5G 技術(shù)與鐵路技術(shù)站作業(yè)的融合應(yīng)用探討

李博宇，劉啟鋼，孫文橋，王東君，黃 婷

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；3.中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 欽州車務(wù)段，廣西 欽州 535099；4.中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 柳州車站，廣西 柳州 545007)

在“交通強(qiáng)國、鐵路先行”背景下，鐵路技術(shù)站向智能化發(fā)展的方向不斷邁進(jìn)。近年來，5G 通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)開始進(jìn)入高速發(fā)展階段，為建設(shè)鐵路智能化技術(shù)站提供了基礎(chǔ)性技術(shù)條件[1]。鐵路技術(shù)站智能化建設(shè)借助先進(jìn)的現(xiàn)代鐵路管理理念，以現(xiàn)代化設(shè)施設(shè)備為基礎(chǔ)，以5G 移動通信、智能控制等新一代信息技術(shù)與技術(shù)站業(yè)務(wù)深度融合為核心，實現(xiàn)技術(shù)站作業(yè)最優(yōu)化配置，滿足多層次、高效、經(jīng)濟(jì)、快速、安全的技術(shù)站作業(yè)要求，形成作業(yè)高效、管理先進(jìn)、安全保障有力的智能化鐵路技術(shù)站。

1 鐵路技術(shù)站作業(yè)需求及問題分析

鐵路技術(shù)站設(shè)有較為完備的調(diào)車、機(jī)務(wù)、車輛等設(shè)備，主要生產(chǎn)活動是為鄰近的鐵路區(qū)段供應(yīng)機(jī)車和辦理貨物列車的解體、編組作業(yè)[2]，以及辦理規(guī)定的技術(shù)作業(yè)。列車到達(dá)、解編、出發(fā)是技術(shù)站的核心技術(shù)作業(yè)過程，在專門的調(diào)度機(jī)構(gòu)指揮下，車務(wù)、機(jī)務(wù)、電務(wù)、工務(wù)、車輛、貨運(yùn)各專業(yè)相互配合，有效地開展各種活動來完成技術(shù)站的整體作業(yè)?；诩夹g(shù)站的核心作業(yè)過程，將作業(yè)內(nèi)容按專業(yè)進(jìn)行劃分，梳理技術(shù)站作業(yè)要求、未來發(fā)展及通信需求，得到鐵路技術(shù)站作業(yè)要求如表1 所示。

表1 鐵路技術(shù)站作業(yè)要求Tab.1 Current and future operation requirements of technical stations

目前技術(shù)站的主要作業(yè)內(nèi)容要求人工操控，屬于粗放式的作業(yè)模式，根本原因是信息傳輸不暢和信息不對稱，使得信息的可用性較低，導(dǎo)致技術(shù)作業(yè)效率、安全保障水平偏低、人員成本偏高。未來技術(shù)站作業(yè)將進(jìn)入機(jī)械化、自動化作業(yè)模式時代，具備全面感知、資源共享、協(xié)同聯(lián)動等特征。要實現(xiàn)智能化、精細(xì)化的作業(yè)模式，需大量傳感器對站場信息進(jìn)行全面感知和可靠的實時傳輸。雖然目前鐵路數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)(GSM-R)，4G 移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(4G-LTE)與WIFI 等通信網(wǎng)絡(luò)已實現(xiàn)部分作業(yè)場景信息的傳輸需求，但在帶寬、連接密度、時延可靠性方面都存在著一定改進(jìn)空間[3]，導(dǎo)致信息實時可靠傳輸率低、信息源點連接數(shù)量受限、信息傳輸量受限等問題。

（1）信息實時可靠傳輸率低。技術(shù)站的作業(yè)過程，需掌握作業(yè)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)信息，有些作業(yè)對時間的精確性要求高，這就需要網(wǎng)絡(luò)的延時處于較低水平，一般情況下小于20 ms，特定需求要小于10 ms 的時延，且不可斷點續(xù)傳[4]，如調(diào)車頂送作業(yè)智能輔助控制，目前既有移動通信網(wǎng)絡(luò)在實時性和可靠性等方面存在限制。

（2）信息源點連接數(shù)量受限。技術(shù)站站場面積大，業(yè)務(wù)分布范圍廣，作業(yè)過程、站場環(huán)境相對復(fù)雜，需要對作業(yè)過程與站場環(huán)境進(jìn)行動態(tài)實時監(jiān)控和完整的信息數(shù)據(jù)傳輸。目前站場采集的信息不全面，傳輸方式僅采用點對點傳輸方式，為了實現(xiàn)完整的信息傳輸就需要掌握技術(shù)站內(nèi)多種設(shè)備、設(shè)施、人員等終端狀態(tài)的信息，同時需滿足人與人、人與物、物與物點對多點的實時互聯(lián)互通，只有接收到完整的信息，才能有效地對作業(yè)過程進(jìn)行分析與管控，如將站場內(nèi)分布的大量基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備狀態(tài)和人員位置等各方面信息通過控制中心集中管控并在云端進(jìn)行綜合判斷分析。既有移動通信方式無法滿足泛在互聯(lián)的連接密度與點對多點的傳輸需求，導(dǎo)致信息傳輸不完整。

