基于5G的mMTC物聯(lián)網系統(tǒng)在 鐵路物流領域的應用

姜 博 ，田長海，藺 偉

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京 100081）

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，普速鐵路的貨運能力不斷釋放，鐵路生產力布局發(fā)生了很大的變化，鐵路物流發(fā)展迅速。但是，目前我國鐵路物流的智能化、信息化、專業(yè)化程度不足，難以支撐日益增長的鐵路物流需求。5G作為新一代移動通信技術，是發(fā)展智能社會和數(shù)字經濟的重要基礎設施[1]?；?G的大規(guī)模機器類型通信（mMTC）物聯(lián)網技術具備大容量、多連接、低時延、高可靠、高安全性等特性，具有免布線、基站易施工等優(yōu)點。隨著近年來5G網絡和終端投入商用，德國、日本開始探索5G在鐵路行業(yè)的融合應用，為鐵路物聯(lián)網應用規(guī)劃頻率?；?G的mMTC物聯(lián)網技術可以為實現(xiàn)智能鐵路泛在互聯(lián)提供堅實的網絡基礎，為提升鐵路物流行業(yè)的裝備和智能運營水平提供支撐。

1 鐵路物聯(lián)網發(fā)展現(xiàn)狀及需求

1.1 鐵路物聯(lián)網發(fā)展現(xiàn)狀

2000年起，原鐵道部與中國聯(lián)合網絡通信集團有限公司采用短距離微功率技術，部署了車輛車號自動識別系統(tǒng)，發(fā)布了《鐵路機車車輛自動識別設備技術條件》[2]、《鐵路客車電子標簽暫行技術條件》和《動車組電子標簽暫行技術條件》等重要技術標準。相關設備設置在鐵路局分界口站和車輛段等車輛造修點，用于鐵路貨車車輛的位置跟蹤和費用清算，實現(xiàn)了貨車精細化管理，提高了貨車運用效率，是物聯(lián)網技術在我國鐵路行業(yè)應用的成功案例。隨后，物聯(lián)網技術的應用一直延伸至鐵路建造、運輸生產和設施設備監(jiān)控監(jiān)測等領域，研發(fā)了編組站綜合自動化系統(tǒng)、車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)、磁介質客運車票系統(tǒng)、自然災害和異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)等[3]。隨著鐵路運輸業(yè)務的發(fā)展，目前使用的部分鐵路物聯(lián)網系統(tǒng)存在容量不足、連接數(shù)較少、覆蓋范圍不足、數(shù)據(jù)傳輸速率較低等問題，限制了鐵路智能化業(yè)務的發(fā)展，需要更先進的物聯(lián)網技術進行承載。

1.2 鐵路現(xiàn)代物流對物聯(lián)網的需求分析

現(xiàn)階段，我國大多數(shù)物流企業(yè)的信息化建設模式較為傳統(tǒng)，尚未建立完善的物流信息交互平臺，物流企業(yè)之間、物流企業(yè)與客戶之間難以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換和共享。在鐵路物流過程中，貨物和設備狀態(tài)等信息獲取和傳遞的實時性、廣泛性均存在較大的缺口，需要利用先進的通信技術實現(xiàn)物流信息傳輸和交互，充分有效地整合物流資源，提高物流效率和管理水平[4-5]，具體表現(xiàn)在以下方面。

（1）貨場和編組站管理方面。需要通過物聯(lián)網對進出貨場的車輛和人員進行登記和行動軌跡記錄，對物流資源和作業(yè)過程進行安全管理，并提供報警功能，實現(xiàn)貨場信息管控。移動物聯(lián)網具備移動性強、連接數(shù)多的特性，可以實現(xiàn)貨場和編組站內的貨物和車輛識別和管理，為提高貨場和編組站的智能化水平提供支撐。

（2）貨物運輸方面。5G物聯(lián)網技術具備網絡覆蓋區(qū)域大、功耗低等優(yōu)勢，其多連接特性能以較低的成本提高物流運輸定位追蹤和裝載狀態(tài)監(jiān)控效率，實現(xiàn)貨物路徑、溫濕度、壓強、裝載狀態(tài)等信息的實時動態(tài)監(jiān)控，提升鐵路物流安全風險預警能力，提高貨物運輸安全性[6]。

隨著“智能鐵路”概念的提出[7]，鐵路智能化、智慧化的步伐加快。物聯(lián)網技術屬于智能鐵路總體架構中的智能感知層，對實現(xiàn)智能鐵路的全面感知和泛在互聯(lián)起著至關重要的作用。鐵路物聯(lián)網業(yè)務需求分析如表1所示。

