基于 5G 通信的智慧地鐵運營模式設(shè)計

景 亮，趙 程，燕 玲，陳燕靜

（1. 寧波市軌道交通集團有限公司，浙江寧波 315010；2. 中國工商銀行股份有限公司，北京 100140）

截至2019年12月31日，國內(nèi)包括北京、上海、廣州、南京、武漢、重慶等40個城市開通運營城市軌道交通線路共計208條，運營里程達(dá)6 736.2 km，車站3 982座。其中，地鐵線路占比76.9%，運營人員達(dá)幾十萬人，巨大的運營規(guī)模帶來大量的運營人力成本和設(shè)備成本。而且，由于地鐵屬于公共交通工具，巨大的運營成本限制了其建設(shè)規(guī)模和運營使用。本文基于5G通信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及技術(shù)特點，探索5G通信在地鐵運營中的應(yīng)用，推動地鐵運營進一步智能化、無人化，加速智慧地鐵發(fā)展，減少運營人員數(shù)量，降低運營成本，實現(xiàn)智慧地鐵運營可持續(xù)發(fā)展。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 地鐵運營發(fā)展現(xiàn)狀

地鐵作為一種城市公共交通運輸工具，具有運輸量大、方便準(zhǔn)時、安全快捷等特點，各機電系統(tǒng)相互獨立運行，并統(tǒng)一由中央運輸調(diào)度中心指揮，平均每公里配置運營管理人員達(dá)70人左右，對地鐵各系統(tǒng)進行管理、維修、服務(wù)等工作，人工、設(shè)備設(shè)施維護、能源等運營成本巨大，導(dǎo)致每個城市的財政系統(tǒng)需要對地鐵運營進行巨額的財政補貼。近年來，隨著地鐵開通運營規(guī)模不斷擴大，運營成本直線升高，各城市為降低地鐵運營成本，不斷探索使用新技術(shù)，實現(xiàn)信號、綜合監(jiān)控、自動售檢票等系統(tǒng)智能化轉(zhuǎn)型。地鐵智能化系統(tǒng)是以電力/電氣化、信號、通信以及信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的綜合平臺，運營模式逐步向多專業(yè)運維服務(wù)、線路整包、長合同周期運維服務(wù)轉(zhuǎn)變，可明顯降低每公里運營管理人員的數(shù)量，提高系統(tǒng)的智能化水平。目前國內(nèi)地鐵智能化系統(tǒng)產(chǎn)值構(gòu)成比例如圖1所示。

圖1 國內(nèi)地鐵智能化系統(tǒng)產(chǎn)值構(gòu)成

1.2 5G 發(fā)展現(xiàn)狀及特點

2019年6月6日，中華人民共和國工業(yè)和信息化部正式向中國電信集團有限公司、中國移動通信集團有限公司、中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司、中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著我國正式進入5G商用時代。5G通信技術(shù)作為新一代移動通信技術(shù)，為整個信息基礎(chǔ)設(shè)施帶來革命性升級，與人工智能（AI）、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，用于收集和處理海量連接產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，其最具潛力的應(yīng)用特征有3個：增強型移動寬帶（即高帶寬）、海量機器類通信（即廣連接）和超可靠低延遲通信（即低時延）。

從本質(zhì)上講，高帶寬可提供更加出色的移動數(shù)據(jù)無線連接，無線通信帶寬大幅增加，上傳和下載速度翻倍提升；廣連接可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)交易和計算，以及大數(shù)據(jù)存儲計算，并對數(shù)據(jù)進行實時挖掘；低時延可實現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)無線通信延遲控制在100 ms內(nèi)，傳輸效率更快，能夠滿足大型海量數(shù)據(jù)的快速無線傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)性能特點具體如表1所示。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)性能特點

2 5G 網(wǎng)絡(luò)在智慧地鐵運營中的應(yīng)用

在智慧地鐵運營中，依托5G網(wǎng)絡(luò)的性能特點，可實現(xiàn)以下功能：

（1）基于5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬技術(shù)，建立車-地通信高速通路，實現(xiàn)車載信號數(shù)據(jù)下載、車載視頻數(shù)據(jù)存儲等關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用；

（2）依托5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性，對信號、通信、機電、供電、車輛、工務(wù)等多專業(yè)設(shè)備統(tǒng)一管理，實現(xiàn)跨專業(yè)的故障診斷、數(shù)據(jù)分析管理等創(chuàng)新應(yīng)用；

（3）引入5G網(wǎng)絡(luò)低時延技術(shù)，將AI和計算能力前置，實現(xiàn)信號處理、列車控制的實時處理，為地鐵列車無人駕駛等應(yīng)用提供支持。