（3）信息傳輸量受限。在技術(shù)站作業(yè)的過程中，會產(chǎn)生大量的信息，大部分信息基本是無損語音、高清圖像，其均對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬有一定要求。目前作業(yè)產(chǎn)生的圖像、視頻需要進(jìn)行壓縮傳輸，4G 網(wǎng)絡(luò)的20 ~ 30 Mbps 帶寬可滿足，但大量高清圖像與超高清視頻無壓縮、無損穩(wěn)定傳輸時，所需帶寬要求為40 Mbps 以上[4]，如對調(diào)車作業(yè)前方和線路、環(huán)境狀況高清視頻回傳，列檢、貨檢、巡檢作業(yè)高清視頻回傳。目前既有移動通信網(wǎng)絡(luò)在帶寬方面尚無法支撐，造成信息傳輸量受限。

2 5G 技術(shù)與鐵路技術(shù)站融合應(yīng)用設(shè)計

2.1 融合業(yè)務(wù)設(shè)計

5G 技術(shù)的低延時、高可靠、大帶寬的特性與鐵路技術(shù)站作業(yè)的融合，已滲透到技術(shù)站作業(yè)場景的各個環(huán)節(jié)，并且可以向下兼容目前鐵路技術(shù)站使用的通信方式。從業(yè)務(wù)類型上看，根據(jù)5G 高可靠低時延通信、大規(guī)模機(jī)器類通信、增強(qiáng)型移動寬帶(eMBB)的三大特點和相應(yīng)的作業(yè)需求進(jìn)行劃分[5]，可將其與鐵路技術(shù)站融合的相關(guān)作業(yè)，劃分為3 個方面的業(yè)務(wù)，具體設(shè)計如下。

（1）控制類業(yè)務(wù)，主要包括調(diào)車頂送作業(yè)智能輔助控制、裝卸設(shè)備遠(yuǎn)控等，這類業(yè)務(wù)涉及技術(shù)站安全與穩(wěn)定的運(yùn)營，其特征表現(xiàn)為低時延、高可靠，時延要求為10 ~ 50 ms，在苛刻條件下可滿足時延小于3 ms 的要求，5G 技術(shù)在超可靠低延遲通信(uRLLC)場景可為技術(shù)站控制類業(yè)務(wù)提供毫秒級的低時延有力保障。

（2）信息采集類業(yè)務(wù)，主要包括站場內(nèi)各作業(yè)人員、設(shè)備等互聯(lián)互通，全面感知信息采集等，其業(yè)務(wù)是智能化技術(shù)站建設(shè)的基礎(chǔ)，對應(yīng)的終端數(shù)量多，分布廣泛，連接密度大、連接類型復(fù)雜。在未來的發(fā)展中，5G 將有力支持技術(shù)站信息采集類業(yè)務(wù)中大量終端匯聚后的大顆粒業(yè)務(wù)承載。

（3）移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)，主要包括技術(shù)站作業(yè)的智能貨檢、列檢機(jī)器人、智能領(lǐng)車等相關(guān)作業(yè)。此類業(yè)務(wù)對通信帶寬和延時有較高的要求，且表現(xiàn)出靈活接入特征，一般情況下要求帶寬至少為40 Mbps。5G 技術(shù)在eMBB 場景下的高速移動寬帶特性，將為技術(shù)站此類業(yè)務(wù)提供高效可靠的技術(shù)支撐。

2.2 融合架構(gòu)

技術(shù)站的主要業(yè)務(wù)場景表現(xiàn)為控制類業(yè)務(wù)、信息采集類業(yè)務(wù)與移動應(yīng)用類業(yè)務(wù)，其整個作業(yè)環(huán)節(jié)涉及多個參與主體?；诩夹g(shù)站的業(yè)務(wù)種類，利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、邊緣計算(MEC)、設(shè)備與設(shè)備通信(D2D)、前端服務(wù)(CPE)、虛擬影像等相關(guān)技術(shù)，結(jié)合機(jī)器人、攝像頭、傳感器等多種設(shè)備的支持，實現(xiàn)5G 技術(shù)與技術(shù)站的融合框架，技術(shù)站業(yè)務(wù)的融合架構(gòu)主要包括所運(yùn)用的技術(shù)、作業(yè)中產(chǎn)生的信息2 個方面，5G 技術(shù)與技術(shù)站作業(yè)融合架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 技術(shù)與技術(shù)站作業(yè)融合架構(gòu)Fig.1 Integration architecture of 5G technology and technology station operation

2.3 典型應(yīng)用場景設(shè)計

基于5G 技術(shù)與鐵路技術(shù)站作業(yè)的融合思路，設(shè)計調(diào)車頂送作業(yè)智能輔助控制、裝卸設(shè)備遠(yuǎn)控、智能列檢機(jī)器人、智能技術(shù)站4 個典型應(yīng)用場景。

