מיקוד | יישום וסיכויים של מערכת ביידו ברכבת עירונית חכמה

על פי הסטטיסטיקה, יותר מ-80% מהאנשיםהזמן מבוזבז בחללים שאינם חשופים כגון מבנים, כלי רכב ניידים ותת-קרקעיים.תחבורה עירונית ברכבת (להלן "רכבת עירונית"), כתרחיש טיפוסי של מרחב לא חשוף, היא עורק העיר ואזור ציבורי מרכזי, וגם אזור בנייה מרכזי של "תשתיות חדשות".במשך זמן רב, מיקום, ניווט, תזמון ותקשורת במרחבים לא חשופים היוו בעיות טכניות עולמיות וצווארי בקבוק המגבילים את פיתוח רכבות עירוניות חכמות.

מערכת הניווט הלווייני ביידו (להלן "מערכת ביידו"), כמערכת עולמית המספקת מידע על זמן ומרחב, היא תשתית חלל חשובה שנבנתה ומופעלת באופן עצמאי על ידי ארצי. בניית המערכת הושלמה והיא מיושמת ומקודמת בתעשיות שונות. על ידי יישום מערכת ביידו ובניית רשת מיקום מדויקת, רשת סנכרון זמן מדויקת, רשת תקשורת תפוקה גבוהה ופלטפורמה דיגיטלית חללית המבוססת עליה, היא יכולה למלא תפקיד תומך מהותי בבניית רכבת עירונית חכמה.

מאחר שיישום מערכת ביידו הוא בסיסי, חדשני, חודר ומניע, הוא יכול להשפיע באופן משמעותי על צורת הפיתוח, תפיסת הפיתוח, מודל הפיתוח ומודל התפעול של רכבת עירונית, ובכך לקדםמודל תפעול וניהול חדש של "ביידו + רכבת עירונית"הקמת העיר תענה על הצרכים השונים של גופים מגוונים כגון נוסעים, חברות וממשלות, ותבנה מערכת רכבות עירונית חכמה, בטוחה יותר, אמינה יותר, נוחה ונוחה יותר, חסכונית, ירוקה וחוסכת אנרגיה.

#01

מערכת ביידו ורכבת עירונית חכמה

①יישום ופיתוח של מערכת Beidou

כיום, מערכת ביידו נמצאת בשימוש נרחב בתחומי התחבורה, דיג ימי, מטאורולוגיה והידרולוגיה, שיגור חשמל, סיוע והפחתת נזקים באסונות וכו', והניבה יתרונות חברתיים וכלכליים משמעותיים; במיוחד בתחבורה, היא נמצאת בשימוש נרחב במיקום כלי רכב, ניטור וניהול תהליכי תחבורה וניטור בטיחות תשתיות.

על בסיס זה, יש מקום להרחבה נוספת של יישומי מערכת Beidou. לדוגמה, מנקודת מבט של סביבת מרחב היישום, בסביבת מרחב חשוף חיצונית (להלן "מרחב חשוף") שיכולה לקלוט ישירות אותות של מערכת ניווט לוויינית, משתמשים יכולים להשתמש ישירות במידע המרחבי-זמני שמספקת מערכת Beidou; עם זאת,בסביבות חלל שאינן חשופות בהן לא ניתן לקלוט אותות של מערכת ניווט לוויינית(להלן "מרחב לא חשוף"), כגון רכבות תחתיות, חניונים תת-קרקעיים, קומפלקסים מסחריים וגיאודוקטים, מושפעים מחסימות מבנים ואפקטים מרובי נתיבים. דיוק מיקום הלוויינים מצטמצם באופן דרמטי, ואינו יכול לענות על הצרכים של שירותי איתור חללים לא חשופים.

כיאנשים מבלים 80% מזמנם במרחבים שאינם חשופים כמו בניינים וכלי רכב ניידים,לָכֵן,פתרון בעיות ניווט ומיקום במרחב שאינו חשוף הוא כיוון חשוב לפיתוח יישומים של מערכת Beidou..

