Foco | Aplicação e perspectivas do sistema Beidou em transporte ferroviário urbano inteligente

According to statistics, more than 80% of peopleO tempo é gasto em espaços não expostos, como edifícios, veículos em movimento e no subsolo.O transporte ferroviário urbano (doravante denominado "ferrovia urbana"), como um cenário típico de espaço não exposto, é a artéria da cidade e a área pública central, sendo também uma área de construção chave da "nova infraestrutura".Durante muito tempo, o posicionamento, a navegação, a sincronização e a comunicação em espaços não expostos foram problemas técnicos globais e gargalos que restringiram o desenvolvimento de sistemas ferroviários urbanos inteligentes.

O Sistema de Navegação por Satélite Beidou (doravante denominado "Sistema Beidou"), enquanto sistema global que fornece informações de tempo e espaço, é uma importante infraestrutura espacial construída e operada de forma independente pelo meu país. A construção do sistema foi concluída e está sendo aplicada e promovida em diversos setores. Ao aplicar o sistema Beidou e construir uma rede de posicionamento de alta precisão, uma rede de sincronização de tempo de alta precisão, uma rede de comunicação de alta capacidade e uma plataforma digital espacial baseada nele, ele pode desempenhar um papel fundamental no desenvolvimento de sistemas ferroviários urbanos inteligentes.

Como a aplicação do sistema Beidou é fundamental, inovadora, abrangente e impulsionadora, ela pode ter um impacto significativo na forma de desenvolvimento, no conceito de desenvolvimento, no modelo de desenvolvimento e no modelo de operação do transporte ferroviário urbano, promovendo assim o seu desenvolvimento."Beidou + Urban Rail" new operation and management modelA formação da cidade atenderá às diversas necessidades de entidades variadas, como passageiros, empresas e governos, e construirá um sistema ferroviário urbano inteligente que seja mais seguro, confiável, conveniente e confortável, econômico, ecológico e com economia de energia.

#01

Sistema Beidou e Transporte Ferroviário Urbano Inteligente

① Aplicação e desenvolvimento do sistema Beidou

Atualmente, o sistema Beidou tem sido amplamente utilizado nas áreas de transporte, pesca marítima, meteorologia e hidrologia, despacho de energia, socorro e mitigação de desastres, etc., e tem gerado benefícios sociais e econômicos significativos; especialmente no transporte, tem sido amplamente utilizado no posicionamento de veículos, monitoramento e gerenciamento de processos de transporte e monitoramento da segurança da infraestrutura.

Com base nisso, há espaço para uma maior expansão das aplicações do sistema Beidou. Por exemplo, da perspectiva do ambiente espacial de aplicação, em um ambiente espacial externo exposto (doravante denominado "espaço exposto") que possa receber diretamente sinais de sistemas de navegação por satélite, os usuários podem utilizar diretamente as informações espaço-temporais fornecidas pelo sistema Beidou; no entanto,In non-exposed space environments where satellite navigation system signals cannot be received(doravante denominados "espaços não expostos"), como metrôs, estacionamentos subterrâneos, complexos comerciais e sob viadutos, são afetados por obstruções de edifícios e efeitos de multicaminho. A precisão do posicionamento por satélite é drasticamente reduzida e não atende às necessidades dos serviços de localização em espaços não expostos.

PorquePeople spend 80% of their time in non-exposed spaces such as buildings and mobile vehicles,therefore,Solving navigation and positioning problems in non-exposed space is an important direction for the application development of Beidou system.

Atualmente, o país está construindo um sistema abrangente de posicionamento, navegação e sincronização (Posicionamento, Navegação e Sincronização, PNT) baseado no sistema Beidou. Este sistema pode utilizar diversas fontes de informação PNT com base em diferentes princípios e, por meio do controle em plataforma de nuvem, alta integração de múltiplos sensores e fusão de dados de múltiplas fontes, gerar informações de serviço PNT que possuem parâmetros espaço-temporais unificados e apresentam as vantagens de resistência a interferências, anti-falsificação, robustez, usabilidade, continuidade e confiabilidade, alcançando cobertura em ambientes internos, subaquáticos, no espaço profundo e em outros campos.

② Desenvolvimento integrado do sistema Beidou e do transporte ferroviário urbano inteligente

Nos últimos anos, com a aceleração da construção e o crescimento contínuo da extensão operacional, o transporte ferroviário urbano tem enfrentado uma série de desafios, como operação em rede, redução de custos e melhoria da eficiência, serviço rápido, proteção ambiental com baixa emissão de carbono e desenvolvimento sustentável. Isso levou ao surgimento do conceito de transporte ferroviário urbano inteligente.

The essence of transportation is to provide displacement, that is, to realize the location movement of people and materials through transportation vehicles as needed. As a public transportation system, the core goal of the development of smart urban rail is to achieve location movement with the lowest cost and maximum coverage while ensuring safety. The method is to realize the intelligence of all links in the urban rail service process with the support of information technology, that is, "displacement +". Therefore, it is necessary to make full use of advanced information communications, artificial intelligence Intelligent, Internet of Things, big data, robotics and other technologies take autonomous perception, autonomous learning, autonomous decision-making and autonomous control as the core processing processes, and provide passengers with efficient, accurate and personalized displacement services on the basis of optimized management and control of equipment and facilities, thereby building a new generation of urban rail system that is safer, more efficient, more comfortable and greener.

As informações de localização espacial e temporal são a base para a operação autônoma, a gestão precisa e os serviços personalizados em tempo integral do sistema ferroviário urbano inteligente.Portanto, a construção de ferrovias urbanas inteligentes precisa alcançar um desenvolvimento integrado com o sistema Beidou, que fornece informações espaço-temporais.

A tendência futura de desenvolvimento do transporte ferroviário urbano é promover um transporte inteligente, seguro, conveniente, econômico, eficiente e sustentável na forma de "deslocamento +"; enquanto a tendência de desenvolvimento do sistema Beidou é fortalecer o setor de transporte ferroviário na forma de "+Beidou" (ou seja, utilizando a tecnologia Beidou como meio facilitador, utilizando informações espaço-temporais como método de aplicação, combinando-as com tecnologias e negócios originais de outros setores ou substituindo soluções de aplicação tradicionais) para promover sua transformação e modernização. "Deslocamento + Beidou", como conceito central do desenvolvimento integrado do sistema Beidou e do transporte ferroviário urbano inteligente, enriquecerá ainda mais as aplicações tecnológicas e os ecossistemas industriais dos sistemas de transporte ferroviário urbano e Beidou, promoverá o desenvolvimento abrangente de ambos e, assim, impulsionará a implementação da estratégia nacional.

Desenvolvimento integrado do sistema Beidou e metrô inteligente

#02

A demanda por sistemas Beidou para transporte ferroviário urbano inteligente.

①Space-time benchmark

Como um típico sistema ciberfísico complexo, o transporte ferroviário urbano inteligente envolve uma ampla variedade de sistemas de informação, como controle automático de trens (ATC), cobrança automática de tarifas (AFC), automação do gerenciamento do sistema de fornecimento de energia (SCADA), monitoramento ambiental (BAS) e alarme de incêndio (FAS). Para viabilizar sua operação autônoma, esses sistemas de informação complexos devem ser integrados para perceber, processar, tomar decisões e controlar grandes quantidades de informações espaço-temporais. Portanto, torna-se ainda mais necessário estabelecer um referencial espaço-temporal unificado para evitar o risco de conflitos de informação espaço-temporal e comprometer a segurança da operação do transporte ferroviário urbano.Ao aplicar o sistema Beidou e seu sistema de coordenadas CGCS2000 (o mais recente sistema nacional de coordenadas geodésicas do meu país), que fornece serviços de posicionamento e navegação, o sistema ferroviário urbano pode obter uma referência espaço-temporal unificada, autônoma e controlável.

Além disso, o ambiente espacial em que o transporte ferroviário urbano está inserido é muito complexo, com coexistência de espaços expostos e não expostos. A simples dependência de sistemas de navegação por satélite não atende às necessidades atuais de aplicação. Ao introduzir a referência espaço-temporal absoluta do sistema Beidou no espaço não exposto do transporte ferroviário urbano e mantê-la dinamicamente, é possível, por um lado, unificar a posição relativa do espaço não exposto com a posição absoluta do espaço exposto, e exibir e aplicar a posição do espaço não exposto no transporte ferroviário urbano na forma de um sistema de coordenadas absolutas; por outro lado, é possível unificar o tempo e alcançar a sincronização temporal no espaço não exposto.

② Digitalização do espaço

Devido ao complexo ambiente espacial do transporte ferroviário urbano, o domínio de informações geográficas ricas e precisas é fundamental para a construção e operação de sistemas ferroviários urbanos inteligentes. A digitalização espacial, ou seja, a representação gráfica das necessidades de informação geográfica, é essencial para o desenvolvimento de sistemas de transporte ferroviário urbano inteligentes.构建数字化的地理信息空间数据框架（Estrutura de Dados Geoespaciais Digitais，DSDF）, é o produto do desenvolvimento e da integração da tecnologia de levantamento e mapeamento, da tecnologia de informação geográfica e de outras tecnologias de informação modernas.

Com o avanço dos meios técnicos, a tecnologia de levantamento e mapeamento está se desenvolvendo na direção da digitalização tridimensional, interconexão, tempo real e visualização da coleta de informações, processamento de dados e aplicação de resultados. Há uma necessidade de aplicação digital espacial com modelagem tridimensional em tempo real como núcleo. Na construção de sistemas ferroviários urbanos inteligentes, é necessário utilizar o referencial espaço-temporal do sistema Beidou para empregar ferramentas de levantamento e mapeamento, como equipamentos fixos em estações, vassouras mecânicas, mochilas e dispositivos portáteis, além de equipamentos de coleta de dados geográficos, para mapear salas de computadores, halls de estações, seções, depósitos e armazéns nos espaços subterrâneos e de superfície do sistema ferroviário urbano. Em outros locais, coletamos dados de nuvem de pontos a laser 3D ao redor de estruturas espaciais, equipamentos e instalações, materiais de consumo e outros elementos, complementando-os com informações como fotografias e texturas de campo para criar um conjunto de modelos 3D detalhados em tempo real com todos os elementos, a fim de realizar a digitalização espacial do sistema ferroviário urbano.

Utilizando os dados acima, a equipe competente pode gerar mapas de alta precisão, organizar recursos espaciais, compreender a estrutura espacial, as instalações e os equipamentos do transporte ferroviário urbano, fornecer informações geográficas precisas e abrangentes para o planejamento, construção, reforma e manutenção do sistema ferroviário urbano inteligente, além de oferecer informações básicas importantes e suporte técnico para a utilização do espaço e a gestão otimizada. Como uma nova aplicação da tecnologia Beidou no sistema espaço-temporal, a digitalização espacial injetou nova vitalidade no desenvolvimento do transporte ferroviário urbano inteligente.

③High-precision positioning and timing

Informações espaciais e temporais de alta precisão são a base para a construção de sistemas ferroviários urbanos inteligentes. Os dados de tráfego são um exemplo típico de dados espaço-temporais, que possuem não apenas atributos de dimensão temporal, mas também uma forte dependência da estrutura espacial.

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:

• Difficulty receiving satellite signals.Em áreas não expostas do transporte ferroviário urbano, devido à blindagem das paredes (especialmente de concreto armado), os sinais de posicionamento por satélite serão significativamente enfraquecidos após atravessarem os edifícios, e a precisão do posicionamento será bastante reduzida, podendo até mesmo impedir a recepção do sinal.

• Múltiplos obstáculos e fontes de interferência.There are various types of obstacles in the urban rail, such as columns, elevators, escalators, equipment, screen doors, and pedestrians. The layouts are different. In addition, pedestrians and vehicles are moving all the time, and the signal will be reflected multiple times. These numerous uncertainties make the urban rail environment extremely complex. This situation is particularly prominent in the subway, because the subway environment is relatively closed, and complex environmental interference such as radio signals, sound, light, and temperature will have a negative impact on the accuracy of positioning equipment sensors.
  

• O posicionamento em altitude é difícil.Em um ambiente de metrô, não apenas a posição do plano bidimensional deve ser considerada, mas também a posição e a altura dos andares acima do solo e subterrâneos em edifícios de vários andares.
  

• É difícil desenvolver terminais de aplicativos.O transporte ferroviário urbano exige miniaturização, personalização e terminais de aplicação combinados, e resolve problemas como projeto de otimização de componentes, seleção de materiais, fabricação de precisão, integração profunda de componentes, calibração de sensores em tempo real e fusão adaptativa de informações de saída dos sensores. Os pesquisadores devem partir desses quatro aspectos e conduzir pesquisas direcionadas para solucionar os problemas mencionados, de modo a fornecer informações espaciais e temporais de alta precisão para a construção e operação do transporte ferroviário urbano inteligente e garantir seu progresso contínuo.

#03

Prospects for the application of Beidou system in smart urban rail

① Construção da rede do sistema espaço-temporal

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

Considerando problemas como a incapacidade do sistema Beidou de realizar navegação e posicionamento em espaços não expostos, a falta de meios de comunicação de alta capacidade e a carência de informações geográficas abrangentes, a tecnologia "Beidou + 5G + digitalização espacial" deve ser aplicada de forma integrada para construir uma rede espaço-temporal "três redes e uma plataforma" composta por uma rede de posicionamento de alta precisão, uma rede de sincronização de tempo de alta precisão, uma rede de comunicação de alta capacidade e uma plataforma digital espacial. Dessa forma, deve-se formar uma rede de referência espaço-temporal para o transporte ferroviário urbano e utilizá-la como infraestrutura para a construção e operação de sistemas ferroviários urbanos inteligentes, fornecendo informações espaciais e temporais unificadas e contínuas, bem como serviços de posicionamento, sincronização e comunicação para o transporte ferroviário urbano. Isso complementará, aprimorará e dará suporte às aplicações do sistema Beidou em espaços não expostos, rompendo assim as barreiras entre os espaços expostos e não expostos do transporte ferroviário urbano.

Construction of smart urban rail space-time system network

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

Para construir uma rede inteligente de sistema espaço-temporal para transporte ferroviário urbano, é necessário focar em avanços em tecnologias-chave, como posicionamento contínuo de alta precisão integrado em ambientes internos e externos, transmissão de tempo-frequência de alta precisão em larga escala baseada em protocolos de rede universais e aplicações de comunicação sem fio de alto rendimento baseadas em 5G.

Em termos de posicionamento, é necessário utilizar a tecnologia de posicionamento de banda ultralarga (UWB) como tecnologia dominante em um referencial espacial unificado, complementada e aprimorada por múltiplas tecnologias de posicionamento, e através da integração de softwares e algoritmos de navegação e posicionamento para alcançar o posicionamento contínuo em espaços expostos e não expostos; através do sistema abrangente de PNT investido e construído pelo Estado e do sistema micro-PNT desenvolvido por terminais de serviço miniaturizados, personalizados e combinados, serviços de localização de alta precisão podem ser fornecidos.

Em termos de tempo, é necessário alcançar a sincronização dinâmica de tempo de todos os nós da rede no alcance interurbano com base no protocolo de sincronização de relógio de precisão do sistema de medição e controle de rede IEEE 1588V2 (também conhecido como Protocolo de Sincronização de Tempo de Precisão (PTP)), combinado com a tecnologia Ethernet Síncrona (SyncE) e o método de sincronização de tempo White Rabbit (WR), em uma base de tempo unificada para fornecer serviços de temporização de alta precisão.

Em termos de comunicações, é necessário desenvolver sistemas de distribuição interna para transporte ferroviário urbano e algoritmos de fatiamento de tempo para serviços de metrô, a fim de viabilizar a aplicação de comunicações de alta capacidade. Além disso, à medida que a construção do sistema avança, também é necessário superar uma série de tecnologias-chave utilizadas pelo sistema Beidou em transporte ferroviário urbano inteligente.

③ Serviços de aplicaçãoApplication 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.

• Em termos de operação inteligente, o sistema Beidou permite obter informações de localização em tempo real e de alta precisão para estações, equipes de gestão e de construção. Com base nisso, os trabalhadores do transporte ferroviário urbano podem ser gerenciados com precisão por meio da construção de cercas eletrônicas, controle eletrônico de presença e registro de ponto, análise de desempenho, etc. O posicionamento dos trens é a garantia para a operação segura e eficiente dos trens urbanos. O uso do sistema Beidou torna o posicionamento dos trens mais preciso, redundante, autônomo, integrado e eficiente.

• Em termos de manutenção inteligente, as instalações e equipamentos de transporte ferroviário urbano são complexos, altamente automatizados e possuem grande escala de ativos. Sua manutenção e gestão estão diretamente relacionadas à segurança e confiabilidade das operações de transporte ferroviário urbano. A obtenção da localização precisa das instalações e equipamentos por meio do sistema Beidou permite o inventário automático de ativos e equipamentos com base na localização precisa no sistema de gestão de ativos, criando um ciclo fechado de monitoramento de condição, diagnóstico de falhas, alerta de riscos, avaliação de manutenção e gestão de ativos.

• In terms of intelligent customer service, using the Beidou system, passengers can quickly search and plan routes for self-service ticket machines, self-service vending machines, restrooms and other service facilities inside and outside urban rail stations; they can also implement functions such as self-service navigation, intelligent mobile terminals and robot guidance services based on multi-dimensional and multi-layered digital maps, thus being able to provide passengers with full-time, personalized travel services based on passenger travel needs.

#04

Conclusão

Informações de tempo e espaço tornaram-se fundamentais na produção e na vida moderna. O desenvolvimento de sistemas de navegação e posicionamento por satélite transformou completamente o estilo de vida das pessoas, bem como os modelos de gestão da sociedade e das empresas. Com a conclusão e a promoção da aplicação do sistema Beidou, a construção e o desenvolvimento do sistema ferroviário urbano inteligente do meu país impuseram requisitos mais rigorosos para parâmetros espaço-temporais, digitalização espacial, posicionamento de alta precisão e sincronização.

No futuro, o sistema Beidou e o transporte ferroviário urbano inteligente têm amplo espaço e potencial para integração. O ponto central é definir seu sistema PNT (Posicionamento, Navegação e Tempo) com base em cenários de aplicação para transporte ferroviário urbano, inovar em tecnologias-chave e construir uma rede espaço-temporal de "três redes e uma plataforma". A aplicação e a promoção do sistema Beidou criarão as condições básicas ideais para a transformação inteligente do transporte ferroviário urbano.

Referências:

Lin Luzhou, Li Yujie, Deng Pingke, et al. Aplicação e perspectivas do sistema Beidou em transporte ferroviário urbano inteligente [J]. Transporte Ferroviário Urbano Moderno, 2021 (4):6-10.


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