio no expuesto del ferrocarril urbano y mantenerla dinámicamente, por un lado, es posible unificar la posición relativa del espacio no expuesto y la posición absoluta del espacio expuesto, y visualizar y aplicar la posición del espacio no expuesto en el ferrocarril urbano en forma de un sistema de coordenadas absolutas; por otro lado, es posible unificar el tiempo y lograr la sincronización horaria en el espacio no expuesto.

② Digitalización del espacio

Debido al complejo entorno espacial del ferrocarril urbano, dominar información geográfica rica y precisa es la base para la construcción y operación de ferrocarriles urbanos inteligentes. La digitalización espacial, es decir构建数字化的地理信息空间数据框架（Marco de datos geoespaciales digitales,DSDF）Es el producto del desarrollo y la integración de la tecnología de topografía y cartografía, la tecnología de la información geográfica y otras tecnologías de la información modernas.

Con el avance de los medios técnicos, la tecnología de topografía y cartografía se está desarrollando hacia la digitalización tridimensional, la interconexión, la visualización en tiempo real y la recopilación de información, el procesamiento de datos y la aplicación de resultados. Existe la necesidad de una aplicación digital espacial con el modelado tridimensional de la vida real como núcleo. En la construcción del ferrocarril urbano inteligente, es necesario utilizar el sistema de referencia espacio-temporal Beidou para emplear herramientas de topografía y cartografía montadas en estaciones, de mano, de mochila, portátiles y otras, así como equipos de recopilación de datos de información geográfica para realizar mediciones en salas de computadoras, vestíbulos de estaciones, secciones, depósitos y almacenes en los espacios subterráneos y elevados del ferrocarril urbano. En otros lugares, recopilamos datos de nube de puntos láser 3D alrededor de estructuras espaciales, equipos e instalaciones, consumibles y otros elementos, y los complementamos con información de datos como fotografías in situ y texturas para crear un conjunto de modelos 3D detallados de la vida real con todos los elementos para lograr la digitalización espacial del ferrocarril urbano.

Utilizando los datos mencionados, el personal pertinente puede generar mapas de alta precisión, organizar los recursos espaciales, comprender la estructura espacial, las instalaciones y el equipamiento del ferrocarril urbano, proporcionar información geográfica precisa y completa para la planificación, construcción, renovación y mantenimiento del ferrocarril urbano inteligente, y brindar información básica importante y apoyo técnico para la utilización del espacio y una gestión optimizada. Como nueva aplicación de la tecnología Beidou en el sistema espacio-temporal, la digitalización espacial ha revitalizado el desarrollo del ferrocarril urbano inteligente.

③Posicionamiento y sincronización de alta precisión

La información espacial y temporal de alta precisión es fundamental para la construcción de sistemas ferroviarios urbanos inteligentes. Los datos de tráfico son un ejemplo típico de datos espaciotemporales, que no solo poseen atributos de dimensión temporal, sino que también presentan una fuerte dependencia de la estructura espacial.

Con la integración y el desarrollo de diferentes sistemas de información de transporte ferroviario, los requisitos de precisión de posicionamiento y sincronización horaria siguen aumentando. Actualmente, el sistema Beidou no puede satisfacer directamente los requisitos de posicionamiento y sincronización de alta precisión del ferrocarril urbano inteligente. Las razones son las siguientes:

• Dificultad para recibir señales de satélite.En los espacios no expuestos del ferrocarril urbano, debido al blindaje de las paredes (especialmente del hormigón armado), las señales de posicionamiento por satélite se debilitarán significativamente después de atravesar los edificios, la precisión del posicionamiento se reducirá considerablemente e incluso puede que la señal no se reciba.

• Múltiples obstáculos y fuentes de interferencia.En el transporte ferroviario urbano existen diversos obstáculos, como columnas, ascensores, escaleras mecánicas, equipos, puertas de acceso y peatones. La distribución de las vías varía. Además, el constante movimiento de peatones y vehículos provoca múltiples reflexiones en la señal. Estas numerosas incertidumbres hacen que el entorno del transporte ferroviario urbano sea extremadamente complejo. Esta situación se acentúa especialmente en el metro, ya que su entorno es relativamente cerrado y las complejas interferencias ambientales, como las señales de radio, el sonido, la luz y la temperatura, afectan negativamente la precisión de los sensores de posicionamiento.
  

