基于5G NR的車聯(lián)網(wǎng)在鐵路智慧工地車輛管理的研究與應(yīng)用

楊 剛

（中國鐵建電氣化局集團有限公司北京城市軌道工程公司，北京 100043）

1 概述

2020年，中國國家鐵路集團有限公司發(fā)布《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，明確加大5G通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)用。同時豐富應(yīng)用場景，以新一代信息技術(shù)與鐵路建設(shè)深度融合為牽引，打造現(xiàn)代化鐵路智慧體系。

按照前期國內(nèi)智能高鐵系統(tǒng)體系架構(gòu)模型，智慧鐵路的建設(shè)涉及到建設(shè)、裝備、運營等幾個主線開展。

面向智能化建設(shè)的方向需求，鐵路建設(shè)工地的智慧化管理需要滿足整體智慧鐵路的建設(shè)要求。而鐵路智慧工地將人工智能、傳感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等高科技技術(shù)植入到建筑、機械、人員穿戴設(shè)施、場地進/出關(guān)口等各類物體中，并且被普遍互聯(lián)，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，再與“互聯(lián)網(wǎng)”整合在一起，實現(xiàn)工程管理體系與工程施工現(xiàn)場的整合。

第五代移動通信技術(shù)（5G）具有大帶寬、廣連接、低時延等優(yōu)勢，不僅可以為現(xiàn)場的人員、環(huán)境提供管理手段，還可以通過5G 新空口（NR）車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為鐵路工地上各種作業(yè)車輛提供智慧管理手段。與此同時，可實現(xiàn)人與物、物與物的泛在互聯(lián)，是支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施。

2 5G特性及場景

5G新空口協(xié)議需要支持各種參數(shù)集、新編碼、新調(diào)制、多流與大規(guī)模天線技術(shù)，并通過先進的調(diào)度與多連接等方案，基于靈活配置的平臺和軟件架構(gòu)，以滿足不同場景的業(yè)務(wù)需求。針對連續(xù)廣域覆蓋場景，需要采用大規(guī)模天線技術(shù)、公共信道波束掃描、高效編碼等技術(shù)實現(xiàn)大帶寬高性能傳輸。針對低時延高可靠場景，需要采用自包含、Mini-Slot、上行免調(diào)度方式來降低空口傳輸時延，通過HARQ快速重傳和降低資源碰撞等技術(shù)方案提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴ａ槍Φ蜁r延高可靠場景，可通過對用戶面的協(xié)議棧架構(gòu)進行精簡，以最少的協(xié)議子層完成對數(shù)據(jù)處理的技術(shù)手段來降低業(yè)務(wù)面時延。針對高頻段場景，需要支持大帶寬、數(shù)?；旌喜ㄊx形、多波束掃描等技術(shù)實現(xiàn)高傳輸速率。

5G典型場景分為增強移動帶寬、超可靠低時延通信、海量化機器類通信3種。

增強移動帶寬（eMBB）為現(xiàn)場大量的高清視頻監(jiān)控提供傳輸通道。借助5G大帶寬特性，用戶可利用高清攝像機的部署實現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)的回傳，通過地面全景、車載等多種攝像機監(jiān)管現(xiàn)場車輛及駕駛?cè)藛T。

超可靠低時延通信（URLLC）網(wǎng)絡(luò)特性契合車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)網(wǎng)聯(lián)化及智能化的發(fā)展方向，該場景對吞吐量、時延和可靠性等功能有嚴格要求。可為建設(shè)工地提供面向智能無人駕駛、遠程駕駛等應(yīng)用場景。能夠為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

海量化機器類通信（mMTC）：該場景為現(xiàn)場提供大量的設(shè)備連接能力?？梢詫崿F(xiàn)現(xiàn)場傳感器設(shè)備的信息回傳，通過大量數(shù)據(jù)的采集和分析，為車輛的運行提供輔助決策依據(jù)。

根據(jù)3GPP對5G相關(guān)需求的定義，相關(guān)系統(tǒng)指標如表1所示。

表1 5G需求定義Tab.1 5G requirements definition

3 5G相關(guān)標準

3.1 eMBB參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)

1）5G NR的eMBB場景下空口無線幀長10 ms，分為10個長度1 ms的子幀，采用自包含(Self-contained)的時隙結(jié)構(gòu)，時隙長度0.5 ms，每個時隙內(nèi)同時包含DL、GP和UL符號。

2）系統(tǒng)帶寬100 MHz，子載波間隔30 kHz，采用4 096點FFT變換，有效子載波數(shù)目3 264個。OFDM符號長度縮短為LTE的一半，每個slot符號0的CP包含352個采樣點，其他符號的CP包含288個采樣點。

3）每個PRB頻域包含12個RE，長度為360 kHz；時域包含14個符號，長度為0.5 ms（1個slot）。100 MHz全帶寬分為272個PRB。

4）根據(jù)不同的上/下行業(yè)務(wù)負載需求，eMBB場景支持兩種時隙結(jié)構(gòu)。其中，DL-dominant（D）時隙包含10個DL符號，2個GP和2個UL符號； UL-dominant（U）時隙包含2個DL符號，2個GP和10個UL符號，如圖1所示。

圖1 eMBB時隙示意Fig.1 eMBB time slot

3.2 URLLC參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)

基于ITU對空口用戶面時延的定義，以下行方向為例，是從應(yīng)用層數(shù)據(jù)包到達基站側(cè)PDCP服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）入口開始，經(jīng)過空口的正確傳輸，數(shù)據(jù)包到達終端側(cè)PDCP服務(wù)數(shù)據(jù)單元出口，所經(jīng)歷的單向傳輸時間?？梢?，下行單向空口時延包含基站側(cè)發(fā)送處理時延、空口數(shù)據(jù)傳輸時延、終端側(cè)數(shù)據(jù)接收處理時延3個環(huán)節(jié)總耗時。4G的LTE物理層標準定義中，以1 ms子幀為基本處理單元，如發(fā)送端信道編碼、速率匹配和交織、資源映射過程，接收端信道估計時域插值、解速率匹配和解交織及Turbo譯碼等過程。這種子幀級的處理時序無法滿足URLLC的0.5 ms時延指標要求。目前4G的空口時延指標在理想情況下超過4 ms，因此5G設(shè)計新型幀結(jié)構(gòu)，采用短TTI傳輸，結(jié)合快速高效的檢測和譯碼方案等技術(shù)手段才能滿足空口時延指標。

3.3 5G NR車聯(lián)網(wǎng)標準演進

從2015年開始，3GPP持續(xù)開展有關(guān)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）的技術(shù)研究和標準化工作，在2018年6月完成了基于LTE的C-V2X第一階段研究工作（R14、R15），主要面向周期性的基本道路安全類業(yè)務(wù)等。

伴隨著智能汽車行業(yè)的快速發(fā)展，2017年底，3GPP又完成了基于NR的5G標準第一個版本（R15），5G能夠提供更加靈活的無線空口設(shè)計，并且支持更加廣泛的業(yè)務(wù)需求。

從2018年開始，3GPP RAN開啟C-V2X第二階段的研究和標準化工作（R16、R17）稱之為NR-V2X。2020年6月完成R16標準化工作，通過在直通鏈路引入高階調(diào)制和空間復(fù)用的多天線傳輸機制，用以支持更高的傳輸速率，同時在直通鏈路上引入HARQ反饋機制提升傳輸可靠性。在2022年完成的R17標準中，主要研究終端節(jié)電機制及終端之間資源協(xié)調(diào)機制，用以持續(xù)提升直通鏈路的可靠性，并降低傳輸時延。

