Skupienie | Zastosowanie i perspektywy systemu Beidou w inteligentnej kolei miejskiej

Według statystyk ponad 80% ludziCzas spędzany jest w przestrzeniach nienarażonych na działanie czynników zewnętrznych, takich jak budynki, pojazdy mobilne i podziemia.Miejski transport szynowy (zwany dalej „koleją miejską”), jako typowy scenariusz przestrzeni nieeksponowanej, stanowi arterię miasta i rdzeń przestrzeni publicznej, a także jest kluczowym obszarem budowy „nowej infrastruktury”.Przez długi czas pozycjonowanie, nawigacja, czas i komunikacja w przestrzeniach nieeksponowanych stanowiły globalne problemy techniczne i wąskie gardła ograniczające rozwój inteligentnej kolei miejskiej.

System nawigacji satelitarnej Beidou (zwany dalej „Systemem Beidou”), jako globalny system dostarczający informacji o czasie i przestrzeni, stanowi ważną infrastrukturę kosmiczną, niezależnie stworzoną i obsługiwaną przez mój kraj. Budowa systemu została ukończona i jest wdrażana oraz promowana w różnych branżach. Dzięki wdrożeniu systemu Beidou i budowie sieci precyzyjnego pozycjonowania, sieci precyzyjnej synchronizacji czasu, sieci komunikacyjnej o wysokiej przepustowości oraz opartej na nim cyfrowej platformy kosmicznej, może on odegrać fundamentalną rolę wspierającą w budowie inteligentnej kolei miejskiej.

Ponieważ zastosowanie systemu Beidou jest fundamentalne, innowacyjne, penetrujące i napędzające, może mieć znaczący wpływ na formę rozwoju, koncepcję rozwoju, model rozwoju i model operacyjny kolei miejskiej, promując w ten sposób„Beidou + Kolej Miejska” – nowy model działania i zarządzaniaPowstanie miasta pozwoli zaspokoić zróżnicowane potrzeby różnych podmiotów, takich jak pasażerowie, przedsiębiorstwa i rządy, a także stworzy inteligentny system kolei miejskiej, który będzie bezpieczniejszy, bardziej niezawodny, wygodny, komfortowy, ekonomiczny, ekologiczny i energooszczędny.

#01

System Beidou i inteligentna kolej miejska

①Zastosowanie i rozwój systemu Beidou

Obecnie system Beidou jest szeroko stosowany w transporcie, rybołówstwie morskim, meteorologii i hydrologii, dysponowaniu energią, usuwaniu skutków klęsk żywiołowych i ich łagodzeniu itp., przynosząc znaczne korzyści społeczne i ekonomiczne. Szczególnie w transporcie jest szeroko stosowany do pozycjonowania pojazdów, monitorowania i zarządzania procesami transportowymi oraz monitorowania bezpieczeństwa infrastruktury.

Na tej podstawie istnieje możliwość dalszej rozbudowy aplikacji systemu Beidou. Przykładowo, z perspektywy środowiska przestrzeni aplikacyjnej, w zewnętrznym, eksponowanym środowisku kosmicznym (zwanym dalej „przestrzenią eksponowaną”), które może bezpośrednio odbierać sygnały systemu nawigacji satelitarnej, użytkownicy mogą bezpośrednio korzystać z informacji czasoprzestrzennych dostarczanych przez system Beidou; jednakże,W nieeksponowanych środowiskach kosmicznych, w których nie można odbierać sygnałów z systemów nawigacji satelitarnej(zwane dalej „przestrzenią nienaświetloną”), takie jak przejścia podziemne, parkingi podziemne, kompleksy handlowe i przestrzenie pod wiaduktami, są narażone na przeszkody budowlane i efekty wielodrożności. Dokładność pozycjonowania satelitarnego jest znacznie ograniczona i nie spełnia potrzeb usług lokalizacji przestrzeni nienaświetlonej.

boLudzie spędzają 80% swojego czasu w przestrzeniach nienarażonych na działanie czynników atmosferycznych, takich jak budynki i pojazdy mobilne,W związku z tym,Rozwiązywanie problemów nawigacji i pozycjonowania w przestrzeni nieeksponowanej to ważny kierunek rozwoju aplikacji systemu Beidou.

Obecnie w kraju budowany jest kompleksowy system pozycjonowania, nawigacji i pomiaru czasu (Positioning, Navigation and Timing, PNT) oparty na systemie Beidou. System ten może wykorzystywać różnorodne źródła informacji PNT oparte na różnych zasadach, a dzięki kontroli platformy chmurowej, wysokiej integracji wielu czujników i fuzji danych z wielu źródeł, generować informacje o usługach PNT, które posiadają ujednolicone wzorce czasoprzestrzenne i charakteryzują się odpornością na zakłócenia, podszywanie się pod inne urządzenia, solidnością, użytecznością, ciągłością i niezawodnością, zapewniając zasięg w pomieszczeniach, pod wodą, w głębokiej przestrzeni kosmicznej i innych dziedzinach.

②Zintegrowany rozwój systemu Beidou i inteligentnej kolei miejskiej

W ostatnich latach, wraz z przyspieszeniem budowy i ciągłym wzrostem liczby kilometrów eksploatacyjnych, kolej miejska stanęła przed szeregiem wyzwań, takich jak: sieciowe funkcjonowanie, redukcja kosztów i poprawa efektywności, szybka obsługa, niskoemisyjna ochrona środowiska oraz zrównoważony rozwój. Doprowadziło to do powstania koncepcji inteligentnej kolei miejskiej.

Istotą transportu jest zapewnienie przemieszczenia, czyli realizacja przemieszczania ludzi i materiałów w zależności od potrzeb za pomocą pojazdów transportowych. Głównym celem rozwoju inteligentnej kolei miejskiej, jako systemu transportu publicznego, jest osiągnięcie przemieszczenia w zależności od lokalizacji przy najniższych kosztach i maksymalnym zasięgu, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa. Metoda ta polega na wykorzystaniu inteligencji wszystkich ogniw w procesie świadczenia usług kolei miejskiej, przy wsparciu technologii informatycznych, czyli koncepcji „przemieszczenia +”. Dlatego konieczne jest pełne wykorzystanie zaawansowanych technologii informacyjno-komunikacyjnych, sztucznej inteligencji, Internetu Rzeczy, dużych zbiorów danych, robotyki i innych, które wykorzystują autonomiczną percepcję, autonomiczne uczenie się, autonomiczne podejmowanie decyzji i autonomiczne sterowanie jako podstawowe procesy przetwarzania, a także zapewnienie pasażerom wydajnych, precyzyjnych i spersonalizowanych usług przemieszczania w oparciu o zoptymalizowane zarządzanie i kontrolę sprzętu i obiektów, budując w ten sposób nową generację miejskiego systemu kolejowego, który jest bezpieczniejszy, wydajniejszy, wygodniejszy i bardziej ekologiczny.

Informacje o lokalizacji w czasie i przestrzeni stanowią podstawę realizacji autonomicznego działania, precyzyjnego zarządzania i w pełni spersonalizowanych usług inteligentnego systemu kolei miejskiej.Dlatego też budowa inteligentnej kolei miejskiej musi być zintegrowana z systemem Beidou, który dostarcza informacji przestrzenno-czasowych.

Przyszłym trendem rozwoju kolei miejskiej jest promowanie bezpiecznego, wygodnego, ekonomicznego, wydajnego i ekologicznego, inteligentnego transportu w formie „przemieszczenia+”; z kolei trendem rozwoju systemu Beidou jest wzmocnienie branży transportu szynowego w formie „+Beidou” (tj. wykorzystanie technologii Beidou jako środka wspomagającego, wykorzystanie informacji czasoprzestrzennych jako metody aplikacji, łączenie z oryginalnymi technologiami i działalnościami innych branż lub zastępowanie tradycyjnych rozwiązań aplikacyjnych) w celu promowania jej transformacji i modernizacji. „Przemieszczenia + Beidou”, jako kluczowa koncepcja zintegrowanego rozwoju systemu Beidou i inteligentnej kolei miejskiej, dodatkowo wzbogaci zastosowania technologiczne i ekosystemy przemysłowe systemów kolei miejskiej i Beidou, promując kompleksowy rozwój obu, a tym samym wspierając realizację strategii krajowej.