נכון לעכשיו, המדינה בונה מערכת מקיפה למיקום, ניווט ותזמון (Positioning, Navigation and Timing, PNT) המבוססת על מערכת Beidou. מערכת זו יכולה להשתמש במגוון מקורות מידע של PNT על בסיס עקרונות שונים, ובאמצעות בקרת פלטפורמת ענן, שילוב גבוה של חיישנים מרובים ואיחוד נתונים ממקורות מרובים, לייצר מידע שירות PNT בעל מדדים מרחביים-זמניים מאוחדים ובעל יתרונות של מניעת הפרעות, מניעת זיופים, חוסן, שימושיות, המשכיות ואמינות, תוך השגת כיסוי בתחומים פנימיים, תת-ימיים, חלל עמוק ותחומים אחרים.

②פיתוח משולב של מערכת ביידו ורכבת עירונית חכמה

בשנים האחרונות, עם ההאצה בבנייה והגידול המתמשך בקילומטראז' התפעולי, רכבת עירונית התמודדה עם שורה של אתגרים כגון תפעול ברשת, הפחתת עלויות ושיפור יעילות, שירות מהיר, הגנה על הסביבה דלת פחמן ופיתוח בר-קיימא. דבר זה הוביל להופעתו של מושג הרכבת העירונית החכמה.

מהות התחבורה היא לספק תזוזה, כלומר, לממש את תנועת המיקום של אנשים וחומרים באמצעות כלי רכב לפי הצורך. כמערכת תחבורה ציבורית, המטרה המרכזית של פיתוח רכבת עירונית חכמה היא להשיג תנועת מיקום בעלות הנמוכה ביותר וכיסוי מקסימלי תוך הבטחת בטיחות. השיטה היא לממש את האינטליגנציה של כל החוליות בתהליך שירות הרכבות העירוני בתמיכת טכנולוגיית מידע, כלומר, "תזוזה +". לכן, יש צורך לעשות שימוש מלא בתקשורת מידע מתקדמת, בינה מלאכותית חכמה, אינטרנט של הדברים, ביג דאטה, רובוטיקה וטכנולוגיות אחרות, המשתמשות בתפיסה אוטונומית, למידה אוטונומית, קבלת החלטות אוטונומית ובקרה אוטונומית כתהליכי עיבוד מרכזיים, ולספק לנוסעים שירותי תזוזה יעילים, מדויקים ואישיים על בסיס ניהול ובקרה אופטימליים של ציוד ומתקנים, ובכך לבנות דור חדש של מערכת רכבות עירונית שהיא בטוחה יותר, יעילה יותר, נוחה יותר וירוקה יותר.

מידע על מיקום בזמן ובמרחב הוא הבסיס למימוש פעולה אוטונומית, ניהול מדויק ושירותים מותאמים אישית במשרה מלאה של מערכת הרכבות העירונית החכמה.לכן, בניית רכבת עירונית חכמה צריכה להשיג פיתוח משולב עם מערכת ביידו המספקת מידע מרחבי-זמני.

מגמת הפיתוח העתידית של רכבות עירוניות היא לקדם תחבורה חכמה בטוחה, נוחה, חסכונית, יעילה וירוקה בצורה של "דיספייסלמנט+"; בעוד שמגמת הפיתוח של מערכת ביידו היא להעצים את תעשיית התחבורה הרכבתית בצורה של "+בידו" (כלומר, שימוש בטכנולוגיית ביידו כאמצעי מאפשר, שימוש במידע מרחבי-זמני כשיטת יישום, שילוב עם טכנולוגיות מקוריות ועסקים מקוריים של תעשיות אחרות או החלפת פתרונות יישום מסורתיים) כדי לקדם את השינוי והשדרוג שלה. "דיספייסלמנט + ביידו", כקונספט הליבה של הפיתוח המשולב של מערכת ביידו ורכבת עירונית חכמה, יעשיר עוד יותר את היישומים הטכנולוגיים ואת המערכות האקולוגיות התעשייתיות של הרכבות העירוניות ומערכות ביידו, יקדם את הפיתוח המקיף של שתיהן, ובכך יקדם את יישום האסטרטגיה הלאומית.

פיתוח משולב של מערכת Beidou ורכבת תחתית חכמה

#02

ביקוש של רכבת עירונית חכמה למערכת ביידו

①מדד מרחב-זמן

כמערכת סייבר-פיזית מורכבת טיפוסית, רכבת עירונית חכמה כוללת מגוון רחב של מערכות מידע כגון בקרת רכבות אוטומטית (ATC), גביית תעריפים אוטומטית (AFC), אוטומציה של ניהול מערכת אספקת חשמל (SCADA), ניטור סביבתי (BAS) וגלאי אש (FAS). על מנת לממש את פעולתה האוטונומית, יש לשלב מערכות מידע מורכבות אלו כדי לקלוט, לעבד, לקבל החלטות ולשלוט בכמויות עצומות של מידע בזמן ובמרחב. לכן, הכרחי עוד יותר לקבוע אמת מידה מאוחדת במרחב ובזמן כדי למנוע את הסיכון לסכסוכים במידע במרחב ובזמן ולסכן את הפעולה הבטוחה של רכבת עירונית.על ידי יישום מערכת ביידו ומערכת הקואורדינטות CGCS2000 שלה (מערכת הקואורדינטות הגיאודטית הלאומית העדכנית ביותר במדינתי) המספקת שירותי מיקום וניווט, מערכת הרכבות העירונית יכולה להשיג ייחוס מרחבי-זמני מאוחד, אוטונומי וניתן לשליטה.

בנוסף, סביבת המרחב בה ממוקמת רכבת עירונית מורכבת מאוד, כאשר קיימים בו מרחב חשוף ומרחב לא חשוף. הסתמכות פשוטה על מערכות ניווט לווייניות אינה יכולה לענות על צרכי היישום הנוכחיים. על ידי הכנסת הייחוס המרחבי-זמני המוחלט של מערכת ביידו למרחב הלא חשוף של רכבת עירונית ותחזוקה דינמית, מצד אחד, ניתן לאחד את המיקום היחסי של המרחב הלא חשוף ואת המיקום המוחלט של המרחב החשוף, ולהציג וליישם את מיקום המרחב הלא חשוף במסילה העירונית בצורה של מערכת קואורדינטות מוחלטת; מצד שני, ניתן לאחד זמן ולהשיג סנכרון זמן במרחב הלא חשוף.

②דיגיטציה של החלל

בשל הסביבה המרחבית המורכבת של רכבת עירונית, שליטה במידע גיאוגרפי עשיר ומדויק היא הבסיס לבנייה ותפעול של רכבת עירונית חכמה. דיגיטציה מרחבית, כלומר构建数字化的地理信息空间数据框架（Digital Geospatial Data Framework，DSDF）, הוא תוצר של פיתוח ושילוב של טכנולוגיית מדידה ומיפוי, טכנולוגיית מידע גיאוגרפי וטכנולוגיות מידע מודרניות אחרות.

עם התקדמות האמצעים הטכניים, טכנולוגיית המדידות והמיפוי מתפתחת לכיוון דיגיטציה תלת-ממדית, רשתות, איסוף מידע בזמן אמת והדמיה, עיבוד נתונים ויישום תוצאות. קיים צורך ביישום דיגיטלי מרחבי עם מידול תלת-ממדי אמיתי כליבה. בבניית רכבת עירונית חכמה, יש צורך להשתמש בנקודת ייחוס מרחבית-זמנית של מערכת Beidou כדי להשתמש בכלי מדידה ומיפוי המותקנים בתחנות, מטאטאים, תיקי גב, כלי יד וכלים אחרים וציוד איסוף נתוני מידע גיאוגרפי כדי לנהל חדרי מחשבים, אולמות תחנות, מקטעים, תחנה ומחסנים בחללים התת-קרקעיים והעיליים של הרכבת העירונית. במקומות אחרים, אנו אוספים נתוני ענן נקודות לייזר תלת-ממדיים סביב מבנים מרחביים, ציוד ומתקנים, חומרים מתכלים ואלמנטים אחרים, ומשלימים אותם עם מידע נתונים כגון צילום וטקסטורות באתר כדי ליצור סט של מודלים תלת-ממדיים אמיתיים עם כל האלמנטים למימוש הדיגיטציה המרחבית של הרכבת העירונית.