2.1 高帶寬特性應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬特性可以快速為智能運營提供大量的移動數(shù)據(jù)無線傳輸，具體包括以下應(yīng)用。

（1）車載視頻系統(tǒng)利用5G的高帶寬特性進行無線傳輸?shù)母咚倬W(wǎng)絡(luò)接入，并進行車-地通信實時高速視頻數(shù)據(jù)存取。

（2）邊緣計算節(jié)點可實現(xiàn)對視頻和列車運行數(shù)據(jù)的快速處理，以及對車載信號數(shù)據(jù)的全量下載、車載視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸。

（3）地鐵智慧運營云平臺可提供深入分析處理、管理控制和可視化展示等功能。

5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬特性的具體應(yīng)用示例如圖2所示。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬特性的具體應(yīng)用示例

2.2 廣連接特性應(yīng)用

物聯(lián)采集平臺利用5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性能夠?qū)崿F(xiàn)全專業(yè)設(shè)備狀態(tài)視圖統(tǒng)一管理，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)全專業(yè)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的在線監(jiān)測知識圖譜，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）視角、網(wǎng)絡(luò)視角、線網(wǎng)圖視角、建筑信息模型（BIM）視角呈現(xiàn)路網(wǎng)全專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)及指標(biāo)。地鐵智慧運營云平臺利用5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性，對全專業(yè)融合的大數(shù)據(jù)規(guī)律進行分析，梳理信號車輛結(jié)合部、信號工務(wù)結(jié)合部、信號供電結(jié)合部、通信供電結(jié)合部、通信車輛結(jié)合部、機電供電結(jié)合部、車輛工務(wù)結(jié)合部的設(shè)備及數(shù)據(jù)關(guān)系，實現(xiàn)跨專業(yè)結(jié)合部的故障診斷及預(yù)警分析，并建立設(shè)備全生命周期健康管理，為設(shè)備維護計劃及決策提供依據(jù)。5G網(wǎng)絡(luò)廣連接特性的具體應(yīng)用示例如圖3所示。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)廣連接特性的具體應(yīng)用示例

2.3 5G 低時延特性應(yīng)用

車控連接平臺利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時延特性實現(xiàn)AI能力前置，對車輛、線路運營運維聯(lián)動管理提供支持，并建立一套根據(jù)運維數(shù)據(jù)對列車運行及故障處理事態(tài)可預(yù)測、可快速自動決策執(zhí)行的機制，實現(xiàn)全專業(yè)動態(tài)生成應(yīng)急預(yù)案、預(yù)測故障延時、影響范圍等運維數(shù)據(jù)的智能分析。地鐵智慧運營云平臺利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時延特性，將AI和計算能力前置，實現(xiàn)對信號處理、列車控制的實時處理。5G網(wǎng)絡(luò)低時延特性的具體應(yīng)用示例如圖4所示。

圖4 5G低時延特性的應(yīng)用示例

3 智慧地鐵運營模式設(shè)計

采用5G 通信技術(shù)構(gòu)建智慧地鐵運營體系的無線網(wǎng)絡(luò)通道，建設(shè)從基礎(chǔ)設(shè)施層、能力平臺層到智慧應(yīng)用層的一體化平臺架構(gòu)，實現(xiàn)智能感知、智能聯(lián)動、智能分析的能力，支撐運營、服務(wù)、維保三大智慧運營模式，用數(shù)據(jù)驅(qū)動安全、效率、效益和服務(wù)的提升。智慧運營云平臺的總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于5G網(wǎng)絡(luò)的地鐵智慧運營云平臺總體架構(gòu)

3.1 智慧地鐵運營模式設(shè)計

智慧地鐵運營模式設(shè)計綜合地鐵列車信號數(shù)據(jù)、列車稱重數(shù)據(jù)、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）清分?jǐn)?shù)據(jù)、電信信令數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)和移動高清視頻數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源，通過5G高帶寬網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，基于數(shù)據(jù)中臺技術(shù)進行數(shù)據(jù)匯總和綜合分析，實現(xiàn)對地鐵站廳、站臺的客流感知預(yù)警等態(tài)勢分析應(yīng)用。具體包括以下內(nèi)容。

（1）指揮控制中心運用BIM技術(shù)結(jié)合每個站的站廳、站臺客流實時熱力圖，反映客流擁擠情況，高效地進行大客流的疏散，實現(xiàn)客流與列車的動態(tài)調(diào)整。

