5G通信技術在貨運站場自動駕駛中的應用

佟 哲

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

鐵路是國民經(jīng)濟大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程，國內(nèi)擁有世界最現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)和最發(fā)達高鐵網(wǎng)。隨著路網(wǎng)規(guī)模的擴大、安全保障的需要和業(yè)務需求的增長，亟需研究應用5G 技術，發(fā)揮其高速率、低時延、大接入優(yōu)勢，實現(xiàn)鐵路大規(guī)模車流、客流、物流產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)實時傳輸匯聚、深度挖掘和有效利用，促進鐵路網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展，推動鐵路智能建造、智能裝備、智能運營技術的新提升和智慧出行、智慧物流、智慧平臺的新發(fā)展。

國內(nèi)5G核心技術和產(chǎn)品已實現(xiàn)突破，為鐵路開展5G技術應用提供了良好的技術環(huán)境。其中，大規(guī)模天線技術、中低頻技術等基本成熟，在產(chǎn)業(yè)界的共同努力下，我國5G發(fā)展取得領先優(yōu)勢，5G標準必要專利聲明數(shù)量全球占比超過38%，位列全球首位，華為、中興、大唐等企業(yè)已實現(xiàn)5G獨立組網(wǎng)設備批量供貨。目前，國內(nèi)已累計建成5G基站超81.9萬個，占全球比例約為70%，實現(xiàn)全國地級以上城市全覆蓋。

2 5G通信技術的特點

5G移動通信技術結合了超密集組網(wǎng)、全雙工通信、毫米波等關鍵技術，與上一代移動通信相比，性能有了巨大提高。同樣的，5G的特點有低時延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優(yōu)越的通信質量。

5G指第五代無線電信網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡由兩個主要功能區(qū)組成：無線接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)（5GC）。

RAN： 是“通過無線電連接將單個無線設備連接到網(wǎng)絡其他部分的電信系統(tǒng)的一部分”。雖然這樣做的接口是開放和標準化的，但設備需要基站、無線電放大器，管理體系是封閉的，不完全遵守這些標準。RAN設備是供應商專有的，全球市場只被少數(shù)幾家制造商所控制，如華為、諾基亞、愛立信等。在第四代無線通信4G中，這部分網(wǎng)絡被稱為“邊緣”。

5GC：構成RAN 與互聯(lián)網(wǎng)、有線電話系統(tǒng)、基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）業(yè)務之間的橋梁。核心網(wǎng)絡控件在整個網(wǎng)絡上運行函數(shù)，網(wǎng)絡上的所有數(shù)據(jù)都遍歷核心，它決定如何路由這些數(shù)據(jù)。

貨運站場自動駕駛通信屬于無線通信，其中的通信技術主要有兩種，短距離視頻通信和遠距離的移動通信技術，前者主要是 RFID 傳感設備及類似 Wi-Fi等2.4G 通信技術，后者主要是GPRS、3G、LTE、4G、5G 等移動通信技術。技術發(fā)展重點主要體現(xiàn)在應用上，包括機車與機車之間、機車與路下基礎設施之間、機車與控制中心網(wǎng)絡之間。

3 貨運站場列車自動駕駛的發(fā)展歷程

在鐵路客運和城市軌道交通領域，自動駕駛技術已進行多年研究，取得了長足的發(fā)展。目前國內(nèi)的高速鐵路、客運專線和地鐵領域，自動駕駛的研發(fā)和應用已經(jīng)比較廣泛。在鐵路貨運領域，國內(nèi)也已經(jīng)開始干線貨運專用機車的自動駕駛研究，并取得了一些階段性成果。本文希望提出貨運站場調車機車自動駕駛的應用研究。

在國際電工委員會（IEC）發(fā)布的國際標準《城市軌道交通管理和指揮控制系統(tǒng)-第一部分-系統(tǒng)原理和基本概念（Railway Applications– Urban Guided Transport Management and Command/control Systems–Part 1：system Principles and Fundamental Concepts）》（IEC 62290-1 2014）中，將列車運行控制系統(tǒng)自動化分為5個等級（GOA0～GOA4）。

GOA0：視距下的列車駕駛（On-sight Train Operation）。完全由司機人工駕駛。

GOA1：非自動化的列車駕駛（Nonautomated Train Operation）。系統(tǒng)僅在特定位置對司機進行非連續(xù)性或連續(xù)性的監(jiān)督駕駛。又可細分為a和b兩個等級。

GOA2：半自動駕駛（Semi-automated Train Operation）。系統(tǒng)控制列車運行，并連續(xù)監(jiān)督列車速度。司機在危險情況下控制列車制動停車，如ATO。

