집중 분석 | 스마트 도시 철도에서 베이더우 시스템의 적용 및 전망

통계에 따르면 80% 이상의 사람들이건물, 이동 차량, 지하 공간과 같이 외부에 노출되지 않는 공간에서 시간을 보낸다.도시철도(이하 "도시철도")는 노출되지 않은 공간의 전형적인 시나리오로서 도시의 동맥이자 핵심 공공 공간이며, "신형 인프라"의 핵심 건설 분야이기도 합니다.오랫동안 외부와 차단된 공간에서의 위치 파악, 항법, 시간 측정 및 통신은 스마트 도시 철도 개발을 저해하는 전 세계적인 기술적 문제이자 병목 현상이었습니다.

북방위성항법시스템(이하 "북방시스템")은 시간과 공간 정보를 제공하는 글로벌 시스템으로서, 우리나라가 독자적으로 구축하고 운영하는 중요한 우주 기반 시설입니다. 시스템 구축은 이미 완료되어 다양한 산업 분야에서 활용 및 보급되고 있습니다. 북방시스템을 기반으로 고정밀 위치확인 네트워크, 고정밀 시간동기화 네트워크, 고처리량 통신 네트워크 및 우주 디지털 플랫폼을 구축함으로써 스마트 도시철도 건설에 필수적인 지원 역할을 수행할 수 있습니다.

베이더우 시스템의 적용은 근본적이고 혁신적이며 침투적이고 주도적인 성격을 지니고 있으므로 도시철도의 발전 형태, 발전 개념, 발전 모델 및 운영 모델에 상당한 영향을 미쳐 발전을 촉진할 수 있습니다."베이더우 + 도시철도" 새로운 운영 및 관리 모델이 도시는 승객, 기업, 정부 등 다양한 주체의 요구를 충족시키고, 더욱 안전하고 신뢰할 수 있으며 편리하고 쾌적하며 비용 효율적이고 친환경적이며 에너지 절약적인 스마트 도시 철도 시스템을 구축할 것입니다.

#01

베이더우 시스템 및 스마트 도시철도

①베이더우 시스템의 응용 및 개발

현재 베이더우 시스템은 교통, 해양 어업, 기상 및 수문학, 전력 배분, 재난 구호 및 완화 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있으며, 사회경제적으로 상당한 이익을 창출하고 있습니다. 특히 교통 분야에서는 차량 위치 파악, 교통 과정 모니터링 및 관리, 기반 시설 안전 모니터링 등에 폭넓게 사용되고 있습니다.

이를 바탕으로 베이더우 시스템 응용 분야를 더욱 확장할 여지가 있습니다. 예를 들어, 응용 공간 환경의 관점에서 볼 때, 위성 항법 시스템 신호를 직접 수신할 수 있는 실외 노출 공간 환경(이하 "노출 공간")에서는 사용자가 베이더우 시스템에서 제공하는 시공간 정보를 직접 활용할 수 있습니다. 그러나,위성 항법 시스템 신호를 수신할 수 없는 비노출 우주 환경에서지하철, 지하 주차장, 상업 단지, 고가도로 아래와 같은 (이하 "비노출 공간"이라 함) 공간은 건물 장애물 및 다중경로 효과의 영향을 받습니다. 이러한 환경에서는 위성 위치 측정 정확도가 급격히 저하되어 비노출 공간의 위치 서비스 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

때문에사람들은 시간의 80%를 건물이나 차량과 같은 외부에 노출되지 않은 공간에서 보낸다.,그러므로,미개척 공간에서의 항법 및 위치 파악 문제를 해결하는 것은 베이더우 시스템의 응용 개발에 있어 중요한 방향입니다..

현재 국가는 베이더우(Beidou) 시스템을 기반으로 하는 종합적인 위치, 항법 및 시간(PNT) 시스템을 구축하고 있습니다. 이 시스템은 다양한 원리에 기반한 여러 PNT 정보 소스를 활용하고, 클라우드 플랫폼 제어를 통해 다중 센서와 다중 소스 데이터의 고도 통합 및 융합을 통해 시공간적 기준이 통일된 PNT 서비스 정보를 생성합니다. 이러한 정보는 간섭 방지, 스푸핑 방지, 견고성, 사용 편의성, 연속성 및 신뢰성 측면에서 우수하며, 실내, 수중, 심우주 등 다양한 환경에서 활용 가능합니다.

②베이더우 시스템과 스마트 도시철도의 통합 개발

최근 몇 년 동안 건설 가속화와 운행 거리의 지속적인 증가로 인해 도시철도는 네트워크 운영, 비용 절감 및 효율성 향상, 고속 운행, 저탄소 환경 보호, 지속 가능한 개발 등 일련의 과제에 직면해 왔습니다. 이러한 배경에서 스마트 도시철도라는 개념이 등장하게 되었습니다.

교통의 본질은 이동, 즉 필요에 따라 사람과 물자를 운송 수단을 통해 원하는 위치로 이동시키는 것입니다. 대중교통 시스템으로서 스마트 도시철도 개발의 핵심 목표는 안전을 확보하면서 최소 비용으로 최대의 서비스 범위를 제공하는 이동 서비스를 구현하는 것입니다. 이를 위한 방법은 정보 기술의 지원을 받아 도시철도 서비스 과정의 모든 단계에 지능을 구현하는 것, 즉 "이동+"를 실현하는 것입니다. 따라서 첨단 정보 통신, 인공지능, 사물 인터넷, 빅데이터, 로봇공학 등의 기술을 최대한 활용하여 자율적인 인지, 자율적인 학습, 자율적인 의사 결정, 자율적인 제어를 핵심 처리 과정으로 삼고, 최적화된 장비 및 시설 관리 제어를 기반으로 승객에게 효율적이고 정확하며 개인화된 이동 서비스를 제공함으로써 더욱 안전하고 효율적이며 편안하고 친환경적인 차세대 도시철도 시스템을 구축해야 합니다.

시간과 공간 위치 정보는 스마트 도시 철도 시스템의 자율 운행, 정밀 관리 및 상시 맞춤형 서비스를 구현하는 기반이 됩니다.따라서 스마트 도시철도 건설은 시공간 정보를 제공하는 베이더우 시스템과의 통합적인 개발을 달성해야 합니다.

미래 도시철도 발전 추세는 "대기+" 형태로 안전하고 편리하며 경제적이고 효율적이며 친환경적인 스마트 교통을 촉진하는 것입니다. 한편, 베이더우 시스템의 발전 추세는 "+베이더우" 형태로 철도 운송 산업을 강화하는 것입니다. 즉, 베이더우 기술을 지원 수단으로 활용하고, 시공간 정보를 응용 방법으로 사용하며, 다른 산업의 고유 기술 및 사업과 결합하거나 기존 응용 솔루션을 대체하는 방식으로 철도 운송 산업의 혁신과 고도화를 촉진하는 것입니다. 베이더우 시스템과 스마트 도시철도의 통합 발전의 핵심 개념인 "대기+베이더우"는 도시철도와 베이더우 시스템의 기술 응용 및 산업 생태계를 더욱 풍부하게 하고, 양 분야의 종합적인 발전을 촉진하여 국가 전략 구현을 가속화할 것입니다.

베이더우 시스템과 스마트 지하철의 통합 개발

#02

스마트 도시철도에 필요한 베이더우 시스템

①시공간 벤치마크

스마트 도시철도는 전형적인 복합 사이버 물리 시스템으로서 자동 열차 제어(ATC), 자동 요금 징수(AFC), 전력 공급 시스템 관리 자동화(SCADA), 환경 모니터링 시스템(BAS), 화재 경보 시스템(FAS) 등 다양한 정보 시스템을 포함합니다. 자율 운행을 실현하기 위해서는 이러한 복잡한 정보 시스템들을 통합하여 방대한 양의 시공간 정보를 인지, 처리, 의사 결정 및 제어해야 합니다. 따라서 시공간 정보 충돌로 인한 도시철도의 안전 운행 위험을 방지하기 위해 통일된 시공간 기준을 마련하는 것이 더욱 중요합니다.위치 및 항법 서비스를 제공하는 베이더우 시스템과 CGCS2000 좌표계(제국 최신 국가 측지 좌표계)를 적용함으로써 도시 철도 시스템은 통합되고 자율적이며 제어 가능한 시공간 기준을 얻을 수 있습니다.

또한, 도시철도가 위치한 공간 환경은 노출된 공간과 노출되지 않은 공간이 공존하는 매우 복잡한 구조입니다. 단순히 위성 항법 시스템에만 의존해서는 현재의 응용 분야 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 베이더우 시스템의 절대 시공간 기준점을 도시철도의 노출되지 않은 공간에 도입하고 이를 동적으로 유지함으로써, 한편으로는 노출되지 않은 공간의 상대적 위치와 노출된 공간의 절대적 위치를 통합하여 도시철도 내 노출되지 않은 공간의 위치를 ​​절대 좌표계 형태로 표시하고 활용할 수 있습니다. 다른 한편으로는 시간을 통합하고 노출되지 않은 공간에서 시간 동기화를 달성할 수 있습니다.

② 공간 디지털화

도시철도의 복잡한 공간 환경으로 인해 풍부하고 정확한 지리 정보를 확보하는 것은 스마트 도시철도의 건설 및 운영의 기반이 됩니다. 공간 디지털화, 즉构建数字化的地理信息空间数据框架(디지털 지리공간 데이터 프레임워크, DSDF)측량 및 지도 제작 기술, 지리 정보 기술 및 기타 현대 정보 기술의 개발과 통합의 산물입니다.

기술적 수단의 발전과 함께 측량 및 지도 제작 기술은 3차원 디지털화, 네트워크화, 실시간 정보 수집 및 데이터 처리, 결과 활용 시각화 방향으로 발전하고 있습니다. 3차원 실세계 모델링을 핵심으로 하는 공간 디지털 응용 프로그램에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 스마트 도시철도 건설에서는 베이더우(Beidou) 시스템의 시공간적 기준을 활용하여 역에 설치된 이동식 측량기, 배낭형 측량기, 휴대용 측량기 등 다양한 측량 및 지도 제작 도구와 지리정보 데이터 수집 장비를 사용하여 도시철도의 지하 및 지상 공간 내 전산실, 역대합실, 구간, 차량기지, 창고 등을 측량해야 합니다. 또한, 공간 구조물, 장비 및 시설, 소모품 등의 요소 주변에서 3D 레이저 포인트 클라우드 데이터를 수집하고, 현장 사진 및 텍스처 등의 데이터 정보를 보완하여 모든 요소를 ​​포함하는 정밀한 실세계 3D 모델을 제작함으로써 도시철도의 공간 디지털화를 구현해야 합니다.

위 데이터를 활용하면 관련 담당자는 고정밀 지도를 생성하고, 공간 자원을 분류하고, 도시 철도의 공간 구조와 시설 및 장비를 파악하여 스마트 도시 철도의 계획, 건설, 개보수 및 유지보수에 필요한 정확하고 포괄적인 지리 정보를 제공하고, 공간 활용 및 정밀 관리를 위한 중요한 기초 정보와 기술 지원을 제공할 수 있습니다. 시공간 시스템에서 베이더우 기술의 새로운 시나리오 적용인 공간 디지털화는 스마트 도시 철도 발전에 새로운 활력을 불어넣었습니다.

③고정밀 위치 및 타이밍

고정밀 시공간 정보는 스마트 도시철도 구축의 기반입니다. 교통 데이터는 시간 차원의 속성뿐만 아니라 공간 구조에 대한 강한 의존성을 지닌 대표적인 시공간 데이터입니다.

다양한 철도 교통 정보 시스템의 통합 및 개발이 진행됨에 따라 위치 정확도와 시간 동기화 정확도에 대한 요구 사항이 지속적으로 증가하고 있습니다. 현재 베이더우 시스템은 고정밀 위치 및 시간 정보를 요구하는 스마트 도시 철도의 요구 사항을 직접적으로 충족할 수 없습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

• 위성 신호 수신에 어려움이 있습니다.도시철도의 외부 노출이 없는 공간에서는 벽(특히 철근 콘크리트)으로 인한 차폐 때문에 위성 위치 확인 신호가 건물을 통과한 후 크게 약화되어 위치 정확도가 현저히 떨어지고, 심지어 신호를 수신하지 못할 수도 있습니다.

• 다수의 장애물 및 간섭원.도시철도에는 기둥, 엘리베이터, 에스컬레이터, 장비, 스크린 도어, 보행자 등 다양한 종류의 장애물이 존재하며, 그 배치 또한 제각각입니다. 게다가 보행자와 차량이 끊임없이 움직이고, 신호는 여러 번 반사됩니다. 이러한 수많은 불확실성으로 인해 도시철도 환경은 매우 복잡합니다. 특히 지하철은 비교적 폐쇄적인 환경이기 때문에 무선 신호, 소음, 빛, 온도 등 복잡한 환경 간섭이 위치 측정 장비 센서의 정확도에 악영향을 미치므로 이러한 복잡성이 더욱 두드러집니다.
  

• 고도 위치 결정이 어렵습니다.지하철 환경에서는 2차원 평면의 위치뿐만 아니라 다층 건물의 지상 및 지하층의 위치와 높이도 고려해야 합니다.
  

• 애플리케이션 터미널을 개발하는 것은 어렵습니다.도시철도는 소형화, 개인화, 그리고 통합 응용 단말기를 요구하며, 부품 최적화 설계, 재료 선정, 정밀 제조, 심층적인 부품 통합, 실시간 센서 교정, 센서 출력 정보의 적응형 융합과 같은 문제들을 해결해야 합니다. 연구자들은 위의 네 가지 측면에서 출발하여, 이러한 문제들을 해결하기 위한 구체적인 연구를 수행함으로써 스마트 도시철도의 건설 및 운영에 필요한 고정밀 시공간 정보를 제공하고 원활한 진행을 보장해야 합니다.

#03

스마트 도시철도에 베이더우 시스템을 적용할 전망

① 시공간 시스템 네트워크 구축

스마트 도시 철도는 자율적이고 제어 가능한 시공간 시스템 네트워크를 구축해야 합니다.

베이더우 시스템의 비노출 공간에서의 항법 및 위치 파악의 어려움, 고속 통신 수단의 부족, 종합적인 지리 정보의 부재 등의 문제점을 고려하여, "베이더우 + 5G + 공간 디지털화" 기술을 종합적으로 적용하여 고정밀 위치 네트워크, 고정밀 시간 동기화 네트워크, 고속 통신 네트워크, 그리고 공간 디지털 플랫폼으로 구성된 "3중 네트워크 1플랫폼" 시공간 시스템을 구축해야 한다. 이를 통해 도시철도 시공간 참조 정보 네트워크를 형성하고, 스마트 도시철도 건설 및 운영의 인프라로 활용하여 도시철도에 통합적이고 지속적인 시공간 정보는 물론 위치, 시간, 통신 서비스를 제공함으로써 비노출 공간에서의 베이더우 시스템 활용을 보완, 강화, 지원하고, 도시철도 노출 공간과 비노출 공간 간의 장벽을 허물어야 한다.

스마트 도시철도 시공간 시스템 네트워크 구축

② 돌파해야 할 핵심 기술 시공간적 기준점

스마트 도시철도 시공간 시스템 네트워크를 구축하기 위해서는 실내외 통합 고정밀 연속 위치 측정, 범용 네트워크 프로토콜 기반의 대규모 고정밀 시주파수 전송, 5G 기반의 고처리량 무선 통신 애플리케이션과 같은 핵심 기술의 획기적인 발전에 집중해야 합니다.

위치 측정 측면에서, 통일된 공간 기준점에서 초광대역(UWB) 위치 측정 기술을 주력 기술로 활용하고, 다양한 위치 측정 기술을 보완 및 강화하며, 항법 및 위치 측정 소프트웨어와 알고리즘을 통합하여 노출된 공간과 노출되지 않은 공간 모두에서 연속적인 위치 측정을 구현해야 합니다. 이를 위해 국가가 투자 및 구축한 종합적인 PNT 시스템과 소형화, 개인화, 결합형 서비스 단말기를 통해 개발된 마이크로 PNT 시스템을 활용하여 고정밀 위치 서비스를 제공할 수 있습니다.

시간 측면에서, IEEE 1588V2 네트워크 측정 및 제어 시스템의 정밀 클록 동기화 프로토콜(정밀 시간 동기화 프로토콜(PTP)이라고도 함)을 기반으로 도시 간 범위 내 전체 네트워크 노드의 동적 시간 동기화를 달성하고, 동기식 이더넷(SyncE) 기술 및 화이트 래빗(WR) 시간 동기화 방식을 결합하여 통일된 시간 기반으로 고정밀 타이밍 서비스를 제공해야 합니다.

통신 측면에서는 고속 통신 구현을 위해 도시철도 실내 배분 시스템과 지하철 운행 시간 분할 알고리즘을 개발해야 합니다. 또한 시스템 구축이 진행됨에 따라 스마트 도시철도에 사용되는 베이더우 시스템의 핵심 기술들을 단계적으로 발전시켜야 합니다.

③애플리케이션 서비스베이더우 시스템과 스마트 도시철도의 통합 개발은 애플리케이션 활용을 출발점이자 목표로 삼고 있습니다. 베이더우 시스템은 도시철도에 지능형 운영, 지능형 유지보수, 지능형 고객 서비스 측면에서 새로운 역량과 수단을 제공하고, 도시철도 사업을 효과적으로 지원하며, 정교한 관리, 효율적인 운영, 최대의 이익을 창출하는 스마트 도시철도 시스템 구축에 기여할 것입니다.

• 지능형 운영 측면에서, 베이더우 시스템을 통해 역, 관리 및 건설 인력의 실시간 고정밀 위치 정보를 얻을 수 있습니다. 이를 기반으로 전자 울타리 설치, 전자 점호 및 출입 기록, 성과 평가 분석 등을 통해 도시철도 작업자를 정확하게 관리할 수 있습니다. 열차 위치 파악은 도시철도의 안전하고 효율적인 운행을 보장하는 핵심 요소입니다. 베이더우 시스템을 활용하면 열차 위치 파악의 정확성, 안정성, 자율성, 통합성 및 연계 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

• 지능형 유지보수 측면에서 도시철도 시설 및 장비는 복잡하고 고도로 자동화되어 있으며 자산 규모가 방대합니다. 이러한 시설 및 장비의 유지보수와 관리는 도시철도 운행의 안전과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 베이더우 시스템을 통해 시설 및 장비의 정확한 위치 정보를 확보하면 자산 관리 시스템에서 정확한 위치 정보를 기반으로 자산 및 장비의 자동 재고 관리를 구현할 수 있으며, 이를 통해 상태 모니터링, 고장 진단, 위험 경고, 유지보수 평가 및 자산 관리의 폐쇄 루프를 구축할 수 있습니다.

• 지능형 고객 서비스 측면에서, 베이더우 시스템을 활용하면 승객은 도시철도역 안팎의 셀프 서비스 발권기, 셀프 서비스 자판기, 화장실 등의 편의시설을 신속하게 검색하고 경로를 계획할 수 있습니다. 또한 다차원 및 다층 디지털 지도를 기반으로 셀프 서비스 내비게이션, 스마트 모바일 단말기, 로봇 안내 서비스 등의 기능을 구현하여 승객의 여행 요구에 맞춘 맞춤형 여행 서비스를 실시간으로 제공할 수 있습니다.

#04

맺음말

시간과 공간 정보는 현대 생산과 생활에서 기본 정보가 되었습니다. 위성 항법 및 위치 확인 시스템의 발전은 사람들의 생활 방식을 완전히 바꿔놓았을 뿐만 아니라 사회와 기업의 관리 모델에도 변화를 가져왔습니다. 베이더우 시스템의 완성과 활용 확대로 인해 우리나라 스마트 도시철도 건설 및 개발은 시공간 기준, 공간 디지털화, 고정밀 위치 및 시간 정보에 대한 더욱 높은 요구 사항을 제시하고 있습니다.

향후 베이더우 시스템과 스마트 도시철도는 광범위한 통합 가능성을 지니고 있습니다. 핵심은 도시철도 적용 시나리오에 기반한 PNT(위치, 교통, 항법) 시스템을 정의하고, 핵심 기술을 혁신하여 "세 가지 네트워크와 하나의 플랫폼"으로 구성된 시공간 시스템을 구축하는 것입니다. 베이더우 시스템의 적용 및 확산은 도시철도의 지능형 전환을 위한 최적의 기반을 마련할 것입니다.

참조 :

린루저우, 리위제, 덩핑커 등. 스마트 도시철도에서 베이더우 시스템의 적용과 전망 [J]. 현대 도시철도, 2021(4):6 - 10.


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