• El posicionamiento en altura es difícil.En un entorno de metro, no solo hay que tener en cuenta la posición del plano bidimensional, sino también la posición y la altura de las plantas sobre rasante y subterráneas en los edificios de varias plantas.
  

• Es difícil desarrollar terminales de aplicación.El transporte ferroviario urbano requiere miniaturización, personalización y terminales de aplicación combinadas, y aborda problemas como el diseño de optimización de componentes, la selección de materiales, la fabricación de precisión, la integración profunda de componentes, la calibración de sensores en tiempo real y la fusión adaptativa de la información de salida de los sensores. Los investigadores deben partir de estos cuatro aspectos y realizar investigaciones específicas para resolver los problemas mencionados, con el fin de proporcionar información espacial y temporal de alta precisión para la construcción y operación del transporte ferroviario urbano inteligente y garantizar su buen desarrollo.

#03

Perspectivas para la aplicación del sistema Beidou en el ferrocarril urbano inteligente.

① Construcción de la red del sistema espacio-temporal

El sistema ferroviario urbano inteligente debe construir una red de sistemas espacio-temporales autónomos y controlables.

Ante problemas como la incapacidad del sistema Beidou para navegar y posicionarse en espacios no expuestos, la falta de medios de comunicación de alto rendimiento y la falta de información geográfica integral, se debe aplicar de forma integral la tecnología "Beidou + 5G + digitalización espacial" para construir una red espaciotemporal de "tres redes y una plataforma" compuesta por una red de posicionamiento de alta precisión, una red de sincronización horaria de alta precisión, una red de comunicación de alto rendimiento y una plataforma digital espacial. Esto permitirá crear una red de información de referencia espaciotemporal para el ferrocarril urbano y utilizarla como infraestructura para la construcción y operación de ferrocarriles urbanos inteligentes, proporcionando información espacial y temporal unificada y continua, así como servicios de posicionamiento, sincronización y comunicación para el ferrocarril urbano. De esta manera, se complementarán, mejorarán y respaldarán las aplicaciones del sistema Beidou en espacios no expuestos, superando así las barreras entre los espacios expuestos y no expuestos del ferrocarril urbano.

Construcción de una red inteligente de sistemas espacio-temporales para el ferrocarril urbano.

②Puntos de referencia espacio-temporales clave de la tecnología que deben superarse

Para construir una red inteligente de sistemas espacio-temporales de transporte ferroviario urbano, es necesario centrarse en avances en tecnologías clave como el posicionamiento continuo de alta precisión integrado en interiores y exteriores, la transmisión tiempo-frecuencia de alta precisión a gran escala basada en protocolos de red universales y las aplicaciones de comunicación inalámbrica de alto rendimiento basadas en 5G.

En términos de posicionamiento, es necesario utilizar la tecnología de posicionamiento de banda ultraancha (UWB) como tecnología dominante en un punto de referencia espacial unificado, complementada y mejorada por múltiples tecnologías de posicionamiento, y mediante la integración de software y algoritmos de navegación y posicionamiento para lograr un posicionamiento continuo en espacios expuestos y no expuestos; a través del sistema PNT integral financiado y construido por el estado y el sistema micro-PNT desarrollado mediante terminales de servicio miniaturizados, personalizados y combinados, se pueden proporcionar servicios de localización de alta precisión.

En términos de tiempo, es necesario lograr la sincronización horaria dinámica de todos los nodos de la red en el rango interurbano basándose en el protocolo de sincronización de reloj de precisión del sistema de medición y control de red IEEE 1588V2 (también conocido como Protocolo de Sincronización de Tiempo de Precisión (PTP)), combinado con la tecnología Ethernet Síncrona (SyncE) y el método de sincronización horaria White Rabbit (WR), sobre una base horaria unificada para proporcionar servicios de temporización de alta precisión.

En materia de comunicaciones, es necesario desarrollar sistemas de distribución interior para el transporte ferroviario urbano y algoritmos de segmentación temporal para los servicios de metro, con el fin de implementar comunicaciones de alto rendimiento. Además, a medida que avanza la construcción del sistema, también es necesario superar una serie de tecnologías clave utilizadas por el sistema Beidou en el transporte ferroviario urbano inteligente.

③Servicios de aplicaciónLa aplicación es el punto de partida y el objetivo del desarrollo integrado del sistema Beidou y el ferrocarril urbano inteligente. El sistema Beidou proporcionará al ferrocarril urbano nuevas capacidades y herramientas en términos de operación, mantenimiento y servicio al cliente inteligentes, brindará un apoyo eficaz a la actividad ferroviaria urbana y contribuirá a la construcción de un sistema ferroviario urbano inteligente con una gestión sofisticada, una operación eficiente y el máximo beneficio.

• En términos de operación inteligente, mediante el sistema Beidou, se puede obtener información de ubicación de alta precisión en tiempo real de la estación, el personal de gestión y el personal de construcción. Sobre esta base, se puede gestionar con precisión a los trabajadores del metro mediante la construcción de cercas electrónicas, el control de asistencia y el registro electrónico, el análisis de la evaluación del desempeño, etc. El posicionamiento de los trenes es fundamental para la operación segura y eficiente del metro. El uso del sistema Beidou permite un posicionamiento de trenes más preciso, redundante, autónomo, integrado y eficiente.

• En términos de mantenimiento inteligente, las instalaciones y equipos del transporte ferroviario urbano son complejos, altamente automatizados y de gran tamaño. Su mantenimiento y gestión están directamente relacionados con la seguridad y la fiabilidad de las operaciones. La obtención de la ubicación precisa de las instalaciones y equipos mediante el sistema Beidou permite realizar inventarios automáticos de activos y equipos en función de su ubicación exacta en el sistema de gestión de activos, creando así un ciclo cerrado de monitorización del estado, diagnóstico de fallos, alerta de riesgos, evaluación del mantenimiento y gestión de activos.

• En lo que respecta a la atención al cliente inteligente, mediante el sistema Beidou, los pasajeros pueden buscar y planificar rápidamente rutas hacia máquinas expendedoras de billetes y de artículos de autoservicio, aseos y otros servicios dentro y fuera de las estaciones de tren urbanas; también pueden implementar funciones como navegación de autoservicio, terminales móviles inteligentes y servicios de guía robótica basados ​​en mapas digitales multidimensionales y multicapa, lo que permite ofrecer a los pasajeros servicios de viaje personalizados y continuos basados ​​en sus necesidades.

#04

Conclusión

La información espacio-temporal se ha convertido en información fundamental para la producción y la vida modernas. El desarrollo de los sistemas de navegación y posicionamiento por satélite ha transformado por completo los estilos de vida de las personas y también los modelos de gestión de la sociedad y las empresas. Con la finalización y la promoción del sistema Beidou, la construcción y el desarrollo del ferrocarril urbano inteligente de nuestro país han planteado mayores exigencias en cuanto a referencias espaciotemporales, digitalización espacial, posicionamiento de alta precisión y sincronización.

En el futuro, el sistema Beidou y el ferrocarril urbano inteligente cuentan con un amplio margen de integración y gran potencial. La clave reside en definir su sistema PNT (Punto, Navegación y Tiempo) en función de los escenarios de aplicación del ferrocarril urbano, superar las tecnologías clave y construir una red espaciotemporal de "tres redes y una plataforma". La aplicación y promoción del sistema Beidou creará las condiciones básicas óptimas para la transformación inteligente del ferrocarril urbano.

Referencias:

Lin Luzhou, Li Yujie, Deng Pingke, et al. Aplicación y perspectivas del sistema Beidou en el ferrocarril urbano inteligente [J]. Tránsito ferroviario urbano moderno, 2021 (4):6-10.


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