5G通信技术在轨道交通中的应用研究

5G通信技术在轨道交通中的应用研究

葛锡江

天津滨海新区轨道交通运营管理有限公司设备部 天津 300000

摘要：截至2021年8月，中国内地共计有49座城市投运轨道交通线路8400公里，我国城市轨道交通线网和客流规模均居世界第一。城轨车辆密度或将达到7.4辆/公里。轨道交通安全、正点、高效运行对城市运营至关重要。随着信息技术的发展，全自动无人驾驶技术在部分城轨中得到应用，地铁建设、运营、维护智能化的要求越来越迫切，地铁运行信息的采集、交流尤为重要。目前地铁建设中，车地之间的无线网络部分主要有承载地铁无线语音集群调度的Tetra系统、承载视频类业务的大宽带WLAN系统和承载列车控制信号及集群调度业务的LTE系统，为满足不同用途需求和安全等级需求，整个地铁项目组织不同无线网络。

关键词：轨道交通；5G通信技术；应用

1、5G传输业务需求分析

1.1列车视频数据转存

铁总建设[2016]18号《中国铁路总公司关于发布设计时速200km及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知》要求采用高清化监控，《中华人民共和国反恐怖主义法》规定车载视频录像存储需由30天增加到90天，而目前列车实际存储能力不能达到以上要求。每列列车的车载摄像机有40余个，每路的传输速率为2Mbit/s,需硬盘的存储容量为11×6T。在列车的震动环境下，车载机械硬盘容易损坏，且人工拷取耗时耗力。采用5G无线通信技术可将视频数据转储到地面，读取便捷；存储设备大部分设置在机房内，减少了车载存储设备的数量；机房环境比车载环境稳定，因此机械硬盘使用寿命更长，不易损坏。同时通过5G传输网络，也可将车载视频转送至车辆段、控制中心、线网中心等监控平台，各平台能够对车内视频进行实时监控。

1.2车辆运行状态数据转存

每天每列列车的运行监测数据量大约为2.3GB,含受电弓网监测数据和车辆相关记录数据。信号系统车载设备每天每列列车的运行数据大约为500MB。由于未采用无技术手段无线传输，故需每次收车后人工上车复制。通过5G传输，可以将以上数据实时传送给各管理部门，极大减少人工成本，提高运营管理效率。

2、地铁5G网络布置方案

2.1地铁建设网络需求

2.1.1辅助运行数据

列车与地面之间最大数量的无线通信信息是综合监控数据的传输。列车与地面之间的视频和语音服务是占用带宽最多的服务。中央调度员需要实时查看车厢内的情况，以做出正确合理的调度决策。车厢内不同位置的视频监控信息需要实时传输到中央控制中心。同时，列车司机与中心之间的语音服务、乘客与中心之间的语音服务以及其他调度辅助数据对提高地铁服务质量、帮助调度做出合理决策起到了很大的作用。

2.1.2列车运行安全数据

除了与安全有关的辅助运行数据外，与列车运行安全有关的控制数据不仅需要专用网络，还需要非常高的安全性和可靠性。这些数据主要包括CBTC业务信息、车辆和列车管理信息等，在列车运行过程中，需要将自身的位置信息实时传输到轨旁系统进行安全计算。同时，轨旁系统根据实时列车位置信息将计算出的安全运行终点传输到车载，以确保列车在信息交互和传输延迟时间内不会与其他列车发生冲突。列车控制信息的传输具有高实时性和高可靠性，可以实现列车的安全运行。

2.2城域5G通信方案

受轨道交通无线专网带宽限制，在目前的地铁建设中，只有与安全相关的控制信息采用独立组网的方式，无法满足车辆广播、视频、多媒体等大数据流的信息通信需求。根据5G通信网络的技术特点，探索在地铁建设中建立基于5G通信技术的无线网络，实现列车多业务信息的实时可靠传输，可全面提高地铁线路运营安全和服务质量。