（1）調(diào)車頂送作業(yè)智能輔助控制。調(diào)車頂送作業(yè)智能輔助控制由5G 無線通信、攝像機(jī)和激光雷達(dá)、安全防護(hù)等設(shè)備組成，可解決作業(yè)人工成本高、調(diào)車作業(yè)安全、效率水平低等一系列問題，實現(xiàn)頂送作業(yè)過程中調(diào)機(jī)完成啟動、停止、正常行駛等傳統(tǒng)人工駕駛行為，并在緊急情況下支持人工遠(yuǎn)程接管駕駛?cè)蝿?wù)。作業(yè)人員可以在線路上部署感知設(shè)備對線路環(huán)境、調(diào)車作業(yè)信息(視頻、位置、目標(biāo)距離、異物距離、入侵人員距離)進(jìn)行輔助感知，并進(jìn)行環(huán)境建模，將調(diào)機(jī)位置和駕駛?cè)藛T動作等信息通過5G 通信發(fā)送到調(diào)機(jī)上做感知融合，傳送到駕駛室的機(jī)車操控系統(tǒng)，實現(xiàn)既有STP 監(jiān)控、調(diào)機(jī)前方瞭望顯示、控車模式曲線動態(tài)運(yùn)算等功能[6]。在調(diào)機(jī)駕駛過程中，調(diào)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重異常行為時，控制中心人員能在控制臺上進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，控制臺需能接收車內(nèi)、車外視角產(chǎn)生的現(xiàn)場視頻等信息，實現(xiàn)對調(diào)機(jī)駕駛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（2）裝卸設(shè)備遠(yuǎn)控。裝卸設(shè)備部署在技術(shù)站的貨場區(qū)域，裝卸設(shè)備遠(yuǎn)控可改善作業(yè)環(huán)境，提升裝卸作業(yè)效率，降低投資成本、工作強(qiáng)度、人工作業(yè)安全隱患，實現(xiàn)機(jī)械化、自動化作業(yè)。在設(shè)備運(yùn)行范圍內(nèi)設(shè)置高清攝像頭，采集裝卸設(shè)備主要運(yùn)行機(jī)構(gòu)、吊具等關(guān)鍵運(yùn)行、狀態(tài)參數(shù)，回傳至中控臺，由控制中心人員進(jìn)行判定操作，并下發(fā)控制命令，實現(xiàn)對裝卸設(shè)備準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程靈活控制。

（3）智能列檢機(jī)器人。智能列檢主要解決列檢效率低、勞動強(qiáng)度大等相關(guān)問題，實現(xiàn)智能化作業(yè)。在傳統(tǒng)的列檢基礎(chǔ)上增設(shè)機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)的檢測設(shè)備，機(jī)器人攜帶紅外熱像儀和可見光攝像機(jī)、蜂鳴報警裝置等檢測裝置，可將列檢產(chǎn)生的各種信息傳輸至遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)。同時增加監(jiān)測風(fēng)險隱患和故障先兆功能，可進(jìn)行自動判定和報警，報警后通過AR 終端，與控制中心的人員進(jìn)行實時的雙向音視頻通話，控制機(jī)器人對列車關(guān)鍵部位信息進(jìn)行深度采集后，指派作業(yè)人員到現(xiàn)場處理。

（4）智能技術(shù)站。利用5G 技術(shù)，技術(shù)站內(nèi)的人員、設(shè)備等生產(chǎn)要素信息可以進(jìn)行有效的互聯(lián)互通，提高資源利用水平和效率。在生產(chǎn)周期內(nèi)可進(jìn)行設(shè)備、人員、資源等各方面的實時信息采集，更好地進(jìn)行追蹤，實時監(jiān)督和記錄作業(yè)人員的活動軌跡、設(shè)備使用情況、資源配置與布局情況，并將實時產(chǎn)生的信息在云平臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)智能化分析決策，由相關(guān)系統(tǒng)智能推薦作業(yè)方案，完成技術(shù)站的作業(yè)優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)的高度精細(xì)化、智能化，從而提升技術(shù)站行車、調(diào)車、貨檢、列檢、巡檢等作業(yè)智能化水平，為技術(shù)站提質(zhì)增效、安全生產(chǎn)提供重要支撐[7]。

3 結(jié)束語

鐵路技術(shù)站智能化對高效的運(yùn)輸起著舉足輕重的作用。5G 無線通信技術(shù)在技術(shù)站中的應(yīng)用，以鐵路智能化技術(shù)站業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以提高技術(shù)站作業(yè)效率、保障作業(yè)安全、創(chuàng)新技術(shù)裝備、降低技術(shù)站智能化建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本、促進(jìn)減員增效為目標(biāo)，構(gòu)建裝備現(xiàn)代化、泛在互聯(lián)、作業(yè)高度協(xié)同的智能化技術(shù)站。下一步嘗試建立技術(shù)站的5G 無線通信技術(shù)實際應(yīng)用場景，開展具體方案研究與開發(fā)，緊跟鐵路5G移動通信設(shè)施的建設(shè)步伐，爭取盡快實現(xiàn)典型應(yīng)用的落地實施[8]，為技術(shù)站高質(zhì)量發(fā)展打造智能化的動力引擎。