智慧城軌交通通信技術的分析與展望

趙軍輝，張丹陽，賀林

（1. 北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；2. 華東交通大學信息工程學院，江西 南昌 310033）

1 引言

我國城市軌道（簡稱城軌）交通建設正逐漸步入信息化、智能化時代，開始向高效、安全、可靠的智慧型城軌邁進。隨著移動邊緣計算（mobile e2ge computing，MEC）、物聯網、人工智能、5G 等新興技術的發展，城軌交通系統將與新興技術逐漸融合，采用更智能化的通信技術，不斷提升城軌交通智能化水平。

城軌交通是我國關鍵基礎設施與產業的核心。根據中國城市軌道交通協會發布的最新統計數據，截至2020 年12 月31 日，中國（不包括港澳臺）已有45個城市開通軌道交通，運營里程達7 978.19 km，其中地鐵總里程達6 302.79 km，占比79.00%。2011—2020 年，城市軌道交通新增營業里程達7 655. 92 km，根據新增在建線路，預計到2021 年年底，我國城市軌道交通累計營業里程將達到8 728 km。近年來，北京、上海兩市城軌交通年客運總量均已接近40 億人次，占公共交通出行總量的50%以上。從城市建設規劃的角度來看，未來人們選擇城軌交通出行方式的占比將大幅度提高，城軌交通將長期保持高速發展，同時，城軌場景通信需求隨之大幅增長。

中國城市軌道交通協會發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》是“智慧城軌”的指導性文件。該文件指出“智慧城軌”是城市軌道交通領域為響應“交通強國”戰略，與智慧城市對接的一個具有深遠研究意義的課題。本文響應“智慧城軌”發展綱要，對城軌交通系統中的通信技術進行分析、闡述與總結，考慮從傳統的軌道通信技術向具備智能化的新型智能通信技術過渡問題，同時進行橫向對比，分析目前已有的觀點、解決方案，指出最新的研究方向與面臨的挑戰，以期從通信層面對“智慧城軌”開展研究。

2 智慧城軌通信發展需求

城軌交通安全、高效地運營離不開列車運行控制系統（簡稱列控系統），伴隨智慧城市發展，城市逐漸開始沿著智能化、集群化的方向發展，市民的出行需求逐年提升。列車智能控制、海量數據監控以及人工智能等技術的發展都促使城軌系統內部的通信需求激增。

2.1 列車運行控制系統驅動下的通信需求

從軌道電路到無線通信，從單向通信到雙向實時通信，列控系統的發展歷經了質的跨躍。基于通信的列控（communication-base2 train control，CBTC）系統采用與軌旁設備進行無線通信的方式解決了列車到地面（train to groun2，T2G）的實時雙向通信問題。早期的CBTC 系統采用無線局域網（wireless local area network，WLAN）技術，能夠承載較大容量的傳輸信息、更為可靠的傳輸狀態和控制命令信息，在一定程度上增加列車運行的可靠性，降低運行中存在的安全風險。然而，采用WLAN 的CBTC 系統存在功能子系統及相關設備繁多、各個子系統間耦合程度較高、數據傳輸穩定性差以及易受干擾等問題，限制了整體系統的靈活性[1-2]。

為了更好地解決上述問題，地鐵長期演進（long term evolution for metro，LTE-M）技術被提出，LTE-M 技術是目前應用于城軌交通通信系統的先進技術，但該通信技術不能應對較為復雜的緊急情況，并且無法提供如自動駕駛和鐵路物聯網（railway internet of thing，RIoT）的大規模連接等某些潛在的鐵路服務[3]。此外，由于車地間無線資源短缺，資源利用效率較低，LTE-M 技術仍然存在傳輸時延高、穩定性差等缺點，長期來看也無法滿足日益增長的城軌交通的數據傳輸要求。

現如今，新一代的全自動運行（fully automatic operation，FAO）系統已經進入了實踐和完善的快速發展階段。目前國內已有北京、上海、廣州、武漢、香港5 座城市開通7 條全自動運行線路（GoA3 級～GoA4 級）[4]。新一代FAO 系統是基于現代高性能計算機、高速通信、可靠控制和系統集成等技術實現的，以行車指揮為核心，融合集成了信號系統、行車綜合自動化系統、車輛系統、通信系統、監控系統等，整體自動化水平有了很大提升[5]。FAO 系統目前采用LTE-M 技術對一些實時性和關鍵性的數據進行傳輸，同時利用無線局域網技術發送和接收非實時性數據及記錄文件。

不論是基于WLAN 還是基于LTE-M 的列控系統，均以T2G 通信架構為主，傳輸時延高，抗災與防突發事件性能較差。近年來，更多的研究開始轉向一種新型的基于列車到列車（train to train，T2T）通信的運行控制系統。該技術考慮列車間的通信需求，使得列車無須經過地面中轉即可進行列車到列車間的直接通信，在降低時延的同時能夠進一步保障列車安全運行[6]。

2.2 萬物互聯與海量數據監控驅動下的通信需求

萬物互聯的時代，終端節點數目和數據通信量表現出爆發式增長的態勢，傳統的云計算模式雖然有較強的計算和存儲能力，但是，隨著市民出行需求的增加，大量電子終端、傳感器數量增加以及海量數據的涌現，異構數據融合與優化等問題變得尤為突出[7]。傳統云計算將帶來較高的傳輸時延，消耗更多的帶寬資源。為了滿足萬物互聯應用的發展需求，需要一種高效的數據傳輸處理技術。與此同時，為了保障城軌列車安全可靠運行，還需要對大量基礎設施設備進行數據采集與監控，保障關鍵運營信息低時延傳輸。

城軌綜合監控系統包含閉路視頻監控系統、乘客信息系統、無線列調、廣播系統、火災自動警報系統、自動售檢票系統、互聯門禁系統、車輛運維和緊急呼叫等系統。上述系統均需與外界進行聯動，緊密依賴于城軌通信系統。特別是乘客信息系統，每輛列車最低需要支持2 路8 Mbit/s的下行帶寬，而閉路視頻監控系統則需要高達30 Mbit/s 的傳輸帶寬的支持[8]。目前我國各地的城軌通信制式不一，新老線路的數據互通、跨線運營以及不同制式之間的互聯互通等問題就會出現；在一定時期內，需要寬窄帶通信進行融合，并在業務上混合編組、統一編號、統一調度，甚至在關鍵業務傳輸上可以以冗余鏈路的形式出現[9]。

隨著列車智能運維技術的發展，更多的車載監控應用需要進行無線數據傳輸。例如，智能列車診斷、智能運程下載、自動弓網關系監視等，這些新型智能化應用對傳輸帶寬的需求越來越高。綜合監控系統作為承載列車運營安全的關鍵系統之一，承載了除列控系統以外的絕大多數數據傳輸任務，作為城軌系統的核心之一，其將與新型通信技術結合應用。5G 的商用也為城軌系統迅猛增長的數據提供了新的研究思路和設計方向。城軌交通的快發展、高需求也將為通信技術帶來新的驅動力。

2.3 人工智能驅動下的通信需求

計算機計算能力的不斷提升以及人工智能領域算法的不斷完善使機器學習在計算機視覺、自然語言處理、語音識別、機器人和智能交通等領域中取得了較大的成功[10]。特別是深度強化學習（2eep reinforcement learning，DRL）算法的提出，其將強化學習（reinforcement learning，RL）和深度學習（2eep learning，DL）結合，利用RL 的決策控制能力定義目標問題，對復雜問題進行決策與判斷，利用DL 的深層感知能力進行復雜參數的特征提取，解決策略與決值函數之間的建模問題，目前在通信與控制領域已經出現了相關的研究[11-14]。

由于軌道交通的特殊性，如列車運行線路固定，車站位置固定，軌道列車在無人駕駛領域能夠發揮其巨大的優勢。隨著城市內出行需求的急速增加，城軌交通列車必須提升其運輸效率，需要進一步縮短列車追蹤間隔。傳統T2G 架構下的列控系統由于時延、可靠性等參數無法滿足進一步縮短行車間隔的需求，一種基于T2T 通信的新型列車編隊控制思想逐漸出現在相關研究領域，并引起了相關研究人員的注意。列車編隊旨在從系統層級的角度全方位感知線路中每輛列車的動作及位置，通過全局視野，能夠在保證列車運行安全的基礎上，將追蹤間隔縮短。列車編隊建立在T2T 通信的基礎上，是實現無人自動駕駛與控制的基礎技術之一。而無人駕駛列車的核心又包含智能通信、智能控制等與人工智能結合的相關技術，因此以人工智能技術為基礎的智能化解決方案將不斷刺激城軌系統的發展與完善。