Zintegrowany rozwój systemu Beidou i inteligentnego metra

#02

Zapotrzebowanie inteligentnej kolei miejskiej na system Beidou

①Punkt odniesienia czasoprzestrzennego

Jako typowy złożony system cyberfizyczny, inteligentna kolej miejska obejmuje szeroką gamę systemów informatycznych, takich jak automatyczne sterowanie pociągiem (ATC), automatyczny system poboru opłat (AFC), automatyka zarządzania systemem zasilania (SCADA), monitoring środowiska (BAS) i alarm przeciwpożarowy (FAS). Aby zapewnić autonomiczne działanie, te złożone systemy informatyczne muszą być zintegrowane, aby móc odbierać, przetwarzać, podejmować decyzje i kontrolować ogromne ilości informacji w czasie i przestrzeni. Dlatego tym bardziej konieczne jest ustanowienie ujednoliconego punktu odniesienia czasoprzestrzennego, aby uniknąć ryzyka konfliktów informacji czasoprzestrzennych i zagrożenia dla bezpieczeństwa funkcjonowania kolei miejskiej.Dzięki zastosowaniu systemu Beidou i jego układu współrzędnych CGCS2000 (najnowszego krajowego układu współrzędnych geodezyjnych w moim kraju), który zapewnia usługi pozycjonowania i nawigacji, miejski system kolejowy może uzyskać ujednolicone, autonomiczne i kontrolowane odniesienie czasoprzestrzenne.

Ponadto, środowisko kosmiczne, w którym funkcjonuje kolej miejska, jest bardzo złożone, z przestrzenią narażoną i nienarażoną współistniejącą. Samo poleganie na systemach nawigacji satelitarnej nie jest w stanie sprostać obecnym potrzebom aplikacyjnym. Wprowadzenie absolutnego odniesienia czasoprzestrzennego systemu Beidou do nienaświetlonej przestrzeni kolei miejskiej i dynamiczne jego utrzymanie, z jednej strony, umożliwia ujednolicenie względnego położenia przestrzeni nienaświetlonej i absolutnego położenia przestrzeni naświetlonej, a także wyświetlanie i stosowanie położenia przestrzeni nienaświetlonej w kolei miejskiej w postaci absolutnego układu współrzędnych; z drugiej strony, możliwe jest ujednolicenie czasu i osiągnięcie synchronizacji czasowej w przestrzeni nienaświetlonej.

②Digitalizacja przestrzeni

Ze względu na złożoność środowiska przestrzennego kolei miejskiej, opanowanie bogatych i dokładnych informacji geograficznych stanowi podstawę budowy i eksploatacji inteligentnej kolei miejskiej. Digitalizacja przestrzenna, czyli构建数字化的地理信息空间数据框架 (Cyfrowe ramy danych geoprzestrzennych, DSDF), jest produktem rozwoju i integracji technologii geodezyjnej i kartograficznej, technologii informacji geograficznej i innych nowoczesnych technologii informacyjnych.

Wraz z postępem technicznym, technologia geodezyjna i kartograficzna rozwija się w kierunku trójwymiarowej digitalizacji, sieciowania, wizualizacji w czasie rzeczywistym oraz gromadzenia informacji, przetwarzania danych i wykorzystywania wyników. Istnieje potrzeba przestrzennych aplikacji cyfrowych, których rdzeniem jest trójwymiarowe modelowanie w warunkach rzeczywistych. W budowie inteligentnej kolei miejskiej konieczne jest wykorzystanie punktu odniesienia czasoprzestrzennego systemu Beidou do wykorzystania narzędzi geodezyjnych i kartograficznych montowanych na stacjach, miotłach, plecakach, przenośnych i innych, a także sprzętu do gromadzenia danych geograficznych, do prowadzenia badań w pracowniach komputerowych, halach dworcowych, sekcjach, zajezdniach i magazynach w przestrzeniach podziemnych i naziemnych kolei miejskiej. W innych miejscach gromadzimy dane z chmury punktów laserowych 3D wokół struktur przestrzennych, sprzętu i obiektów, materiałów eksploatacyjnych i innych elementów, a następnie uzupełniamy je informacjami, takimi jak zdjęcia i tekstury terenu, aby stworzyć zestaw precyzyjnych, rzeczywistych modeli 3D, zawierających wszystkie elementy niezbędne do realizacji przestrzennej digitalizacji kolei miejskiej.

