軌道交通大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)研究

孫桂華，楊振宇，孟凡輝

（1.南瑞軌道交通技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210031；2.昆明地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)也向著多元化方向發(fā)展。因此，在結(jié)合技術(shù)要點(diǎn)建立健全更加規(guī)范的技術(shù)運(yùn)維機(jī)制、整合技術(shù)要素的同時(shí)，維持軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)概述

軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)旨在保證列車安全運(yùn)行的同時(shí)，為乘客提供便捷化服務(wù)。利用專網(wǎng)無(wú)線系統(tǒng)建構(gòu)的大數(shù)據(jù)運(yùn)行控制模式，具有功能強(qiáng)、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，能為軌道交通規(guī)范化的科學(xué)運(yùn)營(yíng)提供良好的空間，而且配合及時(shí)的調(diào)度處理工作環(huán)節(jié)和智能監(jiān)控環(huán)節(jié)就能最大限度上滿足實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求。在軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、移動(dòng)電視、信號(hào)系統(tǒng)、基于通信的列車控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control System，CBTC）、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及乘客信息顯示系統(tǒng)（Passenger Information Display System ，PIDS）等都能發(fā)揮其實(shí)際作用。從可靠性、公網(wǎng)無(wú)線系統(tǒng)等多元化因素的角度分析，軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)要整合具體技術(shù)內(nèi)容，以滿足協(xié)同大數(shù)據(jù)管理的目標(biāo)，更好地保障大數(shù)據(jù)質(zhì)量，為綜合化管理水平的優(yōu)化提供支持[1]。

2 軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

2.1 LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)技術(shù)

主要是建立基于長(zhǎng)期演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Long Term Evolution-Machine to Machine，LTE-M），以便于能承載城市軌道交通的相關(guān)業(yè)務(wù)。LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

（1）LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能滿足列車運(yùn)行的業(yè)務(wù)控制。系統(tǒng)對(duì)車輛運(yùn)行速度、制動(dòng)方式等予以實(shí)時(shí)性監(jiān)督管理，搭配合理性的控制調(diào)整方案就能實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的管理。首先，無(wú)連續(xù)監(jiān)督狀態(tài)下的人工駕駛運(yùn)行模式對(duì)列車進(jìn)行特定位置、特定速度的實(shí)時(shí)性監(jiān)督，屬于點(diǎn)式控制；其次，連續(xù)監(jiān)督狀態(tài)下的人工駕駛運(yùn)行模式，列車運(yùn)行系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)督列車的實(shí)時(shí)性速度，等同于列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)（Automatic Train Protection，ATP）；再次，半自動(dòng)運(yùn)行，相當(dāng)于列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO），自動(dòng)化程度得以升級(jí)；最后，無(wú)人監(jiān)督運(yùn)行模式，列車上不安排相應(yīng)的工作人員。

（2）技術(shù)滿足集群調(diào)度語(yǔ)音業(yè)務(wù)。主要支持個(gè)呼、電話互聯(lián)、組呼以及廣播處理等業(yè)務(wù)，并配合集群調(diào)度語(yǔ)音業(yè)務(wù)處理模式，更好地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息的控制處理，保證傳輸業(yè)務(wù)管理效能最優(yōu)化[2]。與此同時(shí)，支持告警輸出接口處理，并將系統(tǒng)告警信息直接關(guān)聯(lián)到第三方設(shè)備。

（3）乘客緊急呼叫業(yè)務(wù)以及列車廣播業(yè)務(wù)。借助無(wú)線大數(shù)據(jù)接口，能滿足實(shí)時(shí)性語(yǔ)音業(yè)務(wù)處理需求，配合列車緊急文本完成服務(wù)指令的下發(fā)，并且能完成列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，為列車安全管理效果最優(yōu)化提供支持。