表1 鐵路物聯(lián)網物流業(yè)務需求分析Tab.1 Business demand analysis of railway IoT logistics

2 基于5G的mMTC物聯(lián)網應用分析

鐵路物聯(lián)網是解決鐵路各專業(yè)基礎設施“物物互聯(lián)”和信息交換的信息網絡，在滿足鐵路物流的業(yè)務需求中起到重要作用，為鐵路基礎設備設施的全生命周期管理和維護、鐵路貨物運輸全程監(jiān)控等業(yè)務提供信息化、智能化手段，降低維護成本，提高運輸效率。

2.1 基于5G的物聯(lián)網技術演進

隨著業(yè)務的演進，物聯(lián)網對于連接數(shù)、通信質量和傳輸速度的要求逐漸提高，而移動蜂窩網絡覆蓋廣泛、使用靈活、通信可靠性高，是物聯(lián)網通信的核心支撐網絡，具備保障鐵路運輸安全、提高鐵路運輸效率的潛力。

2020年7月發(fā)布的5G技術R16版本更新了較為完備的5G物聯(lián)網技術——mMTC，進一步支持非正交多址接入技術，允許多個用戶共享時頻資源，支持更多數(shù)量的連接，同時支持上行傳輸免調度技術，簡化了終端的隨機接入流程，進一步減小傳輸時延和功耗。基于5G的mMTC網絡可以支持海量的物聯(lián)網終端同時接入網絡，降低物聯(lián)網終端的成本和功耗，提升網絡的能效，可以更好地支撐鐵路物流的發(fā)展。國際電信聯(lián)盟5G的能力要求如表2所示。

表2 國際電信聯(lián)盟5G的能力要求Tab.2 Capability requirements of International Telecommunication Union

2.2 mMTC技術特性分析

為了滿足業(yè)務對機器類型通信（MTC）提出的要求，第三代合作伙伴計劃基于蜂窩網絡標準，定義了面向低速率、低成本、低功耗需求物聯(lián)網業(yè)務的增強型機器類型通信（eMTC）、擴展覆蓋GSM （EC-GSM），以及NB-IoT等技術標準。其中，EC-GSM基于2G網絡，并非為物聯(lián)網業(yè)務專門設計，其終端發(fā)射功率相對較大，需要大容量電池供電；而NB-IoT是基于移動通信網絡的物聯(lián)網技術，具有廣覆蓋、多連接、低功耗、低成本的優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)物聯(lián)網存在的技術碎片化、覆蓋不足的問題[8]。與NB-IoT技術相比，eMTC可以提供語音通話功能，并具備傳輸速率的優(yōu)勢，可以滿足較高移動性的物聯(lián)網應用需求。

隨著支持物聯(lián)網應用的MTC對廣域連接數(shù)量和傳輸速率需求的快速增長，通過蜂窩網承載物聯(lián)網應用成為未來的發(fā)展趨勢，蜂窩物聯(lián)網也成為5G的重點技術。mMTC是嵌于蜂窩系統(tǒng)的NB-IoT技術和eMTC技術的演進升級，將在已有物聯(lián)網技術的基礎上使用更低功耗服務更多用戶。mMTC是5G網絡三大通用場景之一，可以提供面向低速率、低功耗、廣覆蓋、多連接需求的物聯(lián)網業(yè)務，其4個關鍵性能指標包括： ①覆蓋的耦合損耗≤164 dB；②最大耦合損耗下的延遲≤10 s；③超過10 a的UE電池壽命；④設備連接密度1×106個/km2。mMTC可以提升通信服務覆蓋距離和信號穿透性，通過減少設備功耗提高待機時間，滿足5G時代的物聯(lián)網業(yè)務需求，使物聯(lián)網實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。

2.3 mMTC系統(tǒng)能力分析

基于5G的mMTC具備突出的技術優(yōu)勢，可以應用于鐵路物流領域的典型場景，滿足鐵路物流領域的業(yè)務需求。在不同的場景下，建立具備一定系統(tǒng)能力的物聯(lián)網，以適配特定業(yè)務需求?；?G的mMTC的系統(tǒng)能力可以按以下方面進行分析。

（1）傳輸速率。即物聯(lián)網終端進行數(shù)據(jù)傳輸可以達到的速率，物聯(lián)網的數(shù)據(jù)傳輸過程通常由傳感器采集數(shù)據(jù)后發(fā)送給服務器端進行處理。

（2）傳輸頻率。即物聯(lián)網終端對網絡資源的數(shù)據(jù)傳輸請求頻度，較低的傳輸頻率有利于共享，可以更好利用網絡頻率資源。

（3）傳輸實時性。體現(xiàn)在物聯(lián)網終端模塊的實時待機狀態(tài)和故障狀態(tài)的搶修恢復上，部分業(yè)務是對長期漸變數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，不需要太高的實時性，但有部分業(yè)務需要即時獲取數(shù)據(jù)并進行處理。