באמצעות הנתונים הנ"ל, צוות רלוונטי יכול ליצור מפות מדויקות, למיין משאבים מרחביים, להבין את המבנה המרחבי, המתקנים והציוד של רכבת עירונית, לספק מידע גיאוגרפי מדויק ומקיף לתכנון, בנייה, שיפוץ ותחזוקה של רכבת עירונית חכמה, ולספק מידע בסיסי חשוב ותמיכה טכנית לניצול שטח וניהול משופר. כיישום תרחיש חדש של טכנולוגיית Beidou במערכת המרחב-זמן, הדיגיטציה המרחבית הזריקה חיוניות חדשה לפיתוח רכבת עירונית חכמה.

③מיקום ותזמון מדויקים

מידע מרחבי וזמן מדויק הוא הבסיס לבניית רכבת עירונית חכמה. נתוני תנועה הם נתונים מרחביים-זמניים אופייניים, אשר לא רק בעלי תכונות של ממד זמן, אלא גם תלויים מאוד במבנה המרחבי.

עם השילוב והפיתוח של מערכות מידע שונות לתחבורה רכבתית, הדרישות לדיוק מיקום וסנכרון זמן ממשיכות לעלות. נכון לעכשיו, מערכת Beidou אינה יכולה לעמוד ישירות בדרישות של רכבות עירוניות חכמות למיקום ותזמון מדויקים. הסיבות לכך הן כדלקמן:

• קושי בקליטת אותות לוויין.במרחב הלא חשוף של רכבות עירוניות, עקב מיגון קירות (במיוחד בטון מזוין), אותות מיקום לווייניים ייחלשו משמעותית לאחר המעבר דרך מבנים, ודיוק המיקום יופחת במידה ניכרת, וייתכן שאף לא ניתן יהיה לקלוט את האות.

• מכשולים מרובים ומקורות הפרעה.ישנם סוגים שונים של מכשולים ברכבת העירונית, כגון עמודים, מעליות, דרגנועים, ציוד, דלתות רשת והולכי רגל. הפריסה שונה. בנוסף, הולכי רגל וכלי רכב נעים כל הזמן, והאות ישתקף מספר פעמים. אי ודאויות רבות אלו הופכות את סביבת הרכבת העירונית למורכבת ביותר. מצב זה בולט במיוחד ברכבת התחתית, מכיוון שסביבת הרכבת התחתית סגורה יחסית, והפרעות סביבתיות מורכבות כגון אותות רדיו, קול, אור וטמפרטורה ישפיעו לרעה על דיוק חיישני הציוד המיקומים.
  

• מיקום גובה קשה.בסביבת רכבת תחתית, יש לקחת בחשבון לא רק את מיקום המישור הדו-ממדי, אלא גם את מיקום וגובה הקומות מעל הקרקע והתת-קרקעיות בבניינים מרובי קומות.
  

• קשה לפתח מסופי אפליקציות.רכבת עירונית דורשת מזעור, התאמה אישית וטרמינלים משולבים של יישומים, ופותרת בעיות כגון תכנון אופטימיזציה של רכיבים, בחירת חומרים, ייצור מדויק, אינטגרציה עמוקה של רכיבים, כיול חיישנים בזמן אמת ומיזוג אדפטיבי של מידע פלט חיישנים. חוקרים צריכים להתחיל מארבעת ההיבטים הנ"ל ולבצע מחקר ממוקד כדי לפתור את הבעיות הנ"ל, על מנת לספק מידע מדויק במרחב ובזמן לבנייה ותפעול של רכבת עירונית חכמה ולהבטיח את התקדמותה החלקה.

#03

סיכויים ליישום מערכת ביידו ברכבת עירונית חכמה

①בניית רשת מערכת מרחב-זמן

רכבת עירונית חכמה חייבת לבנות רשת מערכת מרחב-זמן אוטונומית וניתנת לשליטה.

לאור בעיות כגון חוסר היכולת של מערכת Beidou לניווט ולמקם במרחב שאינו חשוף, היעדר אמצעי תקשורת בעלי תפוקה גבוהה, והיעדר מידע גיאוגרפי מקיף, יש ליישם באופן מקיף את טכנולוגיית "Beidou + 5G + דיגיטציה של חלל" כדי לבנות רשת מערכת מרחבית-זמנית של "שלוש רשתות ופלטפורמה אחת" המורכבת מרשת מיקום מדויקת, רשת סנכרון זמן מדויקת, רשת תקשורת תפוקה גבוהה ופלטפורמה דיגיטלית של חלל. יש ליצור רשת מידע ייחוס מרחבית-זמנית של רכבות עירוניות ולהשתמש בה כתשתית לבנייה ותפעול חכמות של רכבות עירוניות כדי לספק מידע מרחבי ורציף מאוחד ורציף, כמו גם שירותי מיקום, תזמון ותקשורת עבור רכבות עירוניות, ובכך להשלים, לשפר ולגבות את יישומי מערכת Beidou במרחבים שאינם חשופים, ובכך לשבור את המחסומים בין מרחבים חשופים של רכבות עירוניות למרחבים שאינם חשופים.

בניית רשת מערכת זמן-מרחב של רכבות עירוניות חכמות

② אבני דרך טכנולוגיות מרכזיות במרחב-זמן שיש לפרוץ

כדי לבנות רשת מערכת זמן-מרחב חכמה של רכבות עירוניות, יש להתמקד בפריצות דרך בטכנולוגיות מפתח כגון מיקום רציף משולב בדיוק גבוה בתוך מבנה ובחוץ, שידור תדר-זמן בקנה מידה גדול בדיוק גבוה המבוסס על פרוטוקולי רשת אוניברסליים, ויישומי תקשורת אלחוטית בעלי תפוקה גבוהה המבוססים על 5G.

מבחינת מיקום, יש צורך להשתמש בטכנולוגיית מיקום אולטרה-רחב-פס (UWB) כטכנולוגיית המיקום הדומיננטית על פני מדד מרחבי מאוחד, בתוספת ובשיפור של טכנולוגיות מיקום מרובות, ובאמצעות שילוב של תוכנות ואלגוריתמים לניווט ומיקום כדי להשיג מיקום רציף במרחבים חשופים ולא חשופים; באמצעות מערכת PNT מקיפה שהושקעה ונבנתה על ידי המדינה ומערכת המיקרו-PNT שפותחה על ידי מסופי שירות ממוזערים, מותאמים אישית ומשולבים, ניתן לספק שירותי מיקום מדויקים ביותר.

מבחינת זמן, יש צורך להשיג סנכרון זמן דינמי של כל צמתי הרשת בטווח הבין-עירוני בהתבסס על פרוטוקול סנכרון השעון המדויק של מערכת המדידה והבקרה של הרשת IEEE 1588V2 (הידועה גם בשם Precision Time Synchronization PTP), בשילוב עם טכנולוגיית Ethernet סינכרוני (SyncE) ושיטת סנכרון הזמן White Rabbit (WR), על בסיס זמן מאוחד כדי לספק שירותי תזמון מדויקים ביותר.

מבחינת תקשורת, יש צורך לפתח מערכות חלוקה פנימיות לרכבות עירוניות ואלגוריתמים לחיתוך זמן עבור שירותי רכבת תחתית כדי לממש את היישום של תקשורת בעלת תפוקה גבוהה. בנוסף, ככל שבניית המערכת מתקדמת, יש צורך גם לפרוץ סדרה של טכנולוגיות מפתח בהן משתמשת מערכת ביידו ברכבות עירוניות חכמות.

③ שירותי יישומיםיישום הוא נקודת המוצא והמטרה של הפיתוח המשולב של מערכת ביידו ורכבת עירונית חכמה. מערכת ביידו תעניק לרכבת העירונית יכולות ואמצעים חדשים מבחינת תפעול חכם, תחזוקה חכמה ושירות לקוחות חכם, תספק תמיכה יעילה לעסקי רכבת עירונית ותסייע בבניית מערכת רכבת עירונית חכמה עם ניהול מתוחכם, תפעול יעיל ותועלות מקסימליות.

• מבחינת תפעול חכם, באמצעות מערכת Beidou, ניתן לקבל מידע מיקום בזמן אמת ובדיוק גבוה של אנשי תחנה, הנהלה ובנייה. על בסיס זה, ניתן לנהל במדויק את עובדי הרכבת העירונית באמצעות בניית גדרות אלקטרוניות, רישום וכניסה אלקטרוניים, ניתוח הערכת ביצועים וכו'. מיקום רכבות הוא הערובה להפעלה בטוחה ויעילה של רכבות רכבת עירוניות. השימוש במערכת Beidou יכול להפוך את מיקום הרכבות למדויק יותר, יתיר יותר, אוטונומי יותר, משולב יותר ויעיל יותר בקישור.

• מבחינת תחזוקה חכמה, מתקני וציוד רכבת עירוניים מורכבים, אוטומטיים מאוד, ובעלי היקף נכסים גדול. התחזוקה והניהול שלהם קשורים ישירות לבטיחות ולאמינות של פעילות הרכבת העירונית. קבלת מיקום מדויק של מתקנים וציוד באמצעות מערכת Beidou יכולה לממש מלאי אוטומטי של נכסים וציוד המבוסס על מיקום מדויק במערכת ניהול הנכסים, וליצור שרשרת סגורה של ניטור מצב, אבחון תקלות, התרעת סיכונים, הערכת תחזוקה וניהול נכסים.

• מבחינת שירות לקוחות חכם, באמצעות מערכת Beidou, נוסעים יכולים לחפש ולתכנן במהירות מסלולים למכונות כרטיסים בשירות עצמי, מכונות אוטומטיות בשירות עצמי, שירותים ומתקני שירות אחרים בתוך ומחוץ לתחנות רכבת עירוניות; הם יכולים גם ליישם פונקציות כגון ניווט בשירות עצמי, מסופים ניידים חכמים ושירותי הדרכה רובוטיים המבוססים על מפות דיגיטליות רב-ממדיות ורב-שכבתיות, ובכך לספק לנוסעים שירותי נסיעה מותאמים אישית במשרה מלאה המבוססים על צרכי הנסיעה של הנוסעים.

#04

סיכום

מידע בזמן ובמרחב הפך למידע בסיסי בייצור ובחיים המודרניים. פיתוח מערכות ניווט ומיקום לווייני שינה לחלוטין את אורח חייהם של אנשים וגם את מודלי הניהול של החברה והעסקים. עם השלמתה וקידום היישום של מערכת ביידו, הבנייה והפיתוח של רכבת עירונית חכמה של ארצי העלו דרישות גבוהות יותר עבור מדדי מרחב וזמניים, דיגיטציה מרחבית, מיקום ותזמון מדויקים.

בעתיד, למערכת ביידו ולרכבת עירונית חכמה יש מרחב ופוטנציאל רחבים לשילוב. הליבה היא להגדיר את מערכת ה-PNT שלה על סמך תרחישי יישום של רכבת עירונית, לפרוץ טכנולוגיות מפתח ולבנות רשת מערכת מרחב-זמן של "שלוש רשתות ופלטפורמה אחת". יישום וקידום מערכת ביידו ייצרו תנאים בסיסיים אופטימליים לשינוי חכם של רכבת עירונית.

הפניות:

לין לוז'ואו, לי יוג'יה, דנג פינגקה ואחרים. יישום וסיכויים של מערכת ביידו ברכבת עירונית חכמה [J]. תחבורה עירונית מודרנית ברכבת, 2021 (4):6-10.


תוכן זה מגיע מהאינטרנט/Beidou Today. אתר זה מספק רק הדפסה חוזרת. הדעות, העמדות, הטכנולוגיה וכו' במאמר זה אינם קשורים לאתר זה. אם ישנה הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה!