5G通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用

謝志鋒 武寧

【摘要】? ? 隨著5G技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，城市軌道交通對(duì)5G通信技術(shù)的深度融合、多場(chǎng)景應(yīng)用的需求更加強(qiáng)烈，傳統(tǒng)的基于WLAN技術(shù)、LTE技術(shù)已無(wú)法完全滿足城市軌道交通智慧化的發(fā)展需要。本文介紹了現(xiàn)階段城市軌道交通現(xiàn)狀，結(jié)合石家莊地鐵探討5G通信技術(shù)在軌道交通體系中的應(yīng)用，為后續(xù)城市軌道交通5G建設(shè)和發(fā)展應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G通信? ? 軌道交通? ? 應(yīng)用場(chǎng)景

軌道交通作為城市動(dòng)脈和大眾化的交通工具，是國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、民生改善和城市安全起著不可替代的作用。《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》指出，要利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)，構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的新一代中國(guó)式智慧型城市軌道交通。隨著對(duì)移動(dòng)通信需求的持續(xù)增長(zhǎng)，5G頻譜利用和能源效率將大大提高，在傳輸延遲、可靠性、安全性和覆蓋范圍方面實(shí)現(xiàn)更大的性能改進(jìn)，并在城市軌道交通車地通信、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、大數(shù)據(jù)分析等復(fù)雜場(chǎng)景數(shù)字化應(yīng)用將不斷深入，成為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通智能化的重要支撐。

一、 5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展

5G是對(duì)第五代移動(dòng)通信技術(shù)（Fifth generation mobile communication technology）的簡(jiǎn)稱，是基于4G延伸的移動(dòng)通信技術(shù)。作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G通信實(shí)現(xiàn)了眾多先進(jìn)技術(shù)的整合應(yīng)用，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模天線陣列（massive MIMO）、端對(duì)端通信（D2D）、切片、邊緣計(jì)算（MEC）等技術(shù)的發(fā)展和普及，將向超高速、高可靠、低時(shí)延、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代邁進(jìn)。

在先進(jìn)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用下，5G網(wǎng)絡(luò)在以下場(chǎng)景中具備較高應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用前景：（1）超高速場(chǎng)景，如滿足高速列車控制系統(tǒng)通信需求，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息高效傳輸，提升高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性;（2）高可靠、低時(shí)延場(chǎng)景，覆蓋范圍不斷拓展，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)時(shí)通信，提升通信可靠性;（3）大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，滿足大規(guī)模通信設(shè)備連接需求，使眾多人參與到通信事件中，進(jìn)行同步交流，構(gòu)建“萬(wàn)物物聯(lián)”網(wǎng)絡(luò)體系。對(duì)4G通信技術(shù)與5G通信技術(shù)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)5G通信技術(shù)傳輸速率更高，信息傳輸速率可達(dá)到10Gbps是4G（100Mbps）的百倍，信息容量更大，可靠性更強(qiáng)，資源利用率更高，能夠滿足城市軌道交通的通信需求。

二 、 軌道交通網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

2.1車地通信受限

地鐵車載視頻為軌道交通指揮中心提供列車重要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在協(xié)助調(diào)查分析及反恐上起著舉足輕重的作用。目前石家莊地鐵開(kāi)通3條線路，1、3號(hào)線乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線采用LTE1.8GHz的專網(wǎng)頻譜，帶寬10MHz，每列車僅能上傳兩路視頻圖像至控制中心。2號(hào)線采用WLAN IEEE 802.11ac技術(shù)，車載實(shí)時(shí)圖像在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)卡頓、鏈接不暢，車廂內(nèi)視頻僅能實(shí)時(shí)查看2-4路，錄像更是無(wú)法實(shí)現(xiàn)回傳，只能通過(guò)人工拷貝完成。

2.2應(yīng)急通訊難度大

在發(fā)生事故事件等應(yīng)急狀況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可能需要臨時(shí)布置無(wú)線攝像設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)控，布置臨時(shí)影音通訊設(shè)備與站外安保人員實(shí)時(shí)通訊和聯(lián)絡(luò)，便于應(yīng)急指揮。當(dāng)前以石家莊地鐵的專網(wǎng)帶寬及通訊方式為例，其中1.8GHz乘客信息系統(tǒng)帶寬10MHz，帶寬存在不足，專用無(wú)線通信系統(tǒng)采用800MHz頻段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路終端的視頻回傳需求，應(yīng)急狀況保障手段有限，只能采用對(duì)講機(jī)聯(lián)絡(luò)，存在互通差或多線路無(wú)法互通等問(wèn)題。

2.3智慧列車狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求增大

隨著列車智慧化的改造革新，列車的狀態(tài)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)列車狀態(tài)的在線監(jiān)控，確保運(yùn)行安全。當(dāng)前列車編組一般為8節(jié)車廂，運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝傳感器數(shù)以千計(jì)，需要海量同步傳輸數(shù)據(jù)，由于局限于帶寬限制數(shù)據(jù)上傳無(wú)法全面覆蓋。未來(lái)隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用，列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）的速率可以得到極大提升，列車走行部、制動(dòng)、牽引、弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)等存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)上傳，對(duì)列車的智慧化運(yùn)維帶來(lái)提升。

