Trọng tâm | Ứng dụng và triển vọng của hệ thống Beidou trong đường sắt đô thị thông minh

Theo thống kê, hơn 80% người dânTime is spent in non-exposed spaces such as buildings, mobile vehicles, and underground.Hệ thống giao thông đường sắt đô thị (sau đây gọi tắt là "đường sắt đô thị"), với tư cách là một kịch bản điển hình của không gian kín, là huyết mạch của thành phố và là khu vực công cộng cốt lõi, đồng thời cũng là khu vực xây dựng trọng điểm của "cơ sở hạ tầng mới".Từ lâu, việc định vị, dẫn đường, tính thời gian và liên lạc trong các không gian kín đã trở thành những vấn đề kỹ thuật toàn cầu và là nút thắt cản trở sự phát triển của hệ thống đường sắt đô thị thông minh.

Hệ thống định vị vệ tinh Bắc Đẩu (sau đây gọi tắt là "Hệ thống Bắc Đẩu"), với tư cách là một hệ thống toàn cầu cung cấp thông tin về thời gian và không gian, là một cơ sở hạ tầng không gian quan trọng do nước ta tự xây dựng và vận hành. Việc xây dựng hệ thống đã hoàn tất và đang được ứng dụng và thúc đẩy trong nhiều ngành công nghiệp. Bằng cách ứng dụng hệ thống Bắc Đẩu và xây dựng mạng lưới định vị chính xác cao, mạng lưới đồng bộ thời gian chính xác cao, mạng lưới truyền thông thông lượng cao và nền tảng số hóa không gian dựa trên đó, nó có thể đóng vai trò hỗ trợ cơ bản trong việc xây dựng đường sắt đô thị thông minh.

Do việc ứng dụng hệ thống Beidou mang tính nền tảng, đổi mới, sâu rộng và tiên phong, nó có thể tác động đáng kể đến hình thức phát triển, khái niệm phát triển, mô hình phát triển và mô hình vận hành của đường sắt đô thị, từ đó thúc đẩy sự phát triển.Mô hình vận hành và quản lý mới "Bắc Đô + Đường sắt đô thị"Việc hình thành thành phố sẽ đáp ứng các nhu cầu đa dạng của nhiều đối tượng khác nhau như hành khách, doanh nghiệp và chính phủ, đồng thời xây dựng một hệ thống đường sắt đô thị thông minh, an toàn hơn, đáng tin cậy hơn, thuận tiện và thoải mái hơn, tiết kiệm chi phí, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng.

#01

Beidou System and Smart Urban Rail

①Ứng dụng và phát triển hệ thống Beidou

Hiện nay, hệ thống Beidou được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực giao thông vận tải, thủy sản, khí tượng thủy văn, điều độ điện lực, cứu trợ và phòng chống thiên tai, v.v., và đã mang lại những lợi ích kinh tế và xã hội đáng kể; đặc biệt trong lĩnh vực giao thông vận tải, nó được sử dụng rộng rãi trong định vị phương tiện, giám sát và quản lý quá trình vận chuyển, và giám sát an toàn cơ sở hạ tầng.

Trên cơ sở đó, vẫn còn dư địa để mở rộng hơn nữa các ứng dụng của hệ thống Beidou. Ví dụ, từ góc độ môi trường không gian ứng dụng, trong môi trường không gian mở ngoài trời (sau đây gọi là "không gian mở") có thể trực tiếp thu tín hiệu hệ thống định vị vệ tinh, người dùng có thể trực tiếp sử dụng thông tin không gian-thời gian do hệ thống Beidou cung cấp; tuy nhiên,Trong môi trường không gian không tiếp xúc với bức xạ, nơi không thể thu nhận tín hiệu hệ thống định vị vệ tinh.(sau đây gọi là "không gian kín"), chẳng hạn như tàu điện ngầm, bãi đậu xe ngầm, khu phức hợp thương mại và gầm cầu vượt, bị ảnh hưởng bởi sự cản trở của các công trình xây dựng và hiệu ứng đa đường truyền. Độ chính xác định vị vệ tinh bị giảm mạnh và không thể đáp ứng nhu cầu của dịch vụ định vị trong không gian kín.

bởi vìMọi người dành 80% thời gian ở những không gian kín như các tòa nhà và phương tiện giao thông.,therefore,Giải quyết các vấn đề định vị và dẫn đường trong không gian kín là một hướng quan trọng trong phát triển ứng dụng của hệ thống Beidou..

Hiện nay, quốc gia này đang xây dựng một hệ thống định vị, dẫn đường và thời gian (PNT) toàn diện dựa trên hệ thống Beidou. Hệ thống này có thể sử dụng nhiều nguồn thông tin PNT khác nhau dựa trên các nguyên tắc khác nhau, và thông qua điều khiển nền tảng đám mây, sự tích hợp cao của nhiều cảm biến và sự kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn, tạo ra thông tin dịch vụ PNT có chuẩn mực không gian-thời gian thống nhất và có các ưu điểm về khả năng chống nhiễu, chống giả mạo, mạnh mẽ, dễ sử dụng, liên tục và đáng tin cậy, đạt được phạm vi phủ sóng trong nhà, dưới nước, không gian sâu và các lĩnh vực khác.

② Phát triển tích hợp hệ thống Beidou và đường sắt đô thị thông minh

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.

Bản chất của vận tải là cung cấp sự dịch chuyển, tức là hiện thực hóa việc di chuyển người và vật liệu đến các vị trí cần thiết thông qua các phương tiện vận tải. Là một hệ thống giao thông công cộng, mục tiêu cốt lõi của việc phát triển đường sắt đô thị thông minh là đạt được sự dịch chuyển đến vị trí với chi phí thấp nhất và phạm vi phủ sóng tối đa trong khi vẫn đảm bảo an toàn. Phương pháp là hiện thực hóa tính thông minh của tất cả các khâu trong quy trình dịch vụ đường sắt đô thị với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, tức là "dịch chuyển +". Do đó, cần phải tận dụng tối đa các công nghệ truyền thông thông tin tiên tiến, trí tuệ nhân tạo, Internet vạn vật, dữ liệu lớn, robot và các công nghệ khác, lấy nhận thức tự động, học tập tự động, ra quyết định tự động và điều khiển tự động làm các quy trình xử lý cốt lõi, và cung cấp cho hành khách các dịch vụ dịch chuyển hiệu quả, chính xác và cá nhân hóa trên cơ sở quản lý và kiểm soát tối ưu hóa thiết bị và cơ sở vật chất, từ đó xây dựng một hệ thống đường sắt đô thị thế hệ mới an toàn hơn, hiệu quả hơn, thoải mái hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Thông tin về thời gian và không gian là nền tảng để hiện thực hóa hoạt động tự động, quản lý chính xác và dịch vụ cá nhân hóa toàn thời gian của hệ thống đường sắt đô thị thông minh.Do đó, việc xây dựng hệ thống đường sắt đô thị thông minh cần phải đạt được sự phát triển tích hợp với hệ thống Beidou, hệ thống cung cấp thông tin không gian-thời gian.

Xu hướng phát triển tương lai của đường sắt đô thị là thúc đẩy giao thông thông minh an toàn, tiện lợi, tiết kiệm, hiệu quả và thân thiện với môi trường theo mô hình "dịch chuyển +"; trong khi đó, xu hướng phát triển của hệ thống Beidou là tăng cường sức mạnh cho ngành vận tải đường sắt theo mô hình "+Beidou" (nghĩa là sử dụng công nghệ Beidou như một phương tiện hỗ trợ, sử dụng thông tin không gian-thời gian như một phương pháp ứng dụng, kết hợp với các công nghệ và mô hình kinh doanh độc đáo của các ngành khác hoặc thay thế các giải pháp ứng dụng truyền thống) để thúc đẩy sự chuyển đổi và nâng cấp. "Dịch chuyển + Beidou", với tư cách là khái niệm cốt lõi của sự phát triển tích hợp hệ thống Beidou và đường sắt đô thị thông minh, sẽ làm phong phú thêm các ứng dụng công nghệ và hệ sinh thái công nghiệp của đường sắt đô thị và hệ thống Beidou, thúc đẩy sự phát triển toàn diện của cả hai, và từ đó thúc đẩy việc thực hiện chiến lược quốc gia.

Phát triển tích hợp hệ thống Beidou và tàu điện ngầm thông minh

#02

Nhu cầu về hệ thống đường sắt đô thị thông minh đối với hệ thống Beidou

① Chuẩn mực không gian-thời gian

Là một hệ thống vật lý-mạng phức tạp điển hình, đường sắt đô thị thông minh bao gồm nhiều hệ thống thông tin khác nhau như điều khiển tàu tự động (ATC), thu phí tự động (AFC), tự động hóa quản lý hệ thống cung cấp điện (SCADA), giám sát môi trường (BAS) và báo cháy (FAS). Để hoạt động tự chủ, các hệ thống thông tin phức tạp này phải được tích hợp để nhận biết, xử lý, đưa ra quyết định và điều khiển lượng lớn thông tin không gian và thời gian. Do đó, việc thiết lập một chuẩn mực không gian-thời gian thống nhất càng trở nên cần thiết hơn để tránh nguy cơ xung đột thông tin không gian-thời gian và gây nguy hiểm cho hoạt động an toàn của đường sắt đô thị.Bằng cách áp dụng hệ thống Beidou và hệ tọa độ CGCS2000 (hệ tọa độ trắc địa quốc gia mới nhất ở nước tôi) cung cấp các dịch vụ định vị và dẫn đường, hệ thống đường sắt đô thị có thể có được một hệ quy chiếu không gian-thời gian thống nhất, tự chủ và có thể điều khiển được.

Ngoài ra, môi trường không gian nơi đường sắt đô thị tọa lạc rất phức tạp, với sự cùng tồn tại của không gian lộ thiên và không gian kín. Việc chỉ dựa vào hệ thống định vị vệ tinh không thể đáp ứng được nhu cầu ứng dụng hiện tại. Bằng cách đưa tham chiếu không gian-thời gian tuyệt đối của hệ thống Beidou vào không gian kín của đường sắt đô thị và duy trì nó một cách năng động, một mặt, có thể thống nhất vị trí tương đối của không gian kín và vị trí tuyệt đối của không gian lộ thiên, đồng thời hiển thị và ứng dụng vị trí của không gian kín trong đường sắt đô thị dưới dạng hệ tọa độ tuyệt đối; mặt khác, có thể thống nhất thời gian và đạt được sự đồng bộ hóa thời gian trong không gian kín.

②Số hóa không gian

Due to the complex spatial environment of urban rail, mastering rich and accurate geographical information is the basis for the construction and operation of smart urban rail. Spatial digitization, i.e.构建数字化的地理信息空间数据框架 (Khung dữ liệu không gian địa lý kỹ thuật số, DSDF)Đây là sản phẩm của sự phát triển và tích hợp công nghệ khảo sát và lập bản đồ, công nghệ thông tin địa lý và các công nghệ thông tin hiện đại khác.

Với sự tiến bộ của các phương tiện kỹ thuật, công nghệ khảo sát và lập bản đồ đang phát triển theo hướng số hóa ba chiều, kết nối mạng, thời gian thực và trực quan hóa việc thu thập thông tin, xử lý dữ liệu và ứng dụng kết quả. Cần có ứng dụng số hóa không gian với mô hình hóa thực tế ba chiều làm cốt lõi. Trong xây dựng đường sắt đô thị thông minh, cần sử dụng chuẩn mực không gian-thời gian của hệ thống Beidou để sử dụng các công cụ khảo sát và lập bản đồ gắn tại nhà ga, chổi quét, ba lô, thiết bị cầm tay và các thiết bị thu thập dữ liệu thông tin địa lý khác để tiến hành khảo sát các phòng máy tính, sảnh ga, đoạn đường, kho bãi và nhà kho trong không gian ngầm và trên mặt đất của đường sắt đô thị. Ở những nơi khác, chúng ta thu thập dữ liệu đám mây điểm laser 3D xung quanh các cấu trúc không gian, thiết bị và cơ sở vật chất, vật tư tiêu hao và các yếu tố khác, và bổ sung thêm thông tin dữ liệu như ảnh chụp tại chỗ và kết cấu để tạo ra một bộ mô hình 3D thực tế chi tiết với đầy đủ các yếu tố nhằm hiện thực hóa số hóa không gian của đường sắt đô thị.

Sử dụng các dữ liệu trên, các nhân viên liên quan có thể tạo ra bản đồ có độ chính xác cao, phân loại tài nguyên không gian, nắm bắt cấu trúc không gian cũng như các cơ sở vật chất và thiết bị của hệ thống đường sắt đô thị, cung cấp thông tin địa lý chính xác và toàn diện cho việc quy hoạch, xây dựng, cải tạo và bảo trì hệ thống đường sắt đô thị thông minh, đồng thời cung cấp thông tin cơ bản quan trọng và hỗ trợ kỹ thuật cho việc sử dụng không gian và quản lý tinh gọn. Là một ứng dụng kịch bản mới của công nghệ Beidou trong hệ thống không gian-thời gian, số hóa không gian đã mang lại sức sống mới cho sự phát triển của hệ thống đường sắt đô thị thông minh.

③ Định vị và định thời gian chính xác cao

Thông tin không gian và thời gian có độ chính xác cao là nền tảng để xây dựng hệ thống đường sắt đô thị thông minh. Dữ liệu giao thông là một loại dữ liệu không gian-thời gian điển hình, không chỉ có thuộc tính chiều thời gian mà còn phụ thuộc mạnh mẽ vào cấu trúc không gian.

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.In the non-exposed space of urban rail, due to the shielding of walls (especially reinforced concrete), satellite positioning signals will be significantly weakened after passing through buildings, and the positioning accuracy will be greatly reduced, and the signal may even be unable to be received.

• Nhiều vật cản và nguồn gây nhiễu.Trong hệ thống đường sắt đô thị, có nhiều loại chướng ngại vật khác nhau, chẳng hạn như cột đèn, thang máy, thang cuốn, thiết bị, cửa chắn và người đi bộ. Bố cục cũng khác nhau. Thêm vào đó, người đi bộ và phương tiện giao thông di chuyển liên tục, và tín hiệu sẽ bị phản xạ nhiều lần. Những yếu tố không chắc chắn này khiến môi trường đường sắt đô thị trở nên vô cùng phức tạp. Tình trạng này đặc biệt nổi bật trong tàu điện ngầm, bởi vì môi trường tàu điện ngầm tương đối khép kín, và sự nhiễu loạn phức tạp từ môi trường như tín hiệu vô tuyến, âm thanh, ánh sáng và nhiệt độ sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác của các cảm biến thiết bị định vị.
  

• Định vị độ cao là khó khăn.Trong môi trường tàu điện ngầm, không chỉ vị trí của mặt phẳng hai chiều cần được xem xét, mà còn cả vị trí và độ cao của các tầng trên mặt đất và tầng hầm đối với các tòa nhà nhiều tầng.
  

• Rất khó để phát triển các thiết bị đầu cuối ứng dụng.Urban rail requires miniaturization, personalization, and combined application terminals, and solves problems such as component optimization design, material selection, precision manufacturing, deep component integration, real-time sensor calibration, and adaptive fusion of sensor output information. Researchers should start from the above four aspects and conduct targeted research to solve the above problems, so as to provide high-precision space and time information for the construction and operation of smart urban rail and ensure its smooth progress.

#03

Triển vọng ứng dụng hệ thống Beidou trong đường sắt đô thị thông minh

① Xây dựng mạng lưới hệ thống không gian-thời gian

Hệ thống đường sắt đô thị thông minh cần xây dựng một mạng lưới không gian-thời gian tự động và có thể điều khiển được.

Trước những vấn đề như khả năng định vị và dẫn đường hạn chế của hệ thống Beidou trong không gian kín, thiếu phương tiện truyền thông tốc độ cao và thiếu thông tin địa lý toàn diện, cần áp dụng toàn diện công nghệ "Beidou + 5G + số hóa không gian" để xây dựng mạng lưới hệ thống không gian-thời gian "ba mạng lưới, một nền tảng" bao gồm mạng định vị chính xác cao, mạng đồng bộ thời gian chính xác cao, mạng truyền thông tốc độ cao và nền tảng số hóa không gian. Từ đó hình thành mạng lưới thông tin tham chiếu không gian-thời gian cho đường sắt đô thị và sử dụng nó làm cơ sở hạ tầng cho việc xây dựng và vận hành đường sắt đô thị thông minh, cung cấp thông tin không gian và thời gian thống nhất và liên tục, cũng như các dịch vụ định vị, thời gian và truyền thông cho đường sắt đô thị, từ đó bổ sung, tăng cường và hỗ trợ các ứng dụng của hệ thống Beidou trong không gian kín, phá vỡ rào cản giữa không gian kín và không gian kín của đường sắt đô thị.

Xây dựng mạng lưới hệ thống đường sắt đô thị thông minh theo không gian và thời gian.

②Các mốc thời gian-không gian công nghệ then chốt cần phải vượt qua

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.

In terms of positioning, it is necessary to use ultra-wideband (UWB) positioning technology as the dominant positioning technology on a unified spatial benchmark, supplemented and enhanced by multiple positioning technologies, and through the integration of navigation and positioning software and algorithms to achieve continuous positioning in exposed and non-exposed spaces; through the comprehensive PNT system invested and constructed by the state and the micro-PNT system developed by miniaturized, personalized, and combined service terminals, high-precision location services can be provided.

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.

Về mặt truyền thông, cần phát triển hệ thống phân phối trong nhà cho đường sắt đô thị và các thuật toán phân chia thời gian cho dịch vụ tàu điện ngầm để hiện thực hóa ứng dụng truyền thông thông lượng cao. Ngoài ra, khi quá trình xây dựng hệ thống tiến triển, cũng cần phải đột phá một loạt các công nghệ then chốt được hệ thống Beidou sử dụng trong đường sắt đô thị thông minh.

③Dịch vụ ứng dụngApplication 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.

• Về mặt vận hành thông minh, thông qua hệ thống Beidou, thông tin vị trí chính xác theo thời gian thực của nhà ga, nhân viên quản lý và xây dựng có thể được thu thập. Trên cơ sở đó, công nhân đường sắt đô thị có thể được quản lý chính xác thông qua việc xây dựng hàng rào điện tử, điểm danh và ký tên điện tử, phân tích đánh giá hiệu suất, v.v. Định vị tàu là yếu tố đảm bảo cho hoạt động an toàn và hiệu quả của các tuyến đường sắt đô thị. Việc sử dụng hệ thống Beidou có thể giúp định vị tàu chính xác hơn, dự phòng hơn, tự chủ hơn, tích hợp sâu hơn và liên kết hiệu quả hơn.

• Về mặt bảo trì thông minh, các cơ sở vật chất và thiết bị đường sắt đô thị rất phức tạp, tự động hóa cao và có quy mô tài sản lớn. Việc bảo trì và quản lý chúng có liên quan trực tiếp đến sự an toàn và độ tin cậy của hoạt động đường sắt đô thị. Việc xác định chính xác vị trí của các cơ sở vật chất và thiết bị thông qua hệ thống Beidou có thể thực hiện việc kiểm kê tự động tài sản và thiết bị dựa trên vị trí chính xác trong hệ thống quản lý tài sản, tạo ra một chuỗi khép kín gồm giám sát tình trạng, chẩn đoán lỗi, cảnh báo rủi ro, đánh giá bảo trì và quản lý tài sản.

• Về dịch vụ khách hàng thông minh, sử dụng hệ thống Beidou, hành khách có thể nhanh chóng tìm kiếm và lên kế hoạch tuyến đường đến các máy bán vé tự động, máy bán hàng tự động, nhà vệ sinh và các tiện ích dịch vụ khác bên trong và bên ngoài các ga tàu điện ngầm; họ cũng có thể thực hiện các chức năng như định vị tự phục vụ, thiết bị đầu cuối di động thông minh và dịch vụ hướng dẫn bằng robot dựa trên bản đồ kỹ thuật số đa chiều và đa lớp, từ đó có thể cung cấp cho hành khách dịch vụ du lịch toàn thời gian, cá nhân hóa dựa trên nhu cầu đi lại của hành khách.

#04

Kết luận

Thông tin về thời gian và không gian đã trở thành thông tin cơ bản trong sản xuất và đời sống hiện đại. Sự phát triển của hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh đã thay đổi hoàn toàn lối sống của con người, đồng thời thay đổi cả mô hình quản lý của xã hội và doanh nghiệp. Với việc hoàn thiện và thúc đẩy ứng dụng hệ thống Beidou, việc xây dựng và phát triển hệ thống đường sắt đô thị thông minh của nước ta đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với các chuẩn mực không gian-thời gian, số hóa không gian, định vị và định thời gian chính xác cao.

Trong tương lai, hệ thống Beidou và đường sắt đô thị thông minh có nhiều không gian và tiềm năng để tích hợp. Cốt lõi là việc xác định hệ thống định vị, thời gian và vị trí (PNT) dựa trên các kịch bản ứng dụng đường sắt đô thị, đột phá các công nghệ then chốt và xây dựng mạng lưới không gian-thời gian "ba mạng lưới và một nền tảng". Việc ứng dụng và thúc đẩy hệ thống Beidou sẽ tạo ra các điều kiện cơ bản tối ưu cho sự chuyển đổi thông minh của đường sắt đô thị.

Tài liệu tham khảo:

Lin Luzhou, Li Yujie, Deng Pingke, et al. Ứng dụng và triển vọng của hệ thống Beidou trong đường sắt đô thị thông minh [J]. Vận tải đường sắt đô thị hiện đại, 2021 (4):6-10.


Nội dung này được lấy từ Internet/Beidou Today. Trang web này chỉ cung cấp bản sao chép. Quan điểm, lập trường, công nghệ, v.v. trong bài viết này không liên quan gì đến trang web này. Nếu có bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ!