高速動(dòng)車組中5G技術(shù)應(yīng)用探討

張?jiān)螺x

摘 要 隨著中國(guó)高速軌道交通的快速發(fā)展以及5G技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速建設(shè)，如何更好地在高速動(dòng)車組上應(yīng)用5G技術(shù)，已成為當(dāng)前需考慮的問(wèn)題，文章將現(xiàn)階段高速動(dòng)車組車地通信技術(shù)應(yīng)用與5G技術(shù)特點(diǎn)和可預(yù)見(jiàn)的5G技術(shù)應(yīng)用結(jié)合，探究5G技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的可行性及存在問(wèn)題，為后續(xù)5G技術(shù)在相關(guān)軌道車輛中的應(yīng)用提供研究方向。

關(guān)鍵詞 5G通信技術(shù) 高速動(dòng)車組 車地通信

中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）02-0004-02

在“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的規(guī)劃下及以“國(guó)之重器”為引領(lǐng)，塑造高速動(dòng)車組國(guó)內(nèi)“創(chuàng)新引領(lǐng)者”、國(guó)際“創(chuàng)新推動(dòng)者”的品牌建設(shè)戰(zhàn)略下，5G通信技術(shù)的發(fā)展，將成為高速動(dòng)車組自主創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新，推進(jìn)廠供一體化科技創(chuàng)新體系完善，加快新能源、新材料、環(huán)境治理、動(dòng)力裝置等新產(chǎn)業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，促進(jìn)傳感、網(wǎng)絡(luò)傳輸、人工智能、信息物理融合等技術(shù)研究與應(yīng)用，不斷提升產(chǎn)品智能化水平強(qiáng)有力的保障和必備條件[1]。

1 5G通信技術(shù)較4G通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

相比4G網(wǎng)絡(luò)，作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有增強(qiáng)移動(dòng)帶寬eMBB、超可靠低時(shí)延uRLLC及廣覆蓋大連接mMTC三大特點(diǎn)。5G技術(shù)的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接?；?G技術(shù)的車地通信，可以實(shí)現(xiàn)更高速率、更低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸。

2 5G通信技術(shù)對(duì)高速動(dòng)車組的重要性

國(guó)內(nèi)軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)落地通信功能，使高速動(dòng)車組具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，為遠(yuǎn)程技術(shù)支持及動(dòng)車組健康狀態(tài)監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。而5G通信技術(shù)可以在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮短信息傳輸?shù)臅r(shí)間、提高傳輸信息密度及信息量，從而為高速動(dòng)車組的正常運(yùn)行提供了更豐富且堅(jiān)實(shí)的保障。

無(wú)線通信技術(shù)在保證信息傳輸?shù)募皶r(shí)性和可靠性的同時(shí)，在一定的程度上大大地提高了動(dòng)車組故障處理能力。除此之外，5G通信技術(shù)的發(fā)展，還將進(jìn)一步推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，而基于高速動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)信息安全的導(dǎo)向，可研究其裝置部件單向信息聯(lián)網(wǎng);而5G通信技術(shù)應(yīng)用推廣，必將提高高速動(dòng)車組的全壽命檢修模式、促進(jìn)軌道交通產(chǎn)業(yè)升級(jí)，從而推進(jìn)軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度與寬度，乃至向互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)型[2]。

3 5G通信技術(shù)在高速動(dòng)車組的應(yīng)用

3.1高速動(dòng)車組現(xiàn)狀概況

中國(guó)高速動(dòng)車組從引進(jìn)吸收到現(xiàn)在的“八縱八橫”高鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置并積累了各類部件、各種維度的海量數(shù)據(jù)、豐富多樣的一二級(jí)檢修技術(shù)、不斷完善的高級(jí)修檢修數(shù)據(jù)、種類多樣的系統(tǒng)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)、動(dòng)車組自身數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、地面實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)、車地通信數(shù)據(jù)、CTCS2/3級(jí)列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)、司機(jī)防猝死/監(jiān)控技術(shù)等等。但是此類技術(shù)未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及貫通，或僅實(shí)現(xiàn)了部分現(xiàn)車數(shù)據(jù)落地，同時(shí)也受限于4G通信技術(shù)的傳輸速度、高鐵線路上的城市智能化發(fā)展和高鐵站點(diǎn)智能配置等。