城軌列車在行駛中由于高速移動狀態所導致的信道時變特性會使得通信傳輸性能劇烈下降,因此可以通過無線通信網絡管理，在動態變化的無線環境中對網絡的各個參數進行優化。這類動態環境中的最優決策問題，與DRL 的設計目標相契合[15]。DRL 也是智能無線通信的重要賦能者之一。DRL 強大的學習和決策能力可以對城軌通信網絡進行智能管理，使其在復雜的通信場景下可以對不同應用的服務需求進行精準匹配，最終提高網絡的實際傳輸承載能力。通過引入DRL算法，可以對城軌無線通信網絡參數以及列車控制參數進行優化決策，可以提升整體系統的魯棒性與服務質量[16-17]。基于DRL 的智能化列車控制以及通信資源管理等技術是目前突破城軌列車運營效率瓶頸的重要途徑之一。憑借人工智能技術強大的特征提取、優化等算法，能夠極大地促進通信資源充分利用以及控制策略性能提升，保障高效、低能耗的城軌運營形態。因此，人工智能技術將助力“智慧城軌”的發展。

3 智慧城軌通信關鍵技術

“智慧城軌”通信技術為各個子系統提供保障和技術支持，分別從承載列控的通信關鍵技術、移動邊緣計算技術、人工智能與列車編隊技術這3個角度對城軌智慧通信關鍵技術進行闡述，同時結合最新的研究進展，指出未來“智慧城軌”智能通信技術的發展方向。

3.1 承載列控的通信關鍵技術

3.1.1 車?地無線通信關鍵技術

目前正在使用的CBTC 系統主要基于WLAN技術，該技術采用IEEE 802.11 標準，通過競爭接入的方式使用2.4 GHz 非授權頻段傳輸列車運行狀態以及控制命令，具有開放、進步、融合的技術發展路徑。WLAN 技術共用開放頻譜資源、方便認證接入、支持移動及寬帶接入等性能。其新標準融合了很多前沿技術，支持不斷提升的網絡帶寬。

作為一種依靠車地間通信的列控系統，CBTC不依賴于軌道電路，能夠實現高精度的列車定位和雙向連續、高數據容量的車地通信。該系統中車載、地面的安全功能處理器實現的是一種連續自動列車控制系統[18]。基于WLAN 的CBTC 系統能夠同時承載列車運行監控、乘客信息、閉路視頻監控等業務。然而，采用WLAN 技術的車地無線通信系統并不能滿足未來城軌發展的高行駛速度、廣覆蓋、資源優先分配以及較強的抗干擾能力等需求。

基于通信的列控技術會隨著通信系統的發展進行演變和更替。新興通信技術和列控技術的融合可以滿足城市軌道交通目前以及未來的發展需求，不斷推動其向智能化、信息化發展。目前已經投入運營的基于WLAN 的列控系統，其性能受非授權頻段干擾，列車緊急制動事件時有發生。為了解決這一問題并提升CBTC 系統性能，城市軌道交通協會提出了一種利用專用授權頻段部署基于LTE-M 的解決方案。LTE 是基于正交頻分復用（orthogonal frequency 2ivision multiple，OFDM）的第四代移動通信技術，該技術采用扁平化的網絡架構，依靠20 MHz 的無線帶寬，支持下行100 Mbit/s 以及上行50 Mbit/s 的傳輸速率，在全球得到了廣泛應用。此外LTE-M 系統有嚴格的服務質量（quality of service，QoS）保障機制，針對系統不同業務選擇具有不同QoS 性能保障的數據鏈路并分別進行任務承載，一定程度上能夠為乘客提供安全可靠的服務，提高鐵路網絡基礎設施的利用率[19]。基于LTE-M 的CBTC 系統結構如圖1所示，其在接入架構以及地面設備方面有所簡化，網絡結構與WLAN 系統相比更加扁平化。

然而，由于授權頻段資源稀缺，現有城軌交通通信網絡的可用授權頻段緊張，因此授權頻段將無法滿足綜合承載LTE-M 系統業務的要求。與現有傳統的城軌通信系統相比，LTE-M 采用頻段為1 785～1 805 MHz 的授權頻段，基本能夠提供較為全面的鐵路信息服務。考慮到LTE-M 頻譜資源仍存在一部分交叉不可用帶寬以及城軌交通業務對于可靠性和實時性的需求，目前已經商用的5G 系統成為解決城軌交通系統數據承載的重點研究對象。參考文獻[20]提出了一種基于毫米波的列控系統，仿真結果表明該系統可以有效解決列車傳輸頻譜資源短缺的問題，提升頻譜效率。5G系統的目標是實現無縫、可靠的全球互聯互通，解決網絡發展困境，滿足未來社會的大數據需求[21]。城軌交通列車乘客流量大、換乘頻率高、運行速度快等特點對承載數據的傳輸系統提出了極為嚴格的要求，這也符合5G 提出的三大典型應用場景：增強移動寬帶（enhance2 mobile broa2ban2，eMBB）、超高可靠低時延通信（ultra-reliable low-latency communications，uRLLC）以及海量機器型通信（massive machine type communications，mMTC）。作為異構集成網絡，5G 將向后兼容現有的無線通信技術。這意味著在5G-M 能夠支持現有的鐵路服務的情形下，還能提供各種新興的鐵路服務，例如軌道沿線的實時視頻監視、多媒體調度以及大規模連接的RIoT 業務，這將為“智慧城軌”發展奠定基礎。

圖1 基于LTE-M 的CBTC 系統結構

3.1.2 車?車無線通信關鍵技術

該系統參考設備到設備（2evice to 2evice，D2D）通信的思想，實現列車之間的信息交互。在早期，T2T 通信被當作避撞的冗余手段，例如2007 年德國宇航研究中心（Deutsches Zentrum für Luft- un2 Raumfahrt, DLR）An2reas 等[22]提出了鐵路避撞系統（railway collision avoi2ance system，RCAS），該系統獲取的速度、位置等信息能夠以列車間廣播的形式發送給鄰近區域內的其他列車。采用T2T 通信的列控系統，無須再進行集中式的地面控制，因而可以降低車地間的信息交互頻次，減小傳輸系統載荷，從而提高整個系統的性能。基于T2T 通信的列控系統以列車為核心，通過列車間的交互、軌旁資源的控制等方法實現列車的自主安全運行控制[23]。

基于T2T 通信的CBTC 系統是更高層級的信號控制系統，它使得城軌交通網絡中“左右、前后”多個列車之間互聯互通、協調運行，是新一代具有更高可靠性、更高運行效率、更節省時間、更低成本的列控系統。基于T2T 通信的新型列控系統目前已經引起了較為廣泛的關注。參考文獻[24]提出了一種基于T2T 通信的CBTC 系統，并且對該系統的核心功能進行了介紹與分析。參考文獻[25]提出了一種基于T2T 通信的列車防碰撞系統，該系統將傳統的地面部分功能移植到車載設備上，以此降低地面設備的復雜度，增強系統的靈活性、穩定性。由此看來，城軌列車之間直接通信能夠保障列車更加可靠穩定運行，提升運營效率，是未來發展和研究的趨勢。

T2T 系統總體框架結構如圖2 所示，通過T2T通信，每輛列車都可以獲取其相鄰列車的狀態信息，自主計算并生成移動權限（movement authority，MA），不再需要地面設備的相關控制權限。在此系統下，地面設備得到了簡化，其僅包含自動測試系統（automatic test supervision，ATS）、列車管理中心（train manage center，MC）、對象控制器（object controller，OC）以及軌旁信號基礎設備（道岔）。TMC 具有傳統區域控制器（zone controller，ZC）的安全功能，例如列車的注冊與取消、列車信息存儲和轉發等。OC 作為簡單的對象狀態采集和控制單元，本身不具有復雜的邏輯處理功能，它負責獲取信號燈和開關等基礎信號設備的狀態，并傳達相關控制指令。作為一種新型列控系統，當車地間通信與車車間通信并存時，通信資源（如信道資源）會出現搶占問題，同時也會出現資源分配沖突問題，從而導致編隊列車控制問題的出現。

圖2 T2T 系統總體框架結構

3.2 移動邊緣計算技術

現有網絡場景下，無線傳輸空口資源有限，系統帶寬以及時延等指標依然無法滿足當前城軌交通運營的業務場景需求，存在鏈路資源短缺、吞吐量低、傳輸時延高等問題。為了進一步對城軌無線通信系統進行優化，滿足超大帶寬、海量鏈接、超低時延、高可靠、高能效的城軌通信需求，相關研究人員將目光轉向MEC 技術。在現有通信系統的基礎上結合MEC 技術，在列車、基站、車站等地分別部署MEC 服務器[26]，利用MEC 服務器自身具備的計算、存儲等能力提供智能服務，使得原本需要在城軌專網或者外部云平臺處理的業務下沉至列車或車站等邊緣側，從而降低了網絡服務響應時延，提高了通信資源使用效率，優化現有通信系統，實現通信、計算與存儲資源的高效融合以及彈性分配。參考文獻[27]提出在高鐵通信網絡中部署MEC 服務器，并通過實際網絡試驗結果顯示該部署方案能夠有效提升傳輸速率、減小傳輸時延。盡管該文獻是從高速鐵路的角度進行分析的，但提出的架構和相關策略只要進行適當調整也可為其他場景（例如城市軌道交通場景）提供支持。

未來軌道移動通信網絡架構如圖3 所示，采用MEC 技術優化城軌交通通信系統，其主要思想是在鐵路沿線部署MEC 服務器，使列車通信數據在源頭附近就能得到及時有效的處理，達到提升無線傳輸穩定性和降低時延的目的，并最終提升用戶體驗。另外，基于MEC 技術的城市軌道交通系統中，列車實時感知的道路狀況、障礙物和周圍環境等信息可通過MEC 技術實現快速計算和傳輸，從而預測下一步該如何行駛，進而提升列車全自動駕駛的可靠性。采用MEC 輔助的城軌通信網絡架構可以在通信、娛樂、視頻監控、系統維護和RIoT等多個方面給予支持，為相關業務提供低時延、高帶寬的運營環境。

圖3 未來軌道移動通信網絡架構

3.3 人工智能與列車編隊技術

與人工智能技術結合的智慧城軌交通系統可以簡化列車與地面之間復雜的通信系統結構，從而得到運營效率高、資源利用率高的優化方案。采用T2T 通信的列控系統，增加了列車與列車之間的直接通信技術，系統內部的T2G 鏈路和T2T 鏈路之間可能會出現資源復用的問題，使得頻譜資源更加緊缺，給城軌通信系統帶來了更大的壓力。

為了解決T2G 與T2T 之間同頻干擾問題，針對T2T 通信資源分配問題，提出了一種基于多智能體深度強化學習（multi-agent 2eep reinforcement learning，MADRL）算法，該算法將每輛行駛中的列車看作一個智能體，智能體與環境進行交互后獨立地選擇下一步的動作，實現信道資源的有效分配。與參考文獻[14]模型類似，假設如圖2 所示的T2T 通信場景，仿真所需的詳細參數見表1。

T2T 架構系統中的列車數量與系統的總吞吐量之間的關系如圖4 所示，與隨機方案相比，所提方案可以有效地提高系統的總吞吐量，并且隨著列車數量的增加，所提方案的優勢更加明顯。隨著列車數量的不斷增加，系統的總吞吐量也隨之增加。然而，隨之增加的T2T 鏈路和T2W 鏈路數量會帶來更多的同頻干擾，從而導致系統吞吐量的增加速率變慢。仿真結果驗證了MADRL 算法在通信資源分配場景的優越性，該方案可以有效解決頻率資源緊張、同頻干擾等問題。

在類似于T2T 通信架構的系統中，編隊控制是一種能夠提升系統效率的有效控制手段，在相關領域已經有了非常多的應用實例，例如艦艇編隊、戰機編隊等。通過編隊技術可以發揮系統內各組成部分的最大優勢，提升系統整體性能。早在2014 年“Shift2Rail”項目問世以來，歐洲便將研究方向聚焦于虛擬耦合列車[28]。虛擬耦合列車編組技術可以實現更加靈活的列車編組控制。列車協同編隊以T2T 通信為技術基礎，以自動控制和駕駛為操作手段。T2T 通信架構下的列車協同編隊系統結構如圖5 所示，在列車協同編隊系統中，每輛列車在高精度定位技術下，可以知道自己所運行的準確位置。通過T2T 通信，相鄰列車周期性地獲取彼此的位置和速度，基于這些信息進行列車追蹤，可以進一步縮短列車行車間隔，提升城軌運營效率。