（4）設備密度。即單位面積區(qū)域內可布設的物聯(lián)網設備或節(jié)點數(shù)目。

（5）網絡覆蓋方式。主要有線狀覆蓋或面狀覆蓋2種方式，具體覆蓋范圍和使用頻率、傳播環(huán)境、功率等因素相關。

（6）待機時間。為了減少設備復雜度和部署難度，物聯(lián)網終端普遍使用電池供電方式。考慮到不同業(yè)務存在不同的作業(yè)間隔，可采用不同供電方式滿足業(yè)務需求。

2.4 mMTC物聯(lián)網在鐵路物流領域的應用分析

2.4.1 應用場景

物聯(lián)網的應用場景多樣，為了充分利用5G通信技術的優(yōu)勢，滿足鐵路物流領域的業(yè)務需求，應在傳統(tǒng)的監(jiān)測類物聯(lián)網應用范圍上進行擴展，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。參考國際鐵路聯(lián)盟提出的新一代鐵路專用移動通信業(yè)務需求規(guī)范，可以將我國鐵路的寬帶移動通信業(yè)務需求梳理為4大類，分別是鐵路正線連續(xù)廣域覆蓋、鐵路站場和樞紐等熱點區(qū)域、鐵路沿線地面基礎設施檢測、智慧列車寬帶應用。鐵路通信場景及需求如表3所示。

綜合考慮物聯(lián)網技術演進、鐵路物聯(lián)網應用現(xiàn)狀和鐵路運輸?shù)臉I(yè)務需求，基于5G的mMTC物聯(lián)網應用平臺框架可分為智能建造、智能裝備、智能調度、智能客運、智能物流、智能管理六大模塊。其中，智能物流是基于5G的mMTC物聯(lián)網應用平臺的重要組成部分，可以提供貨物全程智能跟蹤、智能化多功能貨主服務和貨運經營智能化服務等內容。

鐵路物流過程涉及多種物聯(lián)網應用場景，在鐵路編組站、區(qū)段站、中間站、集裝箱中心站、貨場、動車段（所）、客運站等區(qū)域應設置站場無線通信系統(tǒng)。隨著國家5G新型基礎設施的建設，未來站場無線通信可基于5G專網或公網實現(xiàn)。車站、編組場內的各類傳感器數(shù)據(jù)傳輸屬于物聯(lián)網業(yè)務，可通過mMTC技術實現(xiàn)基于5G mMTC的大量傳感器采集數(shù)據(jù)回傳等物流應用業(yè)務。

2.4.2 應用方法

5G物聯(lián)網技術在鐵路物流領域應用可分為3個核心階段，即信息感知、網絡互聯(lián)、智能處理，可覆蓋倉儲服務、運輸服務、配送服務、綜合物流四大業(yè)務板塊。

（1）信息感知。通過紅外傳感、溫度傳感、濕度傳感、定位系統(tǒng)、射頻識別技術（RFID）等設備，利用感知技術按一定頻率，周期性地采集和識別物理信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集多維化、實時化，滿足用戶對信息廣度的需求，為貨物全程智能跟蹤提供支撐。

（2）網絡互聯(lián)。利用5G蜂窩網絡，傳輸物理環(huán)境、貨物狀態(tài)等通過智能感知階段獲取的信息，形成數(shù)據(jù)網絡，實現(xiàn)物與物、人與物之間的信息數(shù)據(jù)互通，為智能化多功能的貨主服務提供支撐。

（3）智能處理。在識別、采集、傳輸信息后，物聯(lián)網可通過云計算、邊緣計算等技術，對貨物信息、處理流程、運輸軌跡等數(shù)據(jù)進行智能化處理和分析，實現(xiàn)鐵路物流智能化經營，達到提高鐵路物流質量、提升運輸效率的目的。

2.4.3 部署方式

物聯(lián)網在鐵路物流領域的應用可使用固定、車載和手持多種類型的物聯(lián)網終端，其部署方式如下。

（1）固定類物聯(lián)網終端。固定類物聯(lián)網終端通常安裝在倉庫門口或其他貨物通道，應具有識別功能、基礎設施監(jiān)測和網絡傳輸功能，用于貨物出入庫跟蹤、鐵路物流基礎設施狀態(tài)監(jiān)測、協(xié)助設備定位等。固定類物聯(lián)網終端以傳感設備為主，包括紅外傳感、溫度傳感、濕度傳感設備等，為冷鏈運輸和特殊種類的運輸提供環(huán)境監(jiān)測。

（2）車載類物聯(lián)網終端。通常安裝在貨物列車中，應具有北斗或5G定位功能、數(shù)據(jù)傳輸功能和語音或高清視頻通話等功能，并根據(jù)承載業(yè)務的安全等級需求進行相應的數(shù)據(jù)安全加密。在鐵路物流運輸過程中，運輸貨物品種、形狀、狀態(tài)和運輸環(huán)境各異，并且時刻處于移動狀態(tài)，對運輸貨物進行有效的識別、追蹤、監(jiān)控是運輸管理的難點。物聯(lián)網技術可以通過在列車上安裝終端設備，獲取貨物的狀態(tài)、位置、性能等參數(shù)，并傳輸?shù)街行钠脚_進行處理，進一步加強對貨物的跟蹤以及對車輛的監(jiān)控，將貨物、司機、車輛駕駛情況等信息高效結合，提高運輸效率，降低運輸成本，為貨主提供多元化、智能化的服務。

（3）手持類物聯(lián)網終端。通常由使用者在貨場、車站、物流園區(qū)等地點手持使用，應具有北斗和5G定位功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、識別功能和語音或高清視頻通話等功能。手持類物聯(lián)網終端應具備的功能與車載類物聯(lián)網終端類似，但工作場景集中于車站、貨場等集中作業(yè)場所。手持類終端是RFID技術的主要承載設備，可通過掃描貨物上的電子標簽獲取其狀態(tài)、位置、性能等參數(shù)，以及計劃車次號、車輛容積、司機信息、運輸線路、運行時刻表等運輸基礎信息，并傳送到中心平臺，中心可根據(jù)物流體系運轉情況，通過手持終端與一線工作人員進行直接通話。

2.4.4 能力要求

根據(jù)5G物聯(lián)網技術的系統(tǒng)能力，可以按照不同的物聯(lián)網終端類型，提出設備的能力要求。

（1）傳輸速率?；A設施監(jiān)測、識別功能的數(shù)據(jù)傳輸速率要求低，單次的數(shù)據(jù)傳輸量小于100 Byte；高清視頻通話傳輸速率要求高，1080P視頻傳輸碼率（均值）約為7.25 Mbps。

（2）傳輸頻率?；A設施監(jiān)測功能需要進行的數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)不大于10次/d，車載、手持終端傳輸頻率較高，其中信息識別終端和電子標簽識別終端傳輸頻率應大于100次/d。

（3）傳輸實時性?；A設施監(jiān)測功能對實時性要求較低，信息識別、數(shù)據(jù)傳輸、5G定位、視頻通話功能需要實時傳輸。

（4）設備密度。鐵路站場區(qū)域內布設的物聯(lián)網設備或節(jié)點數(shù)目約為1×103～ 1×104個/km2；鐵路正線布設的物聯(lián)網設備或節(jié)點數(shù)目小于10個/km；車載物聯(lián)網終端涵蓋多種功能和類別，設備密度隨業(yè)務需求數(shù)量變化。

（5）網絡覆蓋。鐵路線路通常采用線狀覆蓋，所有設備均沿鐵路線分布在軌道附近；車站、站場等設備密集地區(qū)通常采用面狀覆蓋。對站場特殊區(qū)域（如車輛之間可能產生弱場區(qū)域），需要額外進行信號補強。

（6）待機時間?？紤]鐵路維修作業(yè)計劃多為年度作業(yè)，具備年度檢修更換電池的可能。因此，供電能力超過1a的電池應可滿足鐵路物聯(lián)網基礎設施監(jiān)測類設備的基本待機時長需要。對于有實時通信需求的物聯(lián)網無線終端，可采用大容量電池或外電源的方式供電。

3 結束語

5G作為新一代信息技術演化生成的基礎設施，屬于新基建3個主要方面中最重要的信息基礎設施，是加速第四次工業(yè)革命、搶占全球科技制高點、推進產業(yè)轉型升級的重要支撐。鐵路具有網絡覆蓋面廣、受眾人口多的特點，推進基于5G的mMTC物聯(lián)網系統(tǒng)的鐵路行業(yè)應用，尤其是在鐵路物流領域的應用，可以對鐵路線路及沿線環(huán)境、移動設施設備、自然災害等復雜情況和大量裝備、貨物進行實時監(jiān)測監(jiān)控，并通過實時反饋視頻音頻等信息，與大數(shù)據(jù)等技術相結合，大幅提升鐵路物流信息化、智能化水平，提升鐵路物流服務供給質量，促進鐵路向信息化、數(shù)字化、智能化高質量發(fā)展。