3.2 5G通信技術(shù)的應(yīng)用

基于高速動(dòng)車組通信技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和限制及5G技術(shù)較4G通信的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)制定相同構(gòu)架、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一和建立共享合作交互的數(shù)據(jù)，由國(guó)鐵集團(tuán)牽頭數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)，各企業(yè)/路局各單位共同配合，通過(guò)企業(yè)/路局各單位內(nèi)網(wǎng)、國(guó)鐵機(jī)輛平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、城市智能化發(fā)展等載體。不斷完善企業(yè)/路局各單位重要系統(tǒng)部件數(shù)據(jù)采集和傳輸范圍，充分利用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合城市發(fā)展規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組在制造/運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)、列車各相關(guān)部件的監(jiān)控和檢測(cè)數(shù)據(jù)的落地回傳和地面檢測(cè)異常推送、智能化列車、影音體驗(yàn)/高鐵網(wǎng)與城市網(wǎng)協(xié)同發(fā)展等，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組制造企業(yè)以檢修數(shù)據(jù)、故障預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為依托建立的運(yùn)用安全模型共享，指導(dǎo)保障動(dòng)車組現(xiàn)車運(yùn)用、檢修預(yù)測(cè)、故障預(yù)警和數(shù)字化視情維修建議，實(shí)現(xiàn)依托高速動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)的城市智能化推廣建設(shè)和依托城市智能化發(fā)展的高速動(dòng)車組智能化體驗(yàn);確保動(dòng)車組運(yùn)用安全，降低檢修運(yùn)用成本，支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)和修程修制改革，支持高速動(dòng)車組與城市網(wǎng)絡(luò)的智能化發(fā)展。以下是對(duì)系統(tǒng)功能可提升、可預(yù)見(jiàn)的應(yīng)用進(jìn)行探究。

3.2.1 提升數(shù)據(jù)落地質(zhì)量

高速動(dòng)車組已實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)落地，但數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔長(zhǎng)（10s乃至30s一次）、數(shù)據(jù)傳輸量小、數(shù)據(jù)落地穩(wěn)定性不高，而5G技術(shù)應(yīng)用可提高數(shù)據(jù)落地穩(wěn)定性、增大數(shù)據(jù)量、縮短數(shù)據(jù)傳輸間隔。

3.2.2 提升乘坐體驗(yàn)

結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，打通乘客信息、城市景點(diǎn)信息、互聯(lián)網(wǎng)信息與列車影音娛樂(lè)的連接，提升乘坐體驗(yàn)，如身份（人臉）識(shí)別與座位提醒/到站提醒、城市景區(qū)推送及VR虛擬體驗(yàn)、海量互聯(lián)網(wǎng)視訊資源、列車智能餐飲等等。同時(shí)需身份識(shí)別設(shè)備、VR設(shè)備產(chǎn)業(yè)等配套發(fā)展，城市旅游業(yè)等協(xié)同開發(fā)及發(fā)展。

3.2.3 豐富遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)種類

高速動(dòng)車組已實(shí)現(xiàn)車地通信的故障數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)、軸溫檢測(cè)數(shù)據(jù)和側(cè)重于4G通信傳輸速率可支持的故障導(dǎo)向的數(shù)據(jù)。基于5G技術(shù)，可進(jìn)一步建立完善高速動(dòng)車組關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)貫通，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，提供列車運(yùn)營(yíng)監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢，實(shí)時(shí)獲取鐵路地面檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)（如THDS-紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)、TFDS-車輛輪對(duì)故障/尺寸動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、TCDS-客車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)、TEDS-動(dòng)車組運(yùn)行故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)）進(jìn)行車底設(shè)備狀態(tài)判斷，列車運(yùn)行數(shù)據(jù)下載、基于溫度轉(zhuǎn)向架故障預(yù)測(cè)和制動(dòng)不足故障預(yù)測(cè)等。

一是利用5G技術(shù)解決以往網(wǎng)絡(luò)存在的帶寬及傳輸速率的限制的數(shù)據(jù)回傳，如受電弓視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、走線部件的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)、配電柜煙霧濃度及煙火報(bào)警數(shù)據(jù)。二是豐富監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)種類，通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)車組裝置部件及可輸入信息的監(jiān)測(cè)，提升運(yùn)用維護(hù)技術(shù)、全壽命周期數(shù)據(jù)收集及預(yù)測(cè)技術(shù)，如蓄電池電壓監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估、基于運(yùn)行里程的檢修周期智能提醒、動(dòng)車組參數(shù)設(shè)置糾錯(cuò)提醒、線路環(huán)境信息智能提醒。三是將地面軌道鋪設(shè)如TEDS、THDS等5T系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳至車輛信息，并進(jìn)行異常推送系統(tǒng)，同時(shí)異常信息可傳輸至各動(dòng)車組造修企業(yè)進(jìn)行信息共享。