GOA3：無 司 機 駕 駛（Driverless Train Operation）。駕駛室不再設置司機崗位。車上安排值乘人員以應對車門是否關閉等特殊事件。

GOA4：無人監(jiān)督駕駛（Unattended train operation）。列車上不安排任何工作人員。

4 5G通信技術在貨運站場自動駕駛中的應用

在軌道交通運輸領域5G 網(wǎng)絡將有效提升系統(tǒng)運行效率。鐵路貨運是交通運輸系統(tǒng)主要的領域，對經(jīng)濟發(fā)展起著重要的推動作用，近年來，隨著全國鐵路貨運量的逐步攀升以及日益提高的安全運輸生產(chǎn)要求，貨運站場列車自動駕駛的開發(fā)與研制應用非常必要。由于系統(tǒng)龐大計算功能和大流量數(shù)據(jù)的低時延、高可靠傳輸，使得原有的通信網(wǎng)絡逐漸成為影響發(fā)展的瓶頸，難以滿足未來的業(yè)務需求。恰逢其時，5G 網(wǎng)絡的出現(xiàn)使得許多影響信息發(fā)展瓶頸迎刃而解。

為了實現(xiàn)貨運自動駕駛系統(tǒng)的安全高效，首先需要安全可靠、暢通的5G寬帶無線傳輸通道。最好同時與不同運營商進行商談，盡可能爭取采用不同運營商的兩套獨立無線通信網(wǎng)，實現(xiàn)4G/5G冗余通道傳輸。建設時應優(yōu)先運用5G通信，在5G技術不能滿足建設要求的情況下，可局部適當降低為4G。

同時考慮設置一套備用降級系統(tǒng)，在極端情況下，4G/5G通道故障、系統(tǒng)整體降級，依靠數(shù)傳電臺窄帶通信保證系統(tǒng)的無線通信通道，使系統(tǒng)能夠保持基本的安全運行，防止事故發(fā)生。待4G/5G通道故障解除，恢復系統(tǒng)正常運行。

在4G/5G通信模式下，保證控制數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送，視頻、圖片等輔助信息不能跟控制數(shù)據(jù)爭搶通信帶寬。

5 5G應用網(wǎng)建設方案

5.1 5G應用網(wǎng)絡覆蓋方案

根據(jù)需求設計5G+自動駕駛列車、5G+視頻安防綜合解決方案，通過現(xiàn)場實際勘測在貨運站場的適當位置架設5G基站且覆蓋列車在貨運站場的所有位置。當然盡可能利用附近原有的5G基站，以達到節(jié)省建設成本。

如圖1所示，列車上搭載客戶終端設備（CPE），該終端能夠隨著列車行駛過程中，通過和沿線搭建好的5G基站實時建立通信連接，進行貨運站場列車無人駕駛系統(tǒng)信息的傳輸和控制命令的傳遞。同時，列車內(nèi)、外部的視頻監(jiān)控信息和安裝在軌旁的攝像頭采集到的信息，也通過5G網(wǎng)絡實時回傳到控制中心（調度室）。

通過實際勘測方式確定5G覆蓋所需的基站數(shù)量。網(wǎng)絡覆蓋后，初期在運輸線路上可獨享5G網(wǎng)絡資源，滿足控制信號與視頻圖像回傳需求。未來隨著應用場景的增多，可引入5G網(wǎng)絡切片技術，將一張5G物理網(wǎng)絡邏輯分割為多張邏輯網(wǎng)絡，并且可保證每種業(yè)務之間邏輯隔離，可對每種業(yè)務單獨作出保障。

圖1 5G網(wǎng)絡覆蓋示意Fig.1 Diagram of 5G network coverage

現(xiàn)階段通過CPE設備將5G信號轉換為Wi-Fi信號或者通過網(wǎng)線傳輸，未來終端設備具備5G模組后可直接接入5G網(wǎng)絡。終端側可以通過CPE將5G信號轉化為Wi-Fi或者網(wǎng)線進行對接，進而與控制中心控制系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)?？刂浦行耐ㄟ^CPE光纖與控制中心系統(tǒng)設備對接。CPE的5G網(wǎng)絡傳輸速度可以達到2.33 Gbit/s-1.25 Gbit/s（理論值，數(shù)據(jù)來源于華為官網(wǎng)）。

5.2 4G/5G公網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲

如圖2所示，用網(wǎng)絡運營公司提供的2路物理路徑不同的專線通道，由用戶端連接到控制中心系統(tǒng)機房。機房內(nèi)設置2臺接入路由防火墻。專線電路能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)隧道加密更好的保護傳輸數(shù)據(jù)的私密性、安全性。

圖2 地面設備接入示意Fig.2 Schematic diagram of ground equipment access

5.3 4G/5G公網(wǎng)無線路由器

無線路由產(chǎn)品基于MMIPS架構，具有一個MT7621A雙核CPU，其頻率為880 MHz，內(nèi)存為256 MB。主板上集成了3個GE端口，及2個mini pcie 3G/LTE調制解調器及1個m2 3G/LTE調制解調器, 并且具有以太網(wǎng)（POE）供電功能及直流供電功能。同時在軟件的開發(fā)和應用上不斷的更新和發(fā)展，使其功能可以不斷增強和完善。特別在無線、認證、策略路由、帶寬控制和防火墻過濾等功能上有著非常突出的表現(xiàn)，能滿足客戶的各種網(wǎng)絡要求。具體參數(shù)如表1、2所示。

表 1 CPE設備CPU細節(jié)參數(shù)Tab.1 Detailed CPU parameters of CPE equipment

表 2 CPE設備傳輸速率Tab.2 Transmission rate of CPE equipment

5.4 產(chǎn)品功能

該款設備目前功能包括無線網(wǎng)絡配置、策略路由、負載均衡策略、速率控制、NAT、VPN、服務質量（QoS）、防火墻配置、用戶訪問控制和訪問記錄、多出口的冗余、帶寬控制、腳本編寫、網(wǎng)絡監(jiān)控等功能。最大吞吐量通過30次以上的嘗試確定，在64，512，1518 Byte的數(shù)據(jù)包大小中具有0.1%的數(shù)據(jù)包丟失容限，經(jīng)測算該款設備的硬件和軟件配置達到最優(yōu)效果，可以滿足多種應用環(huán)境。

5.5 信號優(yōu)先級保障

網(wǎng)絡為兩個物理路徑的專網(wǎng)， 每臺車安裝兩臺路由器，通過無線路由器優(yōu)先級配置，達到信號優(yōu)先指令-視頻，保障車輛安全運行。

網(wǎng)絡中存在若干種通信模式：機車與機車之間、機車與路下基礎設施之間、車與控制中心網(wǎng)絡之間。

從網(wǎng)絡層面上講，車載終端內(nèi)部是個局域網(wǎng)，車載終端之間形成了車際網(wǎng)絡，這樣的網(wǎng)絡可以實現(xiàn)人、車、路、云之間的信息。

5.6 控制系統(tǒng)信息指令

系統(tǒng)控制中心設置在調度室或臨近調度室。

控制中心負責整個貨運場站全部信息收集與指令發(fā)布，并且收集臨近場站及設施的相關信息與回復，這些信息傳輸均以5G網(wǎng)絡為載體，以達到信息傳輸?shù)耐健?/p>

同時，在控制室部署兩臺CPE用于控制系統(tǒng)接入5G網(wǎng)絡，為列車上的自動駕駛系統(tǒng)配置一臺CPE，實現(xiàn)與控制室的實時交互。

5.6.1 控制中心向機車發(fā)送的數(shù)據(jù)

1）調機的作業(yè)指令:如機車轉場。

2）機車運行速度曲線:如機車在某處進行對應作業(yè)的最高速度及最低速度，防護機車在安全駕駛速度范圍內(nèi)。

3）安全防護信息:如在遷出線末端、迂回線等防護機車車輛超限。

4）調度系統(tǒng)信息:如調車作業(yè)單的發(fā)送，站場信號聯(lián)鎖信息等。

5.6.2 機車向控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)

1）機車上的視頻圖像信息:如機車前向、側向、后向的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2）機車執(zhí)行作業(yè)指令的反饋信息:如作業(yè)指令中各工作完成進度及完成狀態(tài)。

3）機車的位置信息:主要是機車自身的定位數(shù)據(jù)，防止系統(tǒng)內(nèi)丟車。

4）機車運行狀態(tài)信息:如機車當前運行速度、柴油機轉速、風管壓力等。

上述場景中傳送的數(shù)據(jù)可以分為兩類，控制中心向機車傳送的控制信息數(shù)據(jù)和機車向控制中心傳送的采集數(shù)據(jù)。其中采集數(shù)據(jù)又分為視頻、圖像類的非結構化數(shù)據(jù)和機車位置、狀態(tài)信息等結構化數(shù)據(jù)，控制信息數(shù)據(jù)要求網(wǎng)絡的高可靠低時延性，視頻、圖像信息對網(wǎng)絡的帶寬要求較高，從而保障系統(tǒng)整體運行的流暢性，5G網(wǎng)絡大帶寬、高可靠低時延的特點正適用本場景的網(wǎng)絡需求。同時，隨著5G網(wǎng)的發(fā)展建設，未來可用網(wǎng)絡切片技術隔離控制信息數(shù)據(jù)和采集信息數(shù)據(jù)，保障控制信號傳遞的安全性。

6 結論

隨著5G SA組網(wǎng)的發(fā)展建設，未來可用網(wǎng)絡切片技術隔離控制和采集信息數(shù)據(jù)，保障控制信號傳遞的安全性。通過建設高品質5G網(wǎng)絡實現(xiàn)控制中心（調度室）與機車的實時雙向通信。5G基礎設施建設，應在國家的大力主導以及各級政府部門的統(tǒng)籌協(xié)調下推動，全面配合下進行，以攤薄單一應用項目實施的成本，提高基礎設施的綜合經(jīng)濟效益。

切實滿足了現(xiàn)有車地通信延遲高、調車數(shù)據(jù)傳輸量限制大的痛點，標志著5G在鐵路調車信號領域的成功應用，打造了5G+貨運鐵路通信信號標桿項目，為貨運自動駕駛系統(tǒng)的實施提供有利條件，方便后續(xù)開展人工智能和更高級別的調車機車控制系統(tǒng)開發(fā)等應用提供了一定的參考價值，具有相當意義的應用前景。