例如，鄭州市軌道交通就利用LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)技術(shù)建立了對(duì)應(yīng)的控制模式，滿足高清化車地?zé)o線傳輸需求的同時(shí)，借助匹配軌道應(yīng)用場(chǎng)景的增強(qiáng)覆蓋技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域內(nèi)信息交互管理的實(shí)時(shí)性控制。另外，配合城市軌道交通自動(dòng)售票（Automatic Fare Collection，AFC）頻偏糾正技術(shù)滿足高速運(yùn)行場(chǎng)景下數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)囊?，在綜合評(píng)估無(wú)線規(guī)劃方案的同時(shí)，為軌道交通提供了20 Mb/s 的下行無(wú)線帶寬服務(wù)。最后，應(yīng)用LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)模塊，支持鐵路數(shù)字通信移動(dòng)系統(tǒng)（Global System for Mobile-Railway，GSM-R）和LTE 雙模車載臺(tái)并行管理[3]。

2.2 5G 技術(shù)

軌道交通智能化發(fā)展具有實(shí)踐意義，利用5G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬、超高可靠低時(shí)延以及大規(guī)模機(jī)器類大數(shù)據(jù)等作用，建立完整的大數(shù)據(jù)運(yùn)行管理模式。5G 技術(shù)在滿足基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)需求的同時(shí)，整合技術(shù)流程和控制標(biāo)準(zhǔn)，維持綜合化智能管理控制工作的效能。

2.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)如圖2 所示，基于5G 面向垂直行業(yè)的要求，建立能匹配不同應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)單元，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的靈活化分配，并且虛擬出不同特性的邏輯子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多元化處理。不僅能滿足軌道交通業(yè)務(wù)性能需求，而且能打造可靠性和安全隔離規(guī)范性運(yùn)行體系[4]。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

（2）大規(guī)模多天線技術(shù)。利用多用戶波束成形的基本應(yīng)用原理，借助空間信號(hào)隔離操作，更好地完成同一頻率資源結(jié)構(gòu)上不同信號(hào)的傳輸處理，充分發(fā)揮頻帶資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的靈活性發(fā)展。最關(guān)鍵的是，為軌道交通環(huán)境下無(wú)線信號(hào)的覆蓋提供技術(shù)支持[5]。

（3）超密集組網(wǎng)技術(shù)。配合5G 應(yīng)用要求，滿足軌道交通線狀覆蓋的基本需求，避免信號(hào)在高速運(yùn)行中頻繁切換造成損耗。一般是在軌道交通車輛段、停車場(chǎng)或者是大型車站采取此項(xiàng)技術(shù)，為無(wú)線系統(tǒng)容量提供擴(kuò)展管理[6]。

5G 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，利用宏網(wǎng)覆蓋處理機(jī)制，配合載波聚合處理環(huán)節(jié)，更好地解決傳統(tǒng)技術(shù)體系中覆蓋率和速度受限等問(wèn)題；整合具體應(yīng)用模式，打造更加可控的運(yùn)行管理機(jī)制，配合使用鏈路預(yù)算分析流程，提高業(yè)務(wù)信道控制的基本水平，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)化管理。整合具體的應(yīng)用內(nèi)容，滿足實(shí)時(shí)性控制標(biāo)準(zhǔn)，真正意義上促進(jìn)軌道交通的可持續(xù)發(fā)展。

2.2.2 業(yè)務(wù)內(nèi)容

基于5G 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用，建立更加可控化的軌道交通業(yè)務(wù)管理體系，實(shí)現(xiàn)多元化管理目標(biāo)，維持綜合業(yè)務(wù)監(jiān)管控制的平衡。

第一，能實(shí)現(xiàn)可視化行車管理。配合5G 技術(shù)的應(yīng)用環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高清視頻回傳操作。借助列車上安裝的高清視頻監(jiān)控設(shè)備及時(shí)采集相關(guān)信息數(shù)據(jù)，維持軌道交通管理流程的可視化水平，并打造更加可控且科學(xué)的運(yùn)行監(jiān)管平臺(tái)，快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)糾正[7]。