三、 軌道交通5G應(yīng)用分析

3.1無(wú)線高速通信

軌道交通車地?zé)o線通信作為保障安全運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)，承載了以下生產(chǎn)業(yè)務(wù)：基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，完成對(duì)車輛安全行駛的控制功能;列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于保障車輛運(yùn)行期間關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn);車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用于列車內(nèi)視頻圖像實(shí)時(shí)上傳;乘客信息系統(tǒng)，用于線網(wǎng)異常情況下的乘客通知及運(yùn)營(yíng)服務(wù)信息發(fā)布。

石家莊地鐵LTE-M車地?zé)o線通信系統(tǒng)使用1.8GHz頻段，10MHz頻譜帶寬;經(jīng)測(cè)試上下行數(shù)據(jù)吞吐量約為2-8M，按照需求分析，在綜合承載下列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、乘客信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)等所需約40-70M平均帶寬，石家莊地鐵5G創(chuàng)新應(yīng)用分析如表1所示。

在最小單位單網(wǎng)運(yùn)行下，5MHz的LTE-M通信速率難以滿足多種業(yè)務(wù)的綜合承載需求。例如列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，在4G網(wǎng)絡(luò)下，通過(guò)在車上部署數(shù)據(jù)采集處理與發(fā)送設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)列車原始數(shù)據(jù)的分布式收集、本地存儲(chǔ)等功能，但數(shù)據(jù)量大小和數(shù)據(jù)速率受限，只能應(yīng)用于小數(shù)據(jù)傳輸;大數(shù)據(jù)傳輸（如走行部記錄文件等）方面需要依靠人工方式實(shí)現(xiàn)。引入5G后，可以提高數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)文件實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)及關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)視、故障預(yù)警及健康評(píng)估等功能，為列車運(yùn)行提供遠(yuǎn)程診斷與專家技術(shù)支持。此外，車載視頻圖像實(shí)時(shí)回傳到控制中心，5G技術(shù)可在原有帶寬下提供更高的通信速率，在滿足綜合承載帶寬應(yīng)用的同時(shí)，逐步向可視化語(yǔ)音通信、大數(shù)據(jù)傳輸、超高清視頻流等方面不斷邁進(jìn)。

3.2運(yùn)營(yíng)維護(hù)優(yōu)化

軌道交通線路內(nèi)需要維護(hù)的設(shè)施較多，點(diǎn)多面廣、維護(hù)工作量巨大，利用物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)采集各類機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、工務(wù)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)接入回傳給專業(yè)維護(hù)人員，運(yùn)營(yíng)由被動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)為智能監(jiān)管，提高維護(hù)效率。石家莊地鐵目前開(kāi)展5G試點(diǎn)改造優(yōu)化工作，當(dāng)前列車車輛數(shù)據(jù)及事件采集模塊（ERM）數(shù)據(jù)都是采用人工拷貝方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)列車實(shí)時(shí)狀態(tài)管理，考慮后期5G全網(wǎng)覆蓋后TCMS業(yè)務(wù)定制開(kāi)發(fā)，先期在列車上部署5G天線、車載TCMS接口設(shè)備，實(shí)時(shí)采集車上狀態(tài)和故障信息等，利用現(xiàn)有的ERM設(shè)備接口回傳數(shù)據(jù)，通過(guò)5G專用網(wǎng)絡(luò)通道傳輸至平臺(tái)，接收列車工況、牽引、制動(dòng)、視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試分析，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的實(shí)時(shí)監(jiān)視、應(yīng)急響應(yīng)、系統(tǒng)分析等功能，提高列車可靠性，降低維護(hù)成本，為后續(xù)5G全面應(yīng)用打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧地鐵。

3.3物聯(lián)通信提升體驗(yàn)

乘客智能出行是發(fā)展趨勢(shì)，5G技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用將拉近乘客距離，乘客可實(shí)現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)購(gòu)票，實(shí)時(shí)查尋列車到、發(fā)站信息、車站擁擠情況，定位商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)等，為乘客出行提供參考，提高地鐵服務(wù)水平和舒適度。地鐵運(yùn)營(yíng)也可通過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)發(fā)布和接收地鐵、公交信息等，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)分區(qū)疏散、站外潛在乘客引導(dǎo)換乘，提升乘客感受。此外5G高速網(wǎng)絡(luò)可使更多的視頻影像、廣告等實(shí)時(shí)精準(zhǔn)下發(fā)，視頻播放更加清晰，以實(shí)現(xiàn)地鐵商業(yè)精準(zhǔn)營(yíng)銷，提升客戶觀感體驗(yàn)，提升溢價(jià)能力。

四、結(jié)束語(yǔ)：

5G通信技術(shù)以其大帶寬、低時(shí)延、高可靠、連接廣等優(yōu)勢(shì)，隨著軌道交通的深入應(yīng)用將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，推動(dòng)城市軌道交通更加自動(dòng)化、智能化、系統(tǒng)化、綠色化。目前軌道交通5G建設(shè)和改造如火如荼，在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，積極認(rèn)知5G通信技術(shù)，了解其在城市軌道交通中應(yīng)用的可行性，不斷的拓寬新思路，并在不斷研發(fā)與實(shí)踐下進(jìn)行相應(yīng)的論證，最終使5G技術(shù)能夠在城市軌道交通中大規(guī)模應(yīng)用，構(gòu)建更加全面的地鐵運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，發(fā)揮其更大價(jià)值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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