Focus | Application et perspectives du système Beidou dans le transport ferroviaire urbain intelligent

Selon les statistiques, plus de 80 % des personnesTime is spent in non-exposed spaces such as buildings, mobile vehicles, and underground.Le transport ferroviaire urbain (ci-après dénommé « transport ferroviaire urbain »), en tant que scénario typique d’espace non exposé, est l’artère de la ville et le cœur de l’espace public, et constitue également un domaine de construction clé des « nouvelles infrastructures ».Depuis longtemps, le positionnement, la navigation, la synchronisation et la communication dans les espaces non exposés constituent des problèmes techniques mondiaux et des goulots d'étranglement limitant le développement des réseaux ferroviaires urbains intelligents.

The Beidou Satellite Navigation System (hereinafter referred to as the "Beidou System"), as a global system that provides time and space information, is an important space infrastructure independently constructed and operated by my country. The system construction has been completed and is being applied and promoted in various industries. By applying the Beidou system and building a high-precision positioning network, a high-precision time synchronization network, a high-throughput communication network and a space digital platform based on it, it can play a fundamental supporting role in the construction of smart urban rail.

Since the application of the Beidou system is fundamental, innovative, penetrating and driving, it can have a significant impact on the development form, development concept, development model and operation model of urban rail, thus promotingnouveau modèle d'exploitation et de gestion de « Beidou + Urban Rail »La création de cette ville permettra de répondre aux divers besoins d'entités variées telles que les passagers, les entreprises et les gouvernements, et de construire un système ferroviaire urbain intelligent, plus sûr, plus fiable, plus pratique et plus confortable, plus rentable, plus écologique et plus économe en énergie.

#01

Système Beidou et réseau ferroviaire urbain intelligent

①Application and development of Beidou system

À l'heure actuelle, le système Beidou est largement utilisé dans les domaines des transports, de la pêche maritime, de la météorologie et de l'hydrologie, de la répartition de l'énergie, des secours et de la gestion des catastrophes, etc., et a généré d'importants bénéfices socio-économiques ; notamment dans le domaine des transports, il est largement utilisé pour le positionnement des véhicules, la surveillance et la gestion des processus de transport, ainsi que pour la surveillance de la sécurité des infrastructures.

De ce fait, les applications du système Beidou peuvent être davantage développées. Par exemple, dans un environnement spatial extérieur exposé (ci-après dénommé « espace exposé ») capable de recevoir directement les signaux des systèmes de navigation par satellite, les utilisateurs peuvent exploiter directement les informations spatio-temporelles fournies par le système Beidou ; toutefois,In non-exposed space environments where satellite navigation system signals cannot be receivedLes espaces non exposés (ci-après dénommés « espaces non exposés »), tels que les métros, les parkings souterrains, les complexes commerciaux et les zones sous les viaducs, sont affectés par l'obstruction des bâtiments et les effets de trajets multiples. La précision du positionnement par satellite s'en trouve fortement réduite et ne peut répondre aux besoins des services de localisation dans ces espaces.

carLes gens passent 80 % de leur temps dans des espaces non exposés, tels que les bâtiments et les véhicules mobiles.,therefore,Solving navigation and positioning problems in non-exposed space is an important direction for the application development of Beidou system.

Le pays met actuellement en place un système complet de positionnement, de navigation et de synchronisation (PNT) basé sur le système Beidou. Ce système peut exploiter diverses sources d'information PNT selon différents principes et, grâce à une plateforme cloud, une forte intégration de données multi-capteurs et multi-sources, générer des informations de service PNT présentant des repères spatio-temporels unifiés. Ce système offre une excellente résistance aux interférences et à l'usurpation d'identité, ainsi qu'une grande robustesse, une facilité d'utilisation, une continuité de service et une fiabilité optimale, assurant une couverture en intérieur, sous-marin, spatial et dans d'autres environnements.

②Integrated development of Beidou system and smart urban rail

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.

L'essence même du transport est d'assurer le déplacement, c'est-à-dire de permettre le déplacement des personnes et des marchandises grâce à des véhicules de transport, selon les besoins. En tant que système de transport public, l'objectif principal du développement du métro intelligent est de réaliser ce déplacement au moindre coût et avec une couverture maximale, tout en garantissant la sécurité. La méthode consiste à rendre intelligente l'ensemble du processus de service du métro grâce aux technologies de l'information, soit le concept de « déplacement + ». Il est donc nécessaire d'exploiter pleinement les technologies de pointe en matière de communication de l'information, d'intelligence artificielle, d'Internet des objets, de mégadonnées, de robotique et autres, en faisant de la perception autonome, de l'apprentissage autonome, de la prise de décision autonome et du contrôle autonome les processus de traitement essentiels. Ceci permet d'offrir aux passagers des services de déplacement efficaces, précis et personnalisés grâce à une gestion et un contrôle optimisés des équipements et des installations, et ainsi de construire une nouvelle génération de métro plus sûre, plus efficace, plus confortable et plus écologique.

Les informations de géolocalisation temporelle et spatiale constituent la base de la réalisation du fonctionnement autonome, de la gestion précise et des services personnalisés en permanence du système ferroviaire urbain intelligent.Par conséquent, la construction d'un réseau ferroviaire urbain intelligent doit s'intégrer au système Beidou qui fournit des informations spatio-temporelles.

L'avenir du transport ferroviaire urbain réside dans la promotion d'un transport intelligent, sûr, pratique, économique, efficace et écologique, sous l'angle du « déplacement + ». Parallèlement, le système Beidou vise à renforcer le secteur du transport ferroviaire grâce à l'approche « + Beidou » (c'est-à-dire en utilisant la technologie Beidou comme catalyseur, l'information spatio-temporelle comme méthode d'application, en l'associant aux technologies et activités existantes d'autres secteurs ou en remplaçant les solutions traditionnelles), afin de favoriser sa transformation et sa modernisation. Concept central du développement intégré du système Beidou et du transport ferroviaire urbain intelligent, « Déplacement + Beidou » enrichira les applications technologiques et les écosystèmes industriels de ces deux systèmes, favorisera leur développement global et contribuera ainsi à la mise en œuvre de la stratégie nationale.

Développement intégré du système Beidou et du métro intelligent

#02

Smart urban rail’s demand for Beidou system

① Référence spatio-temporelle

As a typical complex cyber-physical system, smart urban rail involves a wide variety of information systems such as automatic train control (ATC), automatic fare collection (AFC), power supply system management automation (SCADA), environmental monitoring (BAS), and fire alarm (FAS). In order to realize its autonomous operation, these complex information systems must be integrated to perceive, process, make decisions and control massive amounts of time and space information. Therefore, it is even more necessary to establish a unified spatio-temporal benchmark to avoid the risk of spatio-temporal information conflicts and endanger the safe operation of urban rail.By applying the Beidou system and its CGCS2000 coordinate system (the latest national geodetic coordinate system in my country) that provides positioning and navigation services, the urban rail system can obtain a unified, autonomous and controllable spatio-temporal reference.

De plus, l'environnement spatial dans lequel évolue le réseau ferroviaire urbain est très complexe, avec la coexistence d'espaces exposés et non exposés. Le recours exclusif aux systèmes de navigation par satellite ne répond plus aux besoins actuels. En intégrant la référence spatio-temporelle absolue du système Beidou dans l'espace non exposé du réseau ferroviaire urbain et en la maintenant dynamiquement, il est possible, d'une part, d'unifier la position relative de l'espace non exposé et la position absolue de l'espace exposé, et d'afficher et d'utiliser la position de l'espace non exposé dans le réseau ferroviaire urbain sous la forme d'un système de coordonnées absolues ; d'autre part, il est possible d'unifier le temps et d'obtenir une synchronisation temporelle dans l'espace non exposé.

②Space digitization

Compte tenu de la complexité de l'environnement spatial des réseaux ferroviaires urbains, la maîtrise d'informations géographiques riches et précises est essentielle à la construction et à l'exploitation de réseaux ferroviaires urbains intelligents. La numérisation spatiale, c'est-à-direCadre de données géospatiales numériques (DSDF), est le produit du développement et de l'intégration des technologies de levés et de cartographie, des technologies de l'information géographique et d'autres technologies de l'information modernes.

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.

Grâce à ces données, les équipes concernées peuvent générer des cartes de haute précision, recenser les ressources spatiales, appréhender la structure spatiale, les infrastructures et les équipements du réseau ferroviaire urbain, et fournir des informations géographiques précises et complètes pour la planification, la construction, la rénovation et la maintenance des systèmes de transport ferroviaire urbain intelligents. Elles apportent également un soutien technique et des informations de base essentielles à l'utilisation optimale de l'espace et à une gestion plus fine. Nouvelle application de la technologie Beidou dans le système spatio-temporel, la numérisation spatiale insuffle une nouvelle dynamique au développement des systèmes de transport ferroviaire urbain intelligents.

③ Positionnement et synchronisation de haute précision

L'information spatiale et temporelle de haute précision est essentielle à la construction de réseaux ferroviaires urbains intelligents. Les données de trafic constituent un exemple typique de données spatio-temporelles, caractérisées non seulement par une dimension temporelle, mais aussi par une forte dépendance à la structure spatiale.

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:

• Difficultés de réception des signaux satellites.Dans l'espace non exposé du réseau ferroviaire urbain, en raison du blindage des murs (en particulier du béton armé), les signaux de positionnement par satellite seront considérablement affaiblis après avoir traversé les bâtiments, et la précision du positionnement sera fortement réduite, voire le signal pourra même être irrécupérable.

• De multiples obstacles et sources d'interférences.Les réseaux ferroviaires urbains présentent divers obstacles, tels que des colonnes, des ascenseurs, des escaliers mécaniques, des équipements, des portes palières et des piétons. Leur configuration varie également. De plus, le mouvement constant des piétons et des véhicules entraîne de multiples réflexions du signal. Ces nombreuses incertitudes rendent l'environnement ferroviaire urbain extrêmement complexe. Cette situation est particulièrement marquée dans le métro, car cet espace relativement clos est sujet à des interférences environnementales complexes, telles que les signaux radio, le bruit, la lumière et les variations de température, qui peuvent nuire à la précision des capteurs de positionnement.
  

• Le positionnement en élévation est difficile.Dans un environnement de métro, il faut tenir compte non seulement de la position du plan bidimensionnel, mais aussi de la position et de la hauteur des étages aériens et souterrains pour les bâtiments à plusieurs étages.
  

• Il est difficile de développer des terminaux applicatifs.Le transport ferroviaire urbain exige miniaturisation, personnalisation et terminaux d'application combinés, et doit résoudre des problèmes tels que l'optimisation de la conception des composants, la sélection des matériaux, la fabrication de précision, l'intégration poussée des composants, l'étalonnage en temps réel des capteurs et la fusion adaptative des informations issues de ces capteurs. Les chercheurs devraient s'appuyer sur ces quatre aspects et mener des recherches ciblées pour résoudre ces problèmes, afin de fournir des informations spatio-temporelles de haute précision pour la construction et l'exploitation du transport ferroviaire urbain intelligent et d'assurer son bon déroulement.

#03

Perspectives d'application du système Beidou dans les réseaux ferroviaires urbains intelligents

①Construction of space-time system network

Les réseaux ferroviaires urbains intelligents doivent se doter d'un système spatio-temporel autonome et contrôlable.

Face aux problèmes tels que l'incapacité du système Beidou à assurer la navigation et le positionnement dans l'espace non couvert, le manque de moyens de communication à haut débit et l'absence d'informations géographiques complètes, la technologie « Beidou + 5G + numérisation spatiale » doit être déployée de manière globale afin de construire un système spatio-temporel « à trois réseaux et une plateforme ». Ce système sera composé d'un réseau de positionnement de haute précision, d'un réseau de synchronisation temporelle de haute précision, d'un réseau de communication à haut débit et d'une plateforme numérique spatiale. L'objectif est de constituer un réseau d'information spatio-temporelle de référence pour le transport ferroviaire urbain et de l'utiliser comme infrastructure pour la construction et l'exploitation de réseaux ferroviaires urbains intelligents. Ce réseau fournira des informations spatio-temporelles unifiées et continues, ainsi que des services de positionnement, de synchronisation et de communication pour le transport ferroviaire urbain. Il complétera, renforcera et soutiendra ainsi les applications du système Beidou dans l'espace non couvert, et permettra de décloisonner le transport ferroviaire urbain entre les espaces couverts et non couverts.

Construction of smart urban rail space-time system network

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

To build a smart urban rail space-time system network, it is necessary to focus on breakthroughs in key technologies such as indoor and outdoor integrated high-precision continuous positioning, large-scale high-precision time-frequency transmission based on universal network protocols, and high-throughput wireless communication applications based on 5G.

En matière de positionnement, il est nécessaire d'utiliser la technologie de positionnement à ultra-large bande (UWB) comme technologie de positionnement dominante sur un référentiel spatial unifié, complétée et améliorée par de multiples technologies de positionnement, et grâce à l'intégration de logiciels et d'algorithmes de navigation et de positionnement pour parvenir à un positionnement continu dans des espaces exposés et non exposés ; grâce au système PNT complet investi et construit par l'État et au système micro-PNT développé par des terminaux de service miniaturisés, personnalisés et combinés, des services de localisation de haute précision peuvent être fournis.

In terms of time, it is necessary to achieve dynamic time synchronization of the entire network nodes in the intercity range based on the precision clock synchronization protocol of the IEEE 1588V2 network measurement and control system (also known as the Precision Time Synchronization Protocol (PTP)), combined with Synchronous Ethernet (SyncE) technology and the White Rabbit (WR) time synchronization method, on a unified time basis to provide high-precision timing services.

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 servicesL'application constitue le point de départ et l'objectif du développement intégré du système Beidou et du transport ferroviaire urbain intelligent. Le système Beidou offrira au transport ferroviaire urbain de nouvelles capacités et de nouveaux moyens en matière d'exploitation, de maintenance et de service client intelligents, apportera un soutien efficace à son activité et contribuera à la mise en place d'un système de transport ferroviaire urbain intelligent, caractérisé par une gestion sophistiquée, une exploitation efficiente et une rentabilité maximale.

• In terms of intelligent operation, through the Beidou system, real-time high-precision location information of station, management and construction personnel can be obtained. On this basis, urban rail workers can be accurately managed through the construction of electronic fences, electronic roll-call and sign-in, performance appraisal analysis, etc. Train positioning is the guarantee for the safe and efficient operation of urban rail trains. The use of the Beidou system can make train positioning more accurate, more redundant, more autonomous, deeper integrated, and more efficient in linkage.

• In terms of intelligent maintenance, urban rail facilities and equipment are complex, highly automated, and have large asset scales. Their maintenance and management are directly related to the safety and reliability of urban rail operations. Obtaining the accurate location of facilities and equipment through the Beidou system can realize automatic inventory of assets and equipment based on precise location in the asset management system, creating a closed-loop chain of condition monitoring, fault diagnosis, risk warning, maintenance evaluation and asset management.

• En matière de service client intelligent, grâce au système Beidou, les passagers peuvent rapidement rechercher et planifier des itinéraires vers les distributeurs automatiques de billets, les distributeurs automatiques de billets, les toilettes et autres installations de service à l'intérieur et à l'extérieur des gares ferroviaires urbaines ; ils peuvent également mettre en œuvre des fonctions telles que la navigation en libre-service, les terminaux mobiles intelligents et les services de guidage robotisé basés sur des cartes numériques multidimensionnelles et multicouches, permettant ainsi de fournir aux passagers des services de voyage personnalisés et disponibles en permanence, adaptés à leurs besoins.

#04

Conclusion

Time and space information have become basic information in modern production and life. The development of satellite navigation and positioning systems has completely changed people's lifestyles and also changed the management models of society and enterprises. With the completion and application promotion of the Beidou system, the construction and development of my country's smart urban rail have put forward higher requirements for spatiotemporal benchmarks, spatial digitization, high-precision positioning and timing.

In the future, Beidou system and smart urban rail have broad space and potential for integration. The core is to define its PNT system based on urban rail application scenarios, break through key technologies, and build a "three networks and one platform" space-time system network. The application and promotion of the Beidou system will create optimal basic conditions for the intelligent transformation of urban rail.

Références:

Lin Luzhou, Li Yujie, Deng Pingke, et al. Application and prospects of Beidou system in smart urban rail [J]. Modern Urban Rail Transit, 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!