基于5G技術的高鐵列車位置查詢及應急處置輔助系統(tǒng)

趙明， 于世武， 余立家， 劉光順

（1. 中國國家鐵路集團有限公司運輸部，北京 100844；2. 中國國家鐵路集團有限公司調度指揮中心，北京 100844；3. 中國鐵路哈爾濱局集團有限公司運輸部，黑龍江哈爾濱 150006；4. 中國鐵路哈爾濱局集團有限公司黨委辦公室，黑龍江哈爾濱 150006）

1 概述

隨著現代化計算機技術及5G 通信技術的發(fā)展，各行業(yè)信息化建設已進入高速發(fā)展和深化應用階段，特別是大數據、云計算、人工智能等技術在領域廣度和應用深度上不斷延伸，新一代信息化系統(tǒng)建設不僅以解決信息傳遞和存儲為目標，更向著信息全面化、數據挖掘精準化、輔助決策智能化的方向發(fā)展［1-3］。近年來，國家大力發(fā)展以高鐵為代表的現代化鐵路建設，隨著運營里程和行車密度的不斷加大，對高鐵運行調度的信息化水平提出了更高要求。

近年來，我國高鐵迅速發(fā)展，突發(fā)事件在高鐵運營過程中時有發(fā)生，若不能及時正確處理，會造成巨大損失和惡劣影響。如何提升高鐵的應急處置能力，成為高鐵運輸工作的重中之重［4］。高鐵列車位置查詢及應急處置輔助系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）利用5G 技術優(yōu)勢（如頻帶利用率高、通信性能好），通過信息的快速傳輸與控制，可加強鐵路各部門之間的合作，促進運輸與管理工作更加順利開展。系統(tǒng)加強了對多個環(huán)節(jié)的監(jiān)測與控制，在此基礎上完成各種數據的分析和整理，通過經驗值算法推出相應的分析結果以供決策。隨著大數據、人工智能等新一代信息技術的興起，在保障安全運行的前提下，利用人、車、路、網絡等資源，對高鐵路網全局跨時空運行狀態(tài)進行綜合感知，實現動態(tài)拓撲結構下多列車在線智能優(yōu)化調度和實時精準控制［5-6］，打破既有高鐵運營中運行控制和調度的分層架構，實現運行控制、調度指揮、應急處置、領導決策的一體化管理。

2 高鐵通信系統(tǒng)現狀及發(fā)展

結合國際發(fā)展情況，以GSM-R 為主的系統(tǒng)是當前高鐵通信系統(tǒng)的常見類型。從運作效果來看，GSM-R基本實現了列車調度與監(jiān)控管理的功能要求。但隨著智能調度系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的不斷應用，傳統(tǒng)技術已經無法滿足當前高鐵通信系統(tǒng)的進一步應用需求，尤其是視頻、監(jiān)控數據等傳輸需求。一般通信系統(tǒng)需要每隔6 s自動切換1次，但在切換過程中，由于高鐵運行環(huán)境較為復雜，穩(wěn)定性方面難以得到有效保證，如4G 通信頻率較快，再加上受到多普勒效應的影響，很容易造成信號傳輸過程中的錯位傳輸現象，而5G 通信技術繼承了4G 通信技術的優(yōu)勢和特點，同時數據傳輸更穩(wěn)定、傳輸速率更高，能支持500 km/h 的終端移動速度［7-8］。5G 技術結合云計算、人工智能等移動互聯(lián)網技術，為鐵路信息化、智能化提供了無限可能。

2019年底，組成我國“八縱八橫”高鐵網之一的高鐵線路——京張高鐵開通運營，而與此同時京張高鐵5G網絡正式開通，自此，京張高鐵成為我國首條5G高鐵。

3 5G環(huán)境下高鐵應用場景

3.1 語音通信

5G 網絡滿足超高流量密度運用，可達到數十Tbit/s/km2流量密度，具備Gbit/s級的用戶體驗速率，滿足傳統(tǒng)行車調度語音通信的同時，可提供視頻通話功能，可運用于站場通話、車地通信、車車通信、施工作業(yè)通信、應急通信等多個應用場景。

3.2 車地數據傳遞

5G 網絡具備超高移動性的網絡保障，可達到毫秒級端到端時延，并且支撐500 km/h 以上的移動速率，穩(wěn)定可靠地為下一代列控系統(tǒng)提供高帶寬傳輸通道。還可提供列車行車視頻傳遞、列車安全防護數據傳遞、機車設備狀態(tài)監(jiān)控數據的實時上傳。

3.3 物聯(lián)網應用

我國高鐵各種維護專業(yè)在線路上都存在著大量專業(yè)設備、設施。通過5G 網絡可方便快捷地部署億級數量的傳感器、監(jiān)控設備，實時上傳監(jiān)控數據。通過對各種監(jiān)控數據的積累，建立大數據分析模式，更好地指導現場生產維護。系統(tǒng)采用先進的物聯(lián)網技術，更全面地掌握沿線設備、設施運用狀況，能更好地保障安全。

3.4 應急通信應用

當極端自然災害發(fā)生時，傳統(tǒng)通信網絡基礎設施往往也會受損，甚至發(fā)生網絡擁塞或癱瘓。5G 網絡可利用個人終端采用D2D 技術組建Ad hoc 網絡，保障終端間的無線通信暢通，為救援提供保障。救援過程中，為方便救援進程的指揮和現場情況的了解，可采用VR技術，通過5G網絡傳遞可完美復刻現場情景。

3.5 應急處置流程

系統(tǒng)利用5G 的高傳輸特點為列車運行過程提供實時監(jiān)控保證，通過運用高速鐵路軌旁檢測設備，實現對高速鐵路線路、環(huán)境的全面監(jiān)督與管理，及時將列車運行過程中前方1～2 km 的畫面呈現在高鐵駕駛室，供駕駛員遇到問題時及時做出應急反應，同時將涉及的數據內容上傳到本地數據庫中。列車調度指揮人員通過該系統(tǒng)實時傳輸的故障報警提示，能夠迅速查詢故障現場圖像和故障設備相關信息，第一時間掌握故障情況；系統(tǒng)自動聯(lián)通設備管理單位，通知并傳輸故障信息；掌握設備管理單位搶修人員應急處置情況；結合故障發(fā)生時間段內列車運行情況，實現故障影響信息對內、對外的實時發(fā)布。系統(tǒng)操作人員通過調控后臺數據，利用大數據分析算法，針對系統(tǒng)運行過程中存在的問題進行精準監(jiān)測。以接觸網異物應急處置為例，利用5G/大數據/圖像檢索技術的接觸網異物應急處置流程見圖1。

圖1 利用5G/大數據/圖像檢索技術的接觸網異物應急處置流程

3.6 基于5G系統(tǒng)的輔助衛(wèi)星定位

高鐵沿線地形特征較為復雜，列車與地面的通信容易受到高層建筑物或樹木的影響而出現屏蔽現象。系統(tǒng)可借助5G 網絡獲取衛(wèi)星輔助數據，得到列車當前的精確位置信息并呈現在GIS地圖上，實現列車位置的實時追蹤。

4 系統(tǒng)關鍵技術

4.1 車輛實時位置顯示

基于GIS的各車站信息、列車位置信息展示：

（1）基于GIS的各車站信息、列車位置信息編輯與展示；

（2）基于GIS的列車實時數據坐標位置繪制，通過列車顏色顯示正點與晚點，藍色為正點列車，紅色為晚點列車，并顯示車次及晚點時間。

車輛實時位置顯示示例見圖2。

圖2 車輛實時位置顯示示例

4.2 車次詳情及公里標快速檢索對應工區(qū)

（1）點擊列車圖標可顯示車次、類型（高速/普速）、起止站點、發(fā)車時間/到達時間、本列定員及當前總乘客數、上個經停站點/下個到達站點、當前正在行駛的線別與公里標等實時數據；

（2）顯示車輛經停各車站順序、時間、停留時間、是否晚點及晚點時間等信息數據；

（3）正點列車顯示綠色標簽，晚點列車顯示紅色標簽；

（4）點擊列車懸浮窗中的公里標或直接輸入線別+公里標可快速檢索顯示對應的地理位置所屬的工務、電務、供電等維護單位信息；

（5）各維護單位自動檢索出當前值班人員，包括工長及各工種值班成員信息及電話；

（6）顯示各維護單位的軌道車、汽車、應急發(fā)電機組等搶修設備信息及狀態(tài)。

車次詳情及公里標快速檢索對應工區(qū)示例見圖3。

圖3 車次詳情及公里標快速檢索對應工區(qū)示例

4.3 接觸網故障與封鎖顯示

（1）自動實時關聯(lián)調度指揮管理系統(tǒng)（TDMS）、供電SCADA 系統(tǒng)中的施工、維修、跳閘等作業(yè)計劃信息數據，并自動解析作業(yè)計劃中的線別、公里標、行別、停電區(qū)段、封鎖區(qū)段、封鎖時間、作業(yè)單位、作業(yè)內容等數據，并在地圖上實時繪制提醒區(qū)域；

（2）停電封鎖區(qū)段自動標紅及自動閃爍提醒，點擊封鎖區(qū)域顯示封鎖詳情及作業(yè)計劃簡略信息；

（3）作業(yè)完畢后系統(tǒng)自動關閉封鎖提醒與顯示區(qū)域；

（4）自動獲取供電SCADA 系統(tǒng)中的跳閘數據并在地圖上標注位置，同時提醒重合成功/重合失敗，自動根據應急處置方案彈出人機交互流程界面。

接觸網故障與封鎖顯示示例見圖4。

圖4 接觸網故障與封鎖顯示示例

4.4 故障/跳閘搶修路徑

（1）自動實時關聯(lián)供電SCADA 系統(tǒng)中的故障/跳閘等數據，并自動解析線別、公里標、行別、跳閘時間、作業(yè)單位、作業(yè)內容等數據，并在地圖上實時繪制位置提醒顯示；

（2）故障/跳閘位置自動標紅色嘆號圖標并自動閃爍提醒，點擊故障地點圖標顯示故障/跳閘詳細信息；

（3）自動根據故障/跳閘坐標位置查找檢索系統(tǒng)內最近的維管工區(qū)，并計算最短搶修路徑及路徑最短行走時間；

（4）如需軌道車搶修，自動檢索最近的軌道車及對應供電工區(qū)；

（5）自動查找離故障點最近的上道口及人工步行路線。

故障/跳閘搶修路徑示例見圖5。

圖5 故障/跳閘搶修路徑示例

4.5 自然災害預警

系統(tǒng)能夠實時接收天氣預報、地質災害報警等信息。通過高效的信息分析，結合自然災害應急處置的相關規(guī)定，第一時間預警提示，并提供限速值、限速區(qū)段、封鎖區(qū)段等輔助決策信息。充分發(fā)揮系統(tǒng)5G 信息傳輸高速準確的特點，有效提高高鐵自然災害應對能力。

4.6 智能輔助決策

系統(tǒng)通過研究應急處置輔助決策關鍵技術，實現事故案例存儲管理與分析、基于規(guī)則推理的事故處置方法生成、應急方案可視化、基于預案模板和事故案例的預案生成，并在此基礎上實現鐵路應急處置方案的自動生成?；跀祿熘幸延械拇罅繑祿?，按照各類“經驗值”算法模塊，通過數據挖掘進行大數據分析，在應急處置中為用戶智能推出處置方案以供決策。

5 結束語

目前我國鐵路通信系統(tǒng)存在業(yè)務功能少、傳輸速度慢、傳輸效果差、信息實時性差等問題，對高鐵應急搶險指揮效率存在一定影響。5G 技術雖然還未正式商業(yè)化，但其發(fā)展進程是全球關注的焦點。面向未來，移動數據流量將出現爆發(fā)式增長，新一代無線通信技術將實現萬物互聯(lián)，智能設備與信息流無處不在。雖然鐵路建設5G 網絡還有諸多困難需要克服，如頻點發(fā)放、技術標準確定、長大隧道覆蓋方案、高額投資等。但5G 通信技術將給鐵路管理、生產、運營模式帶來革命性變化，助力智能高鐵和智慧交通的發(fā)展。基于5G技術的高鐵列車位置查詢及應急處置輔助系統(tǒng)正是把握當前需求和面向未來趨勢，是對中國高鐵智能化的有益拓展。