3GPP NR V2X&sidelink的第一個標準已經(jīng)在Rel-16中，由Work Item“5G V2X with NR sidelink”完成，其中包括NR sidelink在內(nèi)的解決方案主要針對V2X，同時在滿足服務(wù)要求的情況下也可用于公共安全。

Rel-17 NR sidelink在Rel-16 NR V2X的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行增強。根據(jù)Rel-17 sidelink增強WID，主要為增強可靠性和降低延遲兩個方面。

增強可靠性和降低時延方面的研究允許在更廣泛的操作場景中支持URLLC類型的Sidelink用例。Sidelink的系統(tǒng)級可靠性和延遲性能受無線信道狀態(tài)和提供的負載等通信條件影響，而Rel-16 NR V2X在某些條件下（如當信道相對繁忙時）在實現(xiàn)高可靠性和低延遲方面有局限性。為了在這樣的通信條件下不斷提供需要高可靠性和低延遲的用例，Rel-17將提供增強可靠性和降低延遲的解決方案。

基于5G NR的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為了滿足更高級的業(yè)務(wù)需求，引入4類應(yīng)用：車輛編隊行駛、半/全自動駕駛、傳感器擴展和遠程駕駛。

車輛編隊行駛能夠支持車輛動態(tài)組成車隊進行行駛，所有編隊行駛的車輛能夠從頭車獲取信息，使得編隊行駛的車輛之間間距更小，從而提高交通的效率，并且降低油耗。

半/全自動駕駛包括半自動駕駛和全自動駕駛，可以通過鄰近車輛之間共享感知數(shù)據(jù)，并進行駕駛策略的協(xié)調(diào)和同步，要求每個車輛給臨近的車輛共享自己的駕駛意圖。

傳感器擴展要求車輛之間、車輛與路側(cè)單元（RSU）之間、車輛與行人、以及車輛與V2X應(yīng)用服務(wù)器之間能夠?qū)崿F(xiàn)車載傳感器或者車載動態(tài)視頻信息的交互，從而獲得更全面的當前道路的環(huán)境信息。

遠程駕駛要求通過遠程的駕駛員或者V2X應(yīng)用服務(wù)器對遠程車輛進行操控和駕駛，這種應(yīng)用需要更小的時延和更可靠的通信服務(wù)提供支撐。

4 智慧工地車輛管理架構(gòu)設(shè)計

4.1 車輛通信方式

5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要可以實現(xiàn)兩種通信方式，即直通通信方式（PC5 接口）和蜂窩通信（Uu 接口）。車聯(lián)網(wǎng)通信方式如圖2所示。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)示意Fig.2 V2N communication architecture

直通通信方式實現(xiàn)車與車之間（Vehicleto-Vehicle，V2V）、車與路之間（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）、車與人之間（Vehicle-to-Pedestrain，V2P）短距離的低時延高可靠通信，支持道路安全類實時應(yīng)用的近程數(shù)據(jù)交互，采用基站集中控制或終端間分布式信道接入控制、資源管理和干擾控制方法，在蜂窩覆蓋范圍內(nèi)、覆蓋范圍外時均可工作，即可以獨立于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)工作。

蜂窩通信方式通過基站轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)車與網(wǎng)絡(luò)之間（Vehicle-to-Network，V2N） 的長距離、大帶寬通信，支持遠程信息服務(wù)，采用基站集中式控制方法，只能在蜂窩覆蓋范圍內(nèi)工作。

C-V2X 通過終端直通通信和蜂窩通信兩者間的高效協(xié)同，為多樣化的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供不同通信要求。

4.2 車輛管理架構(gòu)

傳統(tǒng)鐵路工地通信系統(tǒng)需要車輛在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況才能正常工作，而對于某些場景下，當車輛運行到偏遠無網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)時，依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方式無法正常工作。而5G車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以在無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，以直通通信方式，應(yīng)用在無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的特殊場景下，增加蜂窩網(wǎng)車輛通信的可靠性和冗余度。利用終端和網(wǎng)絡(luò)的能力實現(xiàn)工地車輛管理、報警管理、指揮調(diào)度和司機管理等功能。工地車輛管理架構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 工地車輛管理架構(gòu)示意Fig.3 Construction vehicle management architecture

4.3 系統(tǒng)功能

車輛管理功能可實現(xiàn)施工車輛實時車況查看、故障診斷、定位跟蹤、實時路況和軌跡回放等功能。

報警管理功能可實現(xiàn)路線偏離告警、危險區(qū)域告警、超速告警、駕駛行為告警和車輛故障告警等功能。

智慧調(diào)度功能可實現(xiàn)車輛派遣、用車記錄、進/出工地記錄等功能。

司機管理功能可實現(xiàn)司機檔案管理、工地考勤管理、駕駛行為分析和效率分析等功能。

統(tǒng)計報表功能可實現(xiàn)車輛使用時間統(tǒng)計、油耗分析、異常形勢統(tǒng)計等功能。

5 車聯(lián)網(wǎng)在智慧工地應(yīng)用價值

5.1 保障車輛行駛安全

車輛在施工工地行駛時，需要對周圍環(huán)境、天氣、線路等數(shù)據(jù)進行采集分析，提升車輛全面感知能力，還需要對其他車輛、臨近鐵路線的火車等進行提示預(yù)警，降低施工車輛在工作過程中發(fā)生意外事故的概率。5G NR車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進一步為鐵路通信的智能化提供條件，提升車輛的感知能力，輔助提升車輛應(yīng)對突發(fā)情況的能力，降低意外事故發(fā)生，保障車輛行駛安全。

5.2 對現(xiàn)場車輛有效管控

對于鐵路施工場景，需要用到大量的車輛進行輔助建設(shè)，從重型運輸車輛到挖掘機、推土機。各種車輛需要協(xié)調(diào)一致，有效管理，才能在避免現(xiàn)場發(fā)生生產(chǎn)事故的同時提高生產(chǎn)效率。各種車輛需要保持與鄰近車輛以及路側(cè)設(shè)備之間的通信，傳輸自身的狀態(tài)信息至控制中心以保證自身的安全運行。5G NR車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)車與車之間直接通信的需求，提升現(xiàn)場各種車輛的通信能力，滿足現(xiàn)場工地智慧化管理需求。

5.3 對車輛駕駛員有效管控

車輛在行駛過程中，不僅需要對車輛狀況進行有效管控，同時對司機的駕駛行為也需要進行有效管控，包括駕駛員身體健康情況和危險駕駛行為的監(jiān)控。結(jié)合5G NR車聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、圖像分析等技術(shù)實現(xiàn)駕駛員信息的采集，針對異常行為進行報警，加強人員管理，全面提升安全管理能力。

5.4 提升鐵路應(yīng)急搶險能力

當現(xiàn)場出現(xiàn)緊急情況，需要應(yīng)急指揮車輛和救援車輛搶險救災(zāi)時，5G NR車聯(lián)網(wǎng)首先為作業(yè)車輛提供現(xiàn)場感知能力，對現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境協(xié)同感知，避免次生災(zāi)害的發(fā)生。同時可以利用遠程駕駛等手段輔助現(xiàn)場車輛完成特殊危險環(huán)境下的作業(yè)，在保證作業(yè)人員安全的情況下提升搶險能力。

6 結(jié)論

5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以5G網(wǎng)絡(luò)為依托，具有支持列車之間的直接通信的能力，且有傳輸速率高、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、傳輸時延低等特點，可以實現(xiàn)鐵路施工車輛及駕駛?cè)藛T的智能管理、提升應(yīng)急搶險車輛的作業(yè)能力。而5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展也會為鐵路智能化運行提供更加可靠、安全和高效的實施基礎(chǔ)和環(huán)境。