地铁5G网络的结构是通过设置在轨旁的5G基站连接控制中心的核心网络，建立车地高速无线信道。在地铁线路中，在不同区域建立了车载网络、站厅网络、回程网络和中心核心网络。列车与地面的通信通过车载网络的接入单元实现，列车位置信息通过返回网络实时传输到轨旁信号设备。同样，轨旁信号设备计算的控制列车运行信息和中央调度命令通过返回网络实时传输到车载系统，实现车地之间的高速、实时、安全传输。特别是在无人驾驶地铁工程中，列车的安全控制信息能够可靠、实时地传输，实现列车的高速、安全运行。

3、轨道交通5G通信技术应用场景

3.1列车智能控制

地铁项目的无人驾驶功能已经成熟。受车地控制信息传输时延和带宽的限制，无人驾驶列车的控制精度有待提高。在全自动无人驾驶项目中，信号系统主要通过车地信息的交互来控制列车，为在线列车提供实时的安全包络线。当轨旁系统根据列车发送的定位报告计算包络线时，由于列车在车地信息传输过程中仍在高速运行，列车在信息传输延迟过程中行驶的距离决定了系统对列车的控制精度。为了计算防护列车的安全性，信号系统在计算每列车的安全包络线时，将确保在最不利的条件下不会冲出安全包络线。

当接收到列车定位信息时，轨旁设备计算列车的当前位置。为了防止列车冲出包络线，系统根据列车定位报告中的位置信息，根据最大速度和最坏延误计算列车的安全防护包络线。在路线图中，列车的实际位置可能存在于相应保护起点和保护终点的范围内。为了跟踪和保护系统中的其他列车，它们只能到达列车包络线的末端。当车速恒定时，保护包络线长度与列车实际长度之间的误差直接取决于车地信息的传输延迟。轨旁5G通信网络的高速传输和极低的时延可以使列车包络线更接近列车的实际位置，提高列车的控制精度。

3.2智能操作和维护

地铁开通后，运营线路的维护和运营故障的诊断与处理是衡量地铁运营质量和服务水平的重要指标。目前，由于专网无线传输的带宽限制，大量列车运行日志信息无法实时传输。当列车运行过程中出现故障时，列车必须尽快离线，然后前往检修段、场，人工上车，复制运行日志，分析故障问题。通过应用5G通信技术，带宽大、时延低，车载运行日志实时上传至智能运维平台，维护人员通过运维平台终端实时查看列车运行日志。

同时，根据列车的运行状态和维护记录，建立每列车的健康履历表，根据当前列车的基本信息和运行状态判断列车的健康状况，当列车处于不利于运营的状态时，通过维修平台及时通知维修人员及相关部门进行维修。

列车发生故障时，应在第一时间进行维修。通过运维数据的积累，加上云计算和智能算法，可以对列车进行全方位的运行态势感知、故障诊断和健康管理，对列车运行状态信息进行实时后台智能分析。当发现列车运行状态恶化时，应及时向维修人员发出预警，以便提前发现问题，提高列车在线维修水平，减少故障的发生，实现安全生产，城市轨道交通移动设备全生命周期高效智能化管理。

3.3灾害预防和预警

地铁线路多为地下封闭环境。区间火灾或洪水将直接影响列车运行和乘客安全，尤其是无人驾驶列车。对于中央调度联动系统来说，为了及时应对突发事件，对区间和机房环境监测信息的采集和处理是非常必要的。

在区间和机房的不同位置设置分布式洪水监测、火灾探测、视频监控等设备。当区间或机房发生火灾或洪水时，根据区间火灾探测、区间视频监控数据和洪水监控信号，采用5G通信技术将监控信息实时反馈到中央汇聚核心网。经过计算，控制中心核心设备与消防、PIS等子系统联动，按照预设的场景处理条件进行同步处理。同时，中央调度员根据现场计算、处理建议、机房和区间的实时视频监控信息，判断当前列车运行环境，及时做出调度决策。

通过对大量区间监测数据的聚合和积累，以算法为中心，通过数据集成，建立线网级的智能现场应急处置平台，提高无人驾驶列车运行的安全性和运行调度能力。

3.4 客流量的密度检测

在一些大中城市，交通压力日益增长，轨道交通的运行压力也越来越大，有些地方的轨道交通已经处于超负荷运转的状态，实际载客量已经超过了设定的载客量，特别是每天的早高峰和晚高峰时段，客流量激增，不仅加重了轨道交通的载客负担，也存在着较大的安全隐患。有些城市采取了增加列车数量、增加站台长度的措施，以解决这些问题，但是人们的乘车习惯往往很难改变，大多数乘客都会选择就近上车，因此会造成各车厢拥护程度不均匀，有些车厢很宽松，而有些车厢则会拥挤。基于5G技术的客流量密度检测分析功能在此时就会发挥非常重要的作用，通过各个车厢内安装的高清监控设备，对每个车厢的客流量信息进行采集、分析，利用车厢拥挤度分析模型进行计算，将结果再利用5G网络上传到车载PIS数据服务器，及时发布各车厢内的拥护数据，在站台上也随时显示每个车厢内乘客的拥护状态，对拥护状态可采用红、黄、绿三种颜色进行区分，引导乘客分流乘坐轻轨列车。利用轻轨列车上的高清摄像机，在车头、车尾增加旁路视频分析服务器，对于信息的显示、播报等完全可以使用其他既有设备。将车厢乘客密度检测系统与车载CCTV相结合，仅仅需要在车头、车尾位置增加视频分析服务器，有效降低了投资，并简单实用。

3.5建立列车与地面之间的高速通道

在列车快速运行过程中对信息的传输要求是非常高的，在运用了5G技术之后在列车与地面之间构建了高速通信通道，从而实现了列车图像的高速传输。利用5G网络技术在车与地面之间构建的无线网络能够将列车上收集到的图像、视频快速传输到地面，完成数据的转存处理，还可以进行统一的管理，提高对列车运行的管控效率。利用5G网络技术可以对列车运行状况进行实时的监控，当前车厢内发生突发事件时能够快速响应，从而提高轨道交通安全运行的能力，保证广大乘客的公共安全。在控制中心可以随时高速下载列车上的监控视频与图像数据信息，以供控制中心进行分析。在智慧运营管理系统中建立基于5G网络的信息通道，打造包括基础设施层、能力平台层与智慧应用层的一体化运营管理平台，使整个系统具有了智能感知、智能联动、智能分析的能力，为上层运营、服务、运维等等智慧应用场景提供技术支持。

3.6轨道交通智能客服机器人

据报道，北京轨道交通首次使用了具有人工智能交互能力的智能客服机器人，可以引导乘客到达购票点、出入口、换乘通道等指定地点，还可以解答乘客的一些问题，例如票务信息、日常问询等，还可能利用查询功能了解列车时刻、出行线路、站内与站外地图等等。智能客服机器人是通过5G网络获取的各种数据信息，再利用语音识别、人脸识别、体感交互、导航系统等技术，达到人机交互的能力，为众多乘客提供便捷服务，这在没有5G网络技术的时候是无法完成的。

结论

5G通信技术在轨道交通中的应用和发展，将加快智慧交通的建设，通过大数据平台的建设和基础运行数据的智能分析，智能运维、智能监控等智慧联动场景的建设，各种远程辅助调度手段的应用，将大大减少地铁运营的维护成本，提高运营效率，提升地铁服务质量，助力智慧地铁走向智慧化、智能化，为乘客提供更便捷、安全、高效的乘车服务。

参考文献：

[1]尤星.城市轨道交通中5G通信技术应用与研究[J].信息通信，2020(8):258-259.

[2]李士东，戴克平.5G在城市轨道交通行业中的应用分析[J].铁道通信信号，2020,56(7):89-93.

[3]鲍捷.城市轨道交通中5G通信技术的应用探讨[J].通讯世界,2019,26(08):22-23.

[4]林昊.5G通信技术在城市轨道交通中的应用[J].集成电路应用,2020,37(08):128-129.