（2）指揮控制中心根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行常態(tài)分析，實現(xiàn)對全天客流趨勢的實時準(zhǔn)確預(yù)測，賦能地鐵運營公司執(zhí)行大客流應(yīng)急預(yù)案。若發(fā)現(xiàn)客流和運營策略不匹配的情況，應(yīng)及時預(yù)警并給出相應(yīng)的調(diào)整建議，供網(wǎng)調(diào)決策后下發(fā)線路調(diào)度執(zhí)行。

3.2 智慧地鐵服務(wù)模式設(shè)計

智慧地鐵服務(wù)模式設(shè)計在車站建立基于5G網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)的乘客體驗區(qū)，提供包括高速網(wǎng)絡(luò)下載體驗、高清視頻現(xiàn)場直播等服務(wù)，在5G覆蓋區(qū)域內(nèi)布設(shè)地鐵客服機器人，基于人臉識別、AI等技術(shù)，結(jié)合5G高速網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對地鐵乘客的交互式智能化服務(wù)。具體包括：

（1）地鐵客服機器人通過5G網(wǎng)絡(luò)獲取互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，支持與地鐵乘客的交互應(yīng)用；

（2）地鐵客服機器人通過5G網(wǎng)絡(luò)獲取云端的人臉識別、AI等分析能力，支持與地鐵乘客的智能化服務(wù)；

（3）AFC系統(tǒng)構(gòu)建基于語音識別購票、視頻問詢查詢、人臉識別和跟蹤過閘等全套智能系統(tǒng)，客服中心不再設(shè)置地鐵客服人員，通過人工智能機器人實現(xiàn)乘客與地鐵之間的無線實時交互；

（4）5G無線通信網(wǎng)絡(luò)為地鐵大數(shù)據(jù)實時分析決策提供技術(shù)支持，通過分析乘客的運動軌跡，預(yù)測其通行時間，并推薦最佳路線。

3.3 智慧地鐵維保模式設(shè)計

利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延特性，車站工作人員通過配戴5G-AR眼鏡，對車站進行巡檢工作。5G-AR眼鏡將第一視角高清視頻信息發(fā)送至指揮中心，指揮中心對收到的信息進行分析處理后，推送AR信息幫助工作人員進行故障診斷和處理，以實時對講的方式指導(dǎo)現(xiàn)場診斷和處理疑難問題，提高運營工作效率。

巡檢機器人通過一個自主運行的機動平臺，搭載多組高性能監(jiān)測儀器，對站內(nèi)設(shè)備進行全覆蓋監(jiān)控，可大幅減少“智能化巡檢”所需的固定式傳感器和其他儀器的安裝數(shù)量，無需大量布線和改造現(xiàn)有開關(guān)柜，在降低綜合運營成本的同時提高運營管理水平。5G高帶寬網(wǎng)絡(luò)支持機器人對地鐵線路、地鐵隧道、供電設(shè)備和其他設(shè)備的自動巡檢。具體包括：

（1）實現(xiàn)對機器人巡檢的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)回傳，提升自動巡檢的工作效率和后臺分析能力；

（2）針對系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，分析判斷某些間隔需要重點巡視的應(yīng)進行特殊巡檢。

5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬賦能車-地通信，提升地鐵運營安全。智慧地鐵維保模式設(shè)計通過5G高帶寬網(wǎng)絡(luò)建立車-地通信高速通路，實現(xiàn)列車視頻高速轉(zhuǎn)儲和實時監(jiān)控；基于5G車-地視頻轉(zhuǎn)存方案依托5G無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，實現(xiàn)車載視頻監(jiān)控的車-地轉(zhuǎn)存需求；基于可視化管理界面支持存儲統(tǒng)一管理功能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)存視頻的統(tǒng)一管理，從而降低管理成本，提高管控效率。具體包括：

（1）地鐵控制中心通過5G網(wǎng)絡(luò)，對地鐵車廂進行實時高清視頻監(jiān)控，針對車廂內(nèi)的各種突發(fā)事件、違法行為進行即時響應(yīng)，提升地鐵的公共安全性；

（2）在地鐵場站內(nèi)，通過5G網(wǎng)絡(luò)高速下載完整的列車監(jiān)控視頻，供地面視頻管理系統(tǒng)進行存儲和分析處理。

4 展望

未來，5G通信網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)地鐵系統(tǒng)的全面建設(shè)和覆蓋會加速地鐵運營的轉(zhuǎn)型升級，為智慧出行和智慧運營提供海量數(shù)據(jù)協(xié)同、實時智能分析、精準(zhǔn)定位等功能，并將打破既有運營建制瓶頸，實現(xiàn)地鐵運營一崗多能、減員增效、節(jié)能降耗的目標(biāo)，降低運營成本，助力地鐵運營朝著智慧化、無人化方向發(fā)展。