3.2.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)升級(jí)

5G技術(shù)將是智能動(dòng)車組的重要應(yīng)用，動(dòng)車組需要監(jiān)控維護(hù)的設(shè)施眾多，運(yùn)用秩序及運(yùn)用安全、維護(hù)任務(wù)繁重，可利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集各類設(shè)備狀態(tài)信息，回傳到至地面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)處理。一是動(dòng)車組供應(yīng)商利用互聯(lián)網(wǎng)思維，升級(jí)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組各系統(tǒng)裝置軟硬件信息檢測(cè)，通過(guò)車地通信傳輸至地面系統(tǒng)，進(jìn)行履歷信息智能收集及變更管理，推送檢修修程建議、精細(xì)化管理檢修內(nèi)容;二是實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備軟件遠(yuǎn)程升級(jí)，減少駐站到站升級(jí)場(chǎng)景，縮減人員物資成本。

3.2.5 列車運(yùn)行控制車載設(shè)備

現(xiàn)有動(dòng)車組主要采用CTCS-2/3列控系統(tǒng)，實(shí)施閉塞區(qū)間運(yùn)行管理，可將5G通信 技術(shù)應(yīng)用到了列車控制系統(tǒng)中。通過(guò)5G通信端到端通信技術(shù)，讓列車設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信不需要基站的傳輸，作為冗余通信方法。當(dāng)列控系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，它可以讓列車直接相互通信，并相互報(bào)告各自的位置信息以及運(yùn)行狀態(tài)信息，輔助保障列車的安全運(yùn)行。

4 存在的問(wèn)題

4.1 系統(tǒng)性價(jià)比問(wèn)題

5G系統(tǒng)頻率高、傳輸衰減增加、部署更密集，在小基站、大規(guī)模天線陣列的部署上將會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)備投資。中國(guó)高鐵長(zhǎng)度長(zhǎng)、地理范圍廣，5G設(shè)備基站建設(shè)及高鐵線路全覆蓋實(shí)現(xiàn)，需要國(guó)家、鐵路整體規(guī)劃投入。5G發(fā)展初期的投資、性價(jià)比將是重點(diǎn)考慮問(wèn)題。

4.2 配套裝置的協(xié)同發(fā)展

實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的多樣性、乘坐體驗(yàn)升級(jí)，需要高鐵產(chǎn)業(yè)、配套供應(yīng)商產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)思維，從整車技術(shù)、終端裝置、地面數(shù)據(jù)中心、運(yùn)維管理系統(tǒng)共同升級(jí)。

4.3 系統(tǒng)安全問(wèn)題

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)多樣性、更多終端裝置接入、車地雙向數(shù)據(jù)交互等都對(duì)系統(tǒng)的信息安全、服務(wù)器承載帶來(lái)極大的壓力，需研究設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)防護(hù)措施和影音信息的過(guò)濾機(jī)制，乃至建立互聯(lián)網(wǎng)信息與車載網(wǎng)絡(luò)信息兩套完全獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，避免關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和重點(diǎn)設(shè)備受到威脅和攻擊、消除不良公共影音資訊的傳播，需要深入的研究和探討。

5 結(jié)語(yǔ)

基于5G技術(shù)和下一代智能動(dòng)車組發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)測(cè)控制技術(shù)可以加強(qiáng)對(duì)高速鐵路系統(tǒng)的信息管理和服務(wù)，促使高速軌道交通由被動(dòng)維護(hù)變?yōu)橹悄鼙O(jiān)管、由傳統(tǒng)乘坐變?yōu)橹鲃?dòng)體驗(yàn)式，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組列車運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、走形及牽引視頻監(jiān)測(cè)、部件健康狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)用維修維護(hù)提醒、線路環(huán)境信息管理、智能座顯、途經(jīng)城市景點(diǎn)虛擬體驗(yàn)等，進(jìn)一步提高了動(dòng)車組在線運(yùn)行秩序、維護(hù)效率、娛樂(lè)體驗(yàn)。隨著5G技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)及智能動(dòng)車組的發(fā)展，高速動(dòng)車組將朝著乘坐更舒適、更綠色、更智能，運(yùn)行更快速、更安全，檢修更及時(shí)、更精準(zhǔn)、更高效發(fā)展[3]。

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