Korzystając z powyższych danych, odpowiedni personel może generować precyzyjne mapy, sortować zasoby przestrzenne, rozumieć strukturę przestrzenną oraz infrastrukturę i wyposażenie kolei miejskiej, dostarczać dokładnych i kompleksowych informacji geograficznych na potrzeby planowania, budowy, modernizacji i utrzymania inteligentnej kolei miejskiej, a także zapewniać istotne informacje podstawowe i wsparcie techniczne w zakresie wykorzystania przestrzeni i sprawnego zarządzania. Jako nowe zastosowanie technologii Beidou w systemie czasoprzestrzennym, digitalizacja przestrzenna tchnęła nową energię w rozwój inteligentnej kolei miejskiej.

③Wysoka precyzja pozycjonowania i pomiaru czasu

Precyzyjne informacje przestrzenne i czasowe stanowią podstawę budowy inteligentnej kolei miejskiej. Dane o ruchu drogowym to typowe dane czasoprzestrzenne, które nie tylko posiadają atrybuty wymiaru czasowego, ale również silnie zależą od struktury przestrzennej.

Wraz z integracją i rozwojem różnych systemów informacji o transporcie kolejowym, wymagania dotyczące dokładności pozycjonowania i synchronizacji czasu stale rosną. Obecnie system Beidou nie jest w stanie bezpośrednio sprostać wymaganiom inteligentnej kolei miejskiej w zakresie precyzyjnego pozycjonowania i pomiaru czasu. Przyczyny są następujące:

• Trudności z odbiorem sygnałów satelitarnych.W nieeksponowanej przestrzeni kolei miejskiej, ze względu na ekranowanie ścianami (szczególnie żelbetowymi), sygnały pozycjonowania satelitarnego ulegną znacznemu osłabieniu po przejściu przez budynki, a dokładność pozycjonowania ulegnie znacznemu zmniejszeniu, a sygnał może w ogóle nie zostać odebrany.

• Wiele przeszkód i źródeł zakłóceń.W kolei miejskiej występują różnego rodzaju przeszkody, takie jak kolumny, windy, schody ruchome, urządzenia, drzwi ekranowe i piesi. Układy są zróżnicowane. Ponadto piesi i pojazdy poruszają się nieustannie, a sygnał będzie wielokrotnie odbijany. Te liczne niepewności sprawiają, że środowisko kolei miejskiej jest niezwykle złożone. Sytuacja ta jest szczególnie widoczna w metrze, ponieważ jest ono stosunkowo zamknięte, a złożone zakłócenia środowiskowe, takie jak sygnały radiowe, dźwięk, światło i temperatura, będą miały negatywny wpływ na dokładność czujników urządzeń pozycjonujących.
  

• Pozycjonowanie na wysokości jest trudne.W przypadku metra należy brać pod uwagę nie tylko położenie płaszczyzny dwuwymiarowej, ale także położenie i wysokość kondygnacji nadziemnych i podziemnych w przypadku budynków wielopiętrowych.
  

• Tworzenie terminali aplikacyjnych jest trudne.Koleje miejskie wymagają miniaturyzacji, personalizacji i zintegrowanych terminali aplikacyjnych, a także rozwiązują takie problemy, jak optymalizacja projektowania komponentów, dobór materiałów, precyzja produkcji, głęboka integracja komponentów, kalibracja czujników w czasie rzeczywistym oraz adaptacyjne łączenie danych wyjściowych z czujników. Naukowcy powinni wyjść od powyższych czterech aspektów i prowadzić ukierunkowane badania w celu rozwiązania tych problemów, aby zapewnić precyzyjne informacje przestrzenne i czasowe na potrzeby budowy i eksploatacji inteligentnych kolei miejskich oraz zapewnić ich płynny przebieg.

#03

Perspektywy zastosowania systemu Beidou w inteligentnej kolei miejskiej

①Budowa sieci systemów czasoprzestrzennych

Inteligentna kolej miejska musi zbudować autonomiczną i kontrolowaną sieć systemów czasoprzestrzennych.

W obliczu problemów, takich jak brak możliwości nawigacji i pozycjonowania systemu Beidou w przestrzeni nieeksponowanej, brak środków komunikacji o wysokiej przepustowości oraz brak informacji geograficznej obejmującej wszystkie elementy, technologia „Beidou + 5G + cyfryzacja kosmosu” powinna zostać kompleksowo wdrożona w celu zbudowania sieci systemu czasoprzestrzennego „trzy sieci i jedna platforma”, składającej się z sieci pozycjonowania o wysokiej precyzji, sieci synchronizacji czasu o wysokiej precyzji, sieci komunikacji o wysokiej przepustowości oraz cyfrowej platformy kosmicznej. Należy stworzyć sieć informacji o czasie i przestrzeni odniesienia dla kolei miejskiej i wykorzystać ją jako infrastrukturę dla inteligentnej budowy i eksploatacji kolei miejskiej, aby zapewnić ujednolicone i ciągłe informacje o czasie i przestrzeni, a także usługi pozycjonowania, pomiaru czasu i komunikacji dla kolei miejskiej, uzupełniając, wzmacniając i wspierając aplikacje systemu Beidou w przestrzeniach nieeksponowanych, przełamując tym samym bariery między przestrzeniami eksponowanymi a nieeksponowanymi kolei miejskiej.

Budowa inteligentnej sieci systemów czasoprzestrzennych kolei miejskich

②Kluczowe punkty odniesienia w przestrzeni i czasie technologicznym, które należy przełamać

Aby zbudować inteligentną sieć miejskiego systemu kolejowo-przestrzennego, konieczne jest skupienie się na przełomach w kluczowych technologiach, takich jak zintegrowane, precyzyjne ciągłe pozycjonowanie wewnątrz i na zewnątrz budynków, precyzyjna transmisja czasowo-częstotliwościowa na dużą skalę oparta na uniwersalnych protokołach sieciowych oraz bezprzewodowe aplikacje komunikacyjne o wysokiej przepustowości oparte na technologii 5G.

Jeśli chodzi o pozycjonowanie, konieczne jest zastosowanie technologii pozycjonowania ultraszerokopasmowego (UWB) jako dominującej technologii pozycjonowania w zunifikowanym punkcie odniesienia przestrzennego, uzupełnionej i ulepszonej przez wiele technologii pozycjonowania. Ponadto, poprzez integrację oprogramowania nawigacyjnego i pozycjonującego oraz algorytmów, możliwe jest osiągnięcie ciągłego pozycjonowania w przestrzeniach narażonych i nienarażonych. Dzięki kompleksowemu systemowi PNT zainwestowanemu i zbudowanemu przez państwo oraz systemowi mikro-PNT opracowanemu przez zminiaturyzowane, spersonalizowane i łączone terminale usługowe, możliwe jest świadczenie usług lokalizacyjnych o wysokiej precyzji.

Pod względem czasu konieczne jest osiągnięcie dynamicznej synchronizacji czasu wszystkich węzłów sieci w zakresie międzymiastowym w oparciu o precyzyjny protokół synchronizacji zegara systemu pomiaru i sterowania siecią IEEE 1588V2 (znany również jako Precision Time Synchronization Protocol (PTP)) w połączeniu z technologią Synchronous Ethernet (SyncE) i metodą synchronizacji czasu White Rabbit (WR), na ujednoliconej podstawie czasu, aby zapewnić usługi pomiaru czasu o wysokiej precyzji.

W zakresie komunikacji, konieczne jest opracowanie wewnętrznych systemów dystrybucji kolei miejskiej oraz algorytmów podziału czasu dla metra, aby umożliwić zastosowanie komunikacji o wysokiej przepustowości. Ponadto, w miarę postępu budowy systemu, konieczne jest również wprowadzenie szeregu kluczowych technologii wykorzystywanych przez system Beidou w inteligentnej kolei miejskiej.

③Usługi aplikacyjneZastosowanie jest punktem wyjścia i celem zintegrowanego rozwoju systemu Beidou i inteligentnej kolei miejskiej. System Beidou zapewni kolei miejskiej nowe możliwości i środki w zakresie inteligentnej eksploatacji, inteligentnej konserwacji i inteligentnej obsługi klienta, zapewni efektywne wsparcie dla działalności kolei miejskiej i pomoże w budowie inteligentnego systemu kolei miejskiej z zaawansowanym zarządzaniem, wydajną eksploatacją i maksymalnymi korzyściami.

• W zakresie inteligentnego działania, system Beidou umożliwia uzyskanie w czasie rzeczywistym precyzyjnych informacji o lokalizacji stacji, kadry zarządzającej i personelu budowlanego. Na tej podstawie pracownicy kolei miejskiej mogą być precyzyjnie zarządzani poprzez budowę elektronicznych ogrodzeń, elektroniczny system odczytu i rejestracji, analizę oceny pracy itp. Pozycjonowanie pociągów jest gwarancją bezpiecznego i efektywnego funkcjonowania pociągów kolei miejskiej. Zastosowanie systemu Beidou może zwiększyć dokładność, redundancję, autonomię, głębszą integrację i wydajność systemu pozycjonowania.

• W kontekście inteligentnej konserwacji, obiekty i urządzenia kolei miejskiej są złożone, wysoce zautomatyzowane i charakteryzują się dużą skalą aktywów. Ich konserwacja i zarządzanie są bezpośrednio związane z bezpieczeństwem i niezawodnością funkcjonowania kolei miejskiej. Uzyskanie dokładnej lokalizacji obiektów i urządzeń za pośrednictwem systemu Beidou umożliwia automatyczną inwentaryzację aktywów i sprzętu w oparciu o precyzyjną lokalizację w systemie zarządzania aktywami, tworząc zamknięty łańcuch monitorowania stanu, diagnostyki usterek, ostrzegania o ryzyku, oceny konserwacji i zarządzania aktywami.

• Dzięki inteligentnej obsłudze klienta system Beidou umożliwia pasażerom szybkie wyszukiwanie i planowanie tras do samoobsługowych automatów biletowych, automatów sprzedażowych, toalet i innych punktów usługowych na stacjach kolei miejskiej i poza nimi. Mogą oni również korzystać z takich funkcji, jak samoobsługowa nawigacja, inteligentne terminale mobilne i usługi kierowania robotami oparte na wielowymiarowych i wielowarstwowych mapach cyfrowych. Dzięki temu pasażerowie mogą korzystać z całodobowych, spersonalizowanych usług podróżnych dostosowanych do ich potrzeb.

#04

Wniosek

Informacje o czasie i przestrzeni stały się podstawą współczesnej produkcji i życia. Rozwój satelitarnych systemów nawigacji i pozycjonowania całkowicie odmienił styl życia ludzi, a także zmienił modele zarządzania w społeczeństwie i przedsiębiorstwach. Wraz z ukończeniem i upowszechnieniem systemu Beidou, budowa i rozwój inteligentnej kolei miejskiej w moim kraju postawiły wyższe wymagania dotyczące punktów odniesienia w zakresie czasu i przestrzeni, digitalizacji przestrzennej, precyzyjnego pozycjonowania i pomiaru czasu.

W przyszłości system Beidou i inteligentna kolej miejska mają szerokie możliwości integracji. Kluczowe jest zdefiniowanie systemu PNT w oparciu o scenariusze zastosowań kolei miejskiej, przełom w zakresie kluczowych technologii oraz zbudowanie sieci przestrzenno-czasowej opartej na modelu „trzech sieci i jednej platformy”. Zastosowanie i promocja systemu Beidou stworzy optymalne warunki bazowe dla inteligentnej transformacji kolei miejskiej.

Referencje:

Lin Luzhou, Li Yujie, Deng Pingke i in. Zastosowanie i perspektywy systemu Beidou w inteligentnej kolei miejskiej [J]. Nowoczesny transport szynowy, 2021 (4):6-10.


Treść pochodzi z serwisu Internet/Beidou Today. Ta strona internetowa umożliwia jedynie przedruk. Poglądy, stanowisko, technologia itp. zawarte w tym artykule nie mają nic wspólnego z tą stroną internetową. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia!