تمرکز | کاربرد و چشم‌انداز سیستم بیدو در راه‌آهن هوشمند شهری

طبق آمار، بیش از ۸۰ درصد افرادزمان در فضاهای غیرمعرض مانند ساختمان‌ها، وسایل نقلیه سیار و زیرزمین سپری می‌شود.حمل و نقل ریلی شهری (که از این پس "راه آهن شهری" نامیده می‌شود)، به عنوان یک سناریوی معمول از فضای غیر در معرض دید، شریان شهر و منطقه عمومی اصلی است و همچنین یک منطقه ساخت و ساز کلیدی "زیرساخت‌های جدید" است.برای مدت طولانی، موقعیت‌یابی، ناوبری، زمان‌بندی و ارتباط در فضاهای غیرمعرض، مشکلات فنی جهانی و گلوگاه‌هایی بودند که توسعه راه‌آهن هوشمند شهری را محدود می‌کردند.

سامانه ناوبری ماهواره‌ای بیدو (که از این پس "سامانه بیدو" نامیده می‌شود)، به عنوان یک سامانه جهانی که اطلاعات زمانی و مکانی را ارائه می‌دهد، یک زیرساخت فضایی مهم است که به طور مستقل توسط کشور من ساخته و اداره می‌شود. ساخت این سامانه تکمیل شده و در صنایع مختلف در حال به کارگیری و ترویج است. با به کارگیری سامانه بیدو و ساخت یک شبکه موقعیت‌یابی با دقت بالا، یک شبکه هماهنگ‌سازی زمانی با دقت بالا، یک شبکه ارتباطی با توان عملیاتی بالا و یک پلتفرم دیجیتال فضایی مبتنی بر آن، می‌تواند نقش حمایتی اساسی در ساخت راه‌آهن هوشمند شهری ایفا کند.

از آنجایی که کاربرد سیستم بیدو بنیادی، نوآورانه، نافذ و محرک است، می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر شکل توسعه، مفهوم توسعه، مدل توسعه و مدل بهره‌برداری از راه‌آهن شهری داشته باشد و در نتیجه آن را ارتقا دهد.مدل جدید عملیات و مدیریت "Beidou + Urban Rail"تشکیل این شهر، نیازهای مختلف نهادهای متنوعی مانند مسافران، شرکت‌ها و دولت‌ها را برآورده می‌کند و یک سیستم ریلی شهری هوشمند می‌سازد که ایمن‌تر، قابل اعتمادتر، راحت‌تر، مقرون به صرفه‌تر، سبزتر و کم‌مصرف‌تر است.

#01

Beidou System and Smart Urban Rail

①Application and development of Beidou system

At present, the Beidou system has been widely used in the fields of transportation, marine fisheries, meteorology and hydrology, power dispatching, disaster relief and mitigation, etc., and has produced significant social and economic benefits; especially in transportation, it has been widely used in vehicle positioning, transportation process monitoring and management, and infrastructure safety monitoring.

On this basis, there is room for further expansion of Beidou system applications. For example, from the perspective of the application space environment, in an outdoor exposed space environment (hereinafter referred to as "exposed space") that can directly receive satellite navigation system signals, users can directly utilize the spatiotemporal information provided by the Beidou system; however,In non-exposed space environments where satellite navigation system signals cannot be received(که از این پس "فضای غیرمعرض" نامیده می‌شود)، مانند متروها، پارکینگ‌های زیرزمینی، مجتمع‌های تجاری و زیر پل‌های هوایی، تحت تأثیر انسداد ساختمان‌ها و اثرات چندمسیری قرار می‌گیرند. دقت موقعیت‌یابی ماهواره‌ای به شدت کاهش می‌یابد و نمی‌تواند نیازهای سرویس‌های مکان‌یابی فضای غیرمعرض را برآورده کند.

زیرامردم ۸۰٪ از وقت خود را در فضاهای غیر در معرض نور خورشید مانند ساختمان‌ها و وسایل نقلیه متحرک می‌گذرانند.,therefore,Solving navigation and positioning problems in non-exposed space is an important direction for the application development of Beidou system.

در حال حاضر، این کشور در حال ساخت یک سیستم جامع موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌بندی (Positioning, Navigation and Timing, PNT) مبتنی بر سیستم Beidou است. این سیستم می‌تواند از منابع اطلاعاتی PNT متنوعی بر اساس اصول مختلف استفاده کند و از طریق کنترل پلتفرم ابری، ادغام بالای حسگرهای چندگانه و ترکیب داده‌های چند منبعی، اطلاعات سرویس PNT را تولید کند که دارای معیارهای مکانی-زمانی یکپارچه است و از مزایای ضد تداخل، ضد جعل، استحکام، قابلیت استفاده، پیوستگی و قابلیت اطمینان برخوردار است و پوشش را در محیط‌های داخلی، زیر آب، فضای عمیق و سایر زمینه‌ها محقق می‌کند.

② توسعه یکپارچه سیستم بیدو و راه‌آهن هوشمند شهری

In recent years, with the acceleration of construction and the continuous growth of operating mileage, urban rail has faced a series of challenges such as networked operation, cost reduction and efficiency improvement, fast service, low-carbon environmental protection, and sustainable development. This has led to the emergence of the concept of smart urban rail.

ماهیت حمل و نقل، فراهم کردن جابجایی است، یعنی تحقق جابجایی مکانی افراد و مواد از طریق وسایل نقلیه حمل و نقل در صورت نیاز. به عنوان یک سیستم حمل و نقل عمومی، هدف اصلی توسعه راه آهن هوشمند شهری، دستیابی به جابجایی مکانی با کمترین هزینه و حداکثر پوشش در عین تضمین ایمنی است. روش، تحقق هوشمندی همه پیوندها در فرآیند خدمات راه آهن شهری با پشتیبانی فناوری اطلاعات، یعنی "جابجایی+" است. بنابراین، لازم است از ارتباطات اطلاعاتی پیشرفته، هوش مصنوعی هوشمند، اینترنت اشیا، کلان داده، رباتیک و سایر فناوری‌ها که ادراک خودکار، یادگیری خودکار، تصمیم‌گیری خودکار و کنترل خودکار را به عنوان فرآیندهای پردازش اصلی در نظر می‌گیرند، به طور کامل استفاده شود و خدمات جابجایی کارآمد، دقیق و شخصی‌سازی شده را بر اساس مدیریت و کنترل بهینه تجهیزات و امکانات در اختیار مسافران قرار دهد و در نتیجه نسل جدیدی از سیستم راه آهن شهری ساخته شود که ایمن‌تر، کارآمدتر، راحت‌تر و سبزتر باشد.

اطلاعات مکانی و زمانی، اساس تحقق عملیات خودکار، مدیریت دقیق و خدمات شخصی‌سازی‌شده تمام‌وقت سیستم هوشمند راه‌آهن شهری است.بنابراین، ساخت راه‌آهن شهری هوشمند نیاز به دستیابی به توسعه یکپارچه با سیستم Beidou دارد که اطلاعات مکانی-زمانی را ارائه می‌دهد.

روند توسعه آینده قطار شهری، ارتقای حمل و نقل هوشمند ایمن، راحت، اقتصادی، کارآمد و سبز در قالب "جابجایی+" است؛ در حالی که روند توسعه سیستم Beidou، توانمندسازی صنعت حمل و نقل ریلی در قالب "+Beidou" (یعنی استفاده از فناوری Beidou به عنوان ابزاری توانمندساز، استفاده از اطلاعات مکانی-زمانی به عنوان یک روش کاربردی، ترکیب با فناوری‌های اصلی سایر صنایع و مشاغل اصلی یا جایگزینی راه‌حل‌های کاربردی سنتی) برای ارتقای تحول و ارتقاء آن است. "جابجایی+Beidou"، به عنوان مفهوم اصلی توسعه یکپارچه سیستم Beidou و قطار شهری هوشمند، کاربردهای فناوری و اکوسیستم‌های صنعتی قطار شهری و سیستم‌های Beidou را بیش از پیش غنی خواهد کرد، توسعه جامع هر دو را ارتقا می‌دهد و در نتیجه اجرای استراتژی ملی را ارتقا می‌دهد.

Integrated development of Beidou system and smart subway

#02

تقاضای قطارهای شهری هوشمند برای سیستم بیدو

①Space-time benchmark

به عنوان یک سیستم سایبری-فیزیکی پیچیده معمولی، قطار شهری هوشمند شامل طیف گسترده‌ای از سیستم‌های اطلاعاتی مانند کنترل خودکار قطار (ATC)، جمع‌آوری خودکار کرایه (AFC)، اتوماسیون مدیریت سیستم منبع تغذیه (SCADA)، نظارت بر محیط زیست (BAS) و اعلام حریق (FAS) است. برای تحقق عملکرد مستقل آن، این سیستم‌های اطلاعاتی پیچیده باید برای درک، پردازش، تصمیم‌گیری و کنترل حجم عظیمی از اطلاعات زمانی و مکانی یکپارچه شوند. بنابراین، ایجاد یک معیار مکانی-زمانی یکپارچه برای جلوگیری از خطر تضاد اطلاعات مکانی-زمانی و به خطر انداختن عملکرد ایمن قطار شهری، حتی ضروری‌تر است.با به‌کارگیری سامانه Beidou و سامانه مختصات CGCS2000 آن (جدیدترین سامانه مختصات ژئودزی ملی در کشور من) که خدمات موقعیت‌یابی و ناوبری را ارائه می‌دهد، سامانه راه‌آهن شهری می‌تواند به یک مرجع مکانی-زمانی یکپارچه، مستقل و قابل کنترل دست یابد.

In addition, the space environment in which urban rail is located is very complex, with exposed space and non-exposed space coexisting. Simply relying on satellite navigation systems cannot meet current application needs. By introducing the absolute spatio-temporal reference of the Beidou system into the non-exposed space of urban rail and maintaining it dynamically, on the one hand, it is possible to unify the relative position of the non-exposed space and the absolute position of the exposed space, and display and apply the position of the non-exposed space in the urban rail in the form of an absolute coordinate system; on the other hand, it is possible to unify time and achieve time synchronization in the non-exposed space.

②دیجیتالی‌سازی فضا

Due to the complex spatial environment of urban rail, mastering rich and accurate geographical information is the basis for the construction and operation of smart urban rail. Spatial digitization, i.e.构建数字化的地理信息空间数据框架（چارچوب داده‌های جغرافیایی دیجیتال，DSDF）, is the product of the development and integration of surveying and mapping technology, geographic information technology and other modern information technologies.

With the advancement of technical means, surveying and mapping technology is developing in the direction of three-dimensional digitization, networking, real-time, and visualization of information collection, data processing, and application of results. There is a need for spatial digital application with three-dimensional real-life modeling as the core. In the construction of smart urban rail, it is necessary to use the spatio-temporal benchmark of the Beidou system to use station-mounted, push-broom, backpack, handheld and other surveying and mapping tools and geographical information data collection equipment to conduct computer rooms, station halls, sections, depots, and warehouses in the underground and above-ground spaces of the urban rail. In other places, we collect 3D laser point cloud data around spatial structures, equipment and facilities, consumables and other elements, and supplement it with data information such as on-site photography and textures to create a set of fine real-life 3D models with all elements to realize the spatial digitization of urban rail.

با استفاده از داده‌های فوق، کارکنان مربوطه می‌توانند نقشه‌های با دقت بالا تولید کنند، منابع مکانی را مرتب کنند، ساختار مکانی و امکانات و تجهیزات راه‌آهن شهری را درک کنند، اطلاعات جغرافیایی دقیق و جامعی را برای برنامه‌ریزی، ساخت، نوسازی و نگهداری راه‌آهن هوشمند شهری ارائه دهند و اطلاعات اساسی و پشتیبانی فنی مهمی را برای استفاده از فضا و مدیریت اصلاح‌شده ارائه دهند. دیجیتالی شدن مکانی به عنوان یک کاربرد جدید از فناوری Beidou در سیستم فضا-زمان، نشاط جدیدی را به توسعه راه‌آهن هوشمند شهری تزریق کرده است.

③High-precision positioning and timing

اطلاعات مکانی و زمانی با دقت بالا، اساس ساخت داده‌های هوشمند راه‌آهن شهری است. داده‌های ترافیکی، داده‌های مکانی-زمانی معمولی هستند که نه تنها دارای ویژگی‌های بُعد زمانی هستند، بلکه وابستگی شدیدی به ساختار مکانی نیز دارند.

With the integration and development of different rail transit information systems, the requirements for positioning accuracy and time synchronization accuracy continue to increase. At present, the Beidou system cannot directly meet the requirements of smart urban rail for high-precision positioning and timing. The reasons are as follows:

• مشکل در دریافت سیگنال‌های ماهواره‌ایدر فضای غیرمعرض ریل شهری، به دلیل محافظ دیوارها (به‌ویژه بتن مسلح)، سیگنال‌های موقعیت‌یابی ماهواره‌ای پس از عبور از ساختمان‌ها به‌طور قابل‌توجهی ضعیف می‌شوند و دقت موقعیت‌یابی به‌شدت کاهش می‌یابد و حتی ممکن است سیگنال قابل دریافت نباشد.

• موانع و منابع تداخل متعدد.انواع مختلفی از موانع در راه‌آهن شهری وجود دارد، مانند ستون‌ها، آسانسورها، پله برقی‌ها، تجهیزات، درهای توری و عابران پیاده. طرح‌بندی‌ها متفاوت هستند. علاوه بر این، عابران پیاده و وسایل نقلیه دائماً در حال حرکت هستند و سیگنال چندین بار منعکس می‌شود. این عدم قطعیت‌های متعدد، محیط راه‌آهن شهری را بسیار پیچیده می‌کند. این وضعیت به ویژه در مترو برجسته است، زیرا محیط مترو نسبتاً بسته است و تداخل‌های پیچیده محیطی مانند سیگنال‌های رادیویی، صدا، نور و دما تأثیر منفی بر دقت حسگرهای تجهیزات موقعیت‌یابی خواهد داشت.
  

• تعیین موقعیت در ارتفاع دشوار است.In a subway environment, not only the position of the two-dimensional plane must be considered, but also the position and height of the above-ground and underground floors for multi-story buildings.
  

• It is difficult to develop application terminals.Urban rail requires miniaturization, personalization, and combined application terminals, and solves problems such as component optimization design, material selection, precision manufacturing, deep component integration, real-time sensor calibration, and adaptive fusion of sensor output information. Researchers should start from the above four aspects and conduct targeted research to solve the above problems, so as to provide high-precision space and time information for the construction and operation of smart urban rail and ensure its smooth progress.

#03

Prospects for the application of Beidou system in smart urban rail

①Construction of space-time system network

Smart urban rail must build an autonomous and controllable space-time system network.

In view of the problems such as the inability of Beidou system navigation and positioning in non-exposed space, lack of high-throughput communication means, and lack of all-element geographical information, the "Beidou + 5G + space digitalization" technology should be comprehensively applied to build a "three networks and one platform" spatio-temporal system network composed of a high-precision positioning network, a high-precision time synchronization network, a high-throughput communication network and a space digital platform. Form an urban rail spatio-temporal reference information network and use it as the infrastructure for smart urban rail construction and operation to provide unified and continuous space and time information, as well as positioning, timing, and communication services for urban rail, thereby complementing, enhancing, and backing up Beidou system applications in non-exposed spaces, thereby breaking the barriers between urban rail exposed spaces and non-exposed spaces.

ساخت شبکه هوشمند سیستم فضا-زمان راه‌آهن شهری

②Key technology space-time benchmarks that need to be broken through

برای ساخت یک شبکه هوشمند سیستم فضا-زمان راه‌آهن شهری، لازم است بر پیشرفت‌های حاصل در فناوری‌های کلیدی مانند موقعیت‌یابی پیوسته با دقت بالا و یکپارچه در محیط داخلی و خارجی، انتقال زمان-فرکانس با دقت بالا در مقیاس بزرگ مبتنی بر پروتکل‌های شبکه جهانی و کاربردهای ارتباط بی‌سیم با توان عملیاتی بالا مبتنی بر 5G تمرکز شود.

در زمینه موقعیت‌یابی، لازم است از فناوری موقعیت‌یابی فوق پهن‌باند (UWB) به عنوان فناوری موقعیت‌یابی غالب در یک معیار مکانی واحد استفاده شود، که توسط فناوری‌های موقعیت‌یابی متعدد تکمیل و ارتقا یافته و از طریق ادغام نرم‌افزارها و الگوریتم‌های ناوبری و موقعیت‌یابی برای دستیابی به موقعیت‌یابی پیوسته در فضاهای در معرض دید و غیر در معرض دید، مورد استفاده قرار گیرد؛ از طریق سیستم جامع PNT که توسط دولت سرمایه‌گذاری و ساخته شده است و سیستم میکرو PNT که توسط پایانه‌های خدماتی کوچک، شخصی‌سازی شده و ترکیبی توسعه یافته است، می‌توان خدمات موقعیت‌یابی با دقت بالا ارائه داد.

از نظر زمانی، لازم است که همگام‌سازی زمانی پویای کل گره‌های شبکه در محدوده بین شهری بر اساس پروتکل همگام‌سازی ساعت دقیق سیستم اندازه‌گیری و کنترل شبکه IEEE 1588V2 (که با نام پروتکل همگام‌سازی زمان دقیق (PTP) نیز شناخته می‌شود) همراه با فناوری اترنت همگام (SyncE) و روش همگام‌سازی زمان White Rabbit (WR) بر اساس زمان واحد انجام شود تا خدمات زمان‌بندی با دقت بالا ارائه شود.

In terms of communications, it is necessary to develop urban rail indoor distribution systems and time slicing algorithms for subway services to realize the application of high-throughput communications. In addition, as the system construction progresses, it is also necessary to break through a series of key technologies used by the Beidou system in smart urban rail.

③Application servicesApplication is the starting point and goal of the integrated development of Beidou system and smart urban rail. The Beidou system will give urban rail new capabilities and means in terms of intelligent operation, intelligent maintenance, and intelligent customer service, provide effective support for urban rail business, and help build a smart urban rail system with sophisticated management, efficient operation, and maximum benefits.

• از نظر عملکرد هوشمند، از طریق سیستم Beidou می‌توان اطلاعات مکانی با دقت بالا و در لحظه از ایستگاه، پرسنل مدیریت و ساخت و ساز را به دست آورد. بر این اساس، می‌توان از طریق ساخت نرده‌های الکترونیکی، حضور و غیاب و ورود الکترونیکی، تجزیه و تحلیل ارزیابی عملکرد و غیره، کارکنان راه‌آهن شهری را به طور دقیق مدیریت کرد. موقعیت‌یابی قطار تضمین‌کننده عملکرد ایمن و کارآمد قطارهای راه‌آهن شهری است. استفاده از سیستم Beidou می‌تواند موقعیت‌یابی قطار را دقیق‌تر، کارآمدتر، مستقل‌تر، عمیق‌تر و یکپارچه‌تر کند.

• از نظر نگهداری هوشمند، تأسیسات و تجهیزات قطار شهری پیچیده، بسیار خودکار و دارای مقیاس‌های دارایی بزرگی هستند. نگهداری و مدیریت آنها مستقیماً با ایمنی و قابلیت اطمینان عملیات قطار شهری مرتبط است. به دست آوردن مکان دقیق تأسیسات و تجهیزات از طریق سیستم Beidou می‌تواند موجودی خودکار دارایی‌ها و تجهیزات را بر اساس مکان دقیق در سیستم مدیریت دارایی محقق کند و یک زنجیره حلقه بسته از نظارت بر وضعیت، تشخیص خطا، هشدار ریسک، ارزیابی نگهداری و مدیریت دارایی ایجاد کند.

• از نظر خدمات هوشمند به مشتریان، با استفاده از سیستم Beidou، مسافران می‌توانند به سرعت مسیرهای دستگاه‌های بلیط سلف سرویس، دستگاه‌های فروش خودکار، سرویس بهداشتی و سایر امکانات خدماتی را در داخل و خارج از ایستگاه‌های راه‌آهن شهری جستجو و برنامه‌ریزی کنند؛ آنها همچنین می‌توانند عملکردهایی مانند ناوبری سلف سرویس، پایانه‌های هوشمند موبایل و خدمات هدایت ربات را بر اساس نقشه‌های دیجیتال چند بعدی و چند لایه پیاده‌سازی کنند و در نتیجه قادر به ارائه خدمات مسافرتی تمام وقت و شخصی‌سازی شده بر اساس نیازهای سفر مسافران باشند.

#04

نتیجه

اطلاعات زمانی و مکانی به اطلاعات اساسی در تولید و زندگی مدرن تبدیل شده‌اند. توسعه سیستم‌های ناوبری و موقعیت‌یابی ماهواره‌ای، سبک زندگی مردم را به طور کامل تغییر داده و همچنین مدل‌های مدیریتی جامعه و شرکت‌ها را متحول کرده است. با تکمیل و ارتقاء کاربرد سیستم Beidou، ساخت و توسعه راه‌آهن هوشمند شهری کشور من، الزامات بالاتری را برای معیارهای مکانی-زمانی، دیجیتالی شدن مکانی، موقعیت‌یابی و زمان‌بندی با دقت بالا مطرح کرده است.

در آینده، سیستم Beidou و قطار شهری هوشمند، فضای وسیع و پتانسیل بالایی برای ادغام دارند. هسته اصلی این برنامه، تعریف سیستم PNT بر اساس سناریوهای کاربردی قطار شهری، عبور از فناوری‌های کلیدی و ساخت یک شبکه سیستم فضا-زمان "سه شبکه و یک پلتفرم" است. کاربرد و ارتقای سیستم Beidou، شرایط اساسی بهینه‌ای را برای تحول هوشمند قطار شهری ایجاد خواهد کرد.

منابع:

لین لوژو، لی یوجی، دنگ پینگکه و همکاران. کاربرد و چشم‌انداز سیستم بیدو در راه‌آهن هوشمند شهری [J]. حمل و نقل ریلی شهری مدرن، 2021 (4):6 10.


This content comes from the Internet/Beidou Today. This website only provides reprinting. The views, stance, technology, etc. of this article have nothing to do with this website. If there is any infringement, please contact us to delete it!