第二，智慧安檢模式，多數(shù)軌道交通采取的是單站處理模式，安檢數(shù)據(jù)一般支持本地查詢，而安檢集中判圖平臺(tái)能發(fā)揮5G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)。打造數(shù)據(jù)和視頻實(shí)時(shí)性回傳數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、聯(lián)網(wǎng)管理以及快速聯(lián)動(dòng)響應(yīng)等目標(biāo)。

第三，智慧出行。借助5G 技術(shù)就能建立人臉識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)感知模塊，乘客利用刷臉的方式過(guò)閘通行，并且配合技術(shù)流程實(shí)現(xiàn)大客流預(yù)測(cè)、列車車箱擁擠度查詢以及站內(nèi)商鋪定位管理等，打造更加智能化和科學(xué)化的軌道交通聯(lián)動(dòng)控制體系[8]。

第四，智能運(yùn)維。因?yàn)檐壍澜煌ńY(jié)構(gòu)涵蓋的內(nèi)容較多，并且車站內(nèi)含有大量不同類型的設(shè)備，運(yùn)維管理工作難度和強(qiáng)度較大，所以借助5G 技術(shù)能進(jìn)行大數(shù)據(jù)的集中管理，配合物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行要求，打造設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)采集設(shè)備設(shè)施的相關(guān)數(shù)據(jù)，回傳到設(shè)備管理維護(hù)平臺(tái)。依據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)警和預(yù)防性維護(hù)管理要求開展相關(guān)工作，最大化提升資源利用率[9]。

第五，應(yīng)急調(diào)度。該業(yè)務(wù)功能利用5G 技術(shù)中視頻分析功能、智能傳感功能等，對(duì)出現(xiàn)的安全隱患問(wèn)題予以及時(shí)觸發(fā)報(bào)警，聯(lián)系車站內(nèi)工作人員開展相應(yīng)的救援工作，確保緊急疏散等流程順利展開，更好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)急調(diào)度管控目標(biāo)。

2.3 CBTC 系統(tǒng)

為保證軌道交通列車運(yùn)行安全，CBTC 系統(tǒng)一般分為車載設(shè)備控制技術(shù)體系和軌旁設(shè)備控制體系，借助無(wú)線大數(shù)據(jù)的方式建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互模式，共同打造可控化數(shù)據(jù)監(jiān)管運(yùn)行平臺(tái)，從而維持城市軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效能。其中，CBTC 系統(tǒng)支持列車行駛路徑安全性檢查，并能完成列車移動(dòng)授權(quán)處理工作，實(shí)現(xiàn)車地信息雙向傳輸處理的同時(shí)，按照子系統(tǒng)功能處理標(biāo)準(zhǔn)更好地維持自動(dòng)監(jiān)督管理的可控性和合理性。

在CBTC 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中，能打造列車自動(dòng)監(jiān)督子模塊、列車自動(dòng)防護(hù)子模塊、列車自動(dòng)駕駛子模塊、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖模塊、大數(shù)據(jù)模塊以及控制器模塊等，配合子系統(tǒng)運(yùn)行管理的基本需求，共同實(shí)現(xiàn)軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)管理的目標(biāo)。與此同時(shí)，軌道交通中CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程要依據(jù)故障和安全設(shè)計(jì)原則落實(shí)具體工作，針對(duì)涉及的安全數(shù)據(jù)利用大數(shù)據(jù)協(xié)議和安全通道等措施維持防護(hù)認(rèn)證的可控性，更好地滿足模塊化處理的基本需求，建立閉塞制式狀態(tài)下列車運(yùn)行的控制管理方案，配合完善的冗余處理機(jī)制，就能滿足系統(tǒng)的可用性管理需求[10]。

3 結(jié) 論

總而言之，軌道交通無(wú)線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用和管理具有重要的研究意義，要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求和規(guī)范選取適配技術(shù)內(nèi)容，發(fā)揮5G 技術(shù)的控制優(yōu)勢(shì)，共同打造更加科學(xué)可靠的無(wú)線大數(shù)據(jù)管理模型，為軌道交通的可持續(xù)健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。