表1 仿真所需的詳細參數

圖4 系統總吞吐量與列車數量之間的關系

圖5 T2T 通信架構下的列車協同編隊系統結構

隨著我國城軌交通的快速發展，行業信息化建設也已進入快速發展階段，高速、穩定的通信業務需求不斷產生和擴展，自動駕駛、RIoT、高清視頻監控、列車信息實時遠程監測、智能列車、智能化旅客服務等多種新型智能化業務需求不斷地涌現。然而，全國城軌交通發展條件、起步時間、基礎建設水平和目前所處的階段均存在差異。伴隨一系列先進新興信息技術的高速發展，城軌交通智能化水平將在現有發展的基礎上大大提升。以機器學習為代表的與人工智能技術相結合的新型通信、控制解決方案將為城軌交通系統的發展注入新鮮血液，推動“智慧城軌”的發展與完善。

4 技術與挑戰

本節首先對采用不同技術架構下的通信系統進行橫向對比，見表2。接著分析、討論并提出了一種未來城軌通信網絡架構以及可能面臨的挑戰，為后續“智慧城軌”交通的發展奠定了研究基礎。

表2 城軌交通通信技術對比

4.1 無線通信覆蓋

毫米波頻段和5G-M 系統的提出，在給城市軌道交通系統提供大帶寬和高數據速率傳輸能力的同時，也帶來了無線覆蓋的問題。得益于大規模天線陣列的使用，集中式的大規模多輸入多輸出與波束成形技術相結合，能夠形成方向性佳、增益大的窄波束，從而追蹤移動中的列車，同時大幅提升系統容量[29]。雖然聯合波束成形可以將輻射的能量集中在預期的方向上，以最大限度地減少干擾并大大提高用戶的數據傳輸速率。但列車較高的移動速度給波束搜索帶來一定的阻礙，波束可能無法實時進行調整、對齊[30]，這極大地影響了通信傳輸的質量，需要對波束、列車移動性進行聯合管理。其次，5G 的高頻帶傳輸和較低的覆蓋能力，意味著5G 高頻基站的部署將更加密集，由此引發的頻繁切換問題也將更加嚴峻[31]。由于城軌場景較高的復雜性，毫米波頻段帶來豐富帶寬資源的同時，可能會因為某些遮擋地形環境帶來短時的鏈路中斷，從而造成巨大的安全隱患以及經濟影響[32]。

5G-M 高低頻組網架構如圖6 所示，5G-M 系統以低頻段基站部署宏小區覆蓋，保障高速移動條件下的關鍵安全數據可靠傳輸，提供高魯棒性廣覆蓋；以高頻段基站進行微小區部署，提高非安全類數據的傳輸速率。另外，在新的移動通信網絡架構中，T2T 通信以及邊緣計算設備可以保證一些時延敏感型業務的需求，提升無線傳輸的穩定性，但勢必也會引入邊緣設備的覆蓋和切換問題。在5G 通信系統架構下，可以考慮基于毫米波的T2T 傳輸方案。盡管T2T 通信用于城軌列車盲點警告和碰撞預警時可能不需要很高的帶寬，但預計未來其他應用可能需要系統具備較高的傳輸速率，如列車自動駕駛所需的自動巡航控制。此外，列車毫米波通信系統在圖像和高速數字通信等大容量傳送信息方面也能發揮作用。由毫米波多天線技術所帶來的接收信號信噪比的大幅度提升，可以保障T2T 通信的可靠性，這進一步促進了城市軌道交通系統中毫米波T2T 通信的應用。相關的系統設計和傳播測量在參考文獻[33]中也得到了驗證。

近期較多的研究將目光轉向了異構網絡（heterogeneous network，HetNet）的研究[34-35]。在軌道通信系統中，通過將相互重疊的不同類型網絡融合，可以滿足未來城軌交通的業務多樣性需求。目前存在一個服務對應一個網絡架構的現象；為了能夠同時接入多個網絡，移動終端應當具備可以接入多個網絡的接口，這便涉及在不同網絡之間的切換問題。這種為各類業務建立不同獨立網絡的方式，無法實現城軌交通系統下多業務的綜合承載，極大地增加了網絡復雜性和建設維護成本，同時也不利于未來城軌交通業務的靈活發展。

圖6 5G-M 高低頻組網架構

4.2 協同控制與互聯互通

當前城市軌道交通通信系統采用T2G 雙向通信結構，距離未來可能使用的基于T2T 通信的列控系統還有很長一段路。在這一演進過程中，必然會存在T2G 和T2T 通信共存的局面。此時，T2G和T2T 通信的協同問題影響著列控系統的效率和安全。考慮到資源和能耗的有效利用，以及不同業務對時延和可靠性等性能的需求，應設計出一個恰當的協同通信方案，而不僅是將其中一種通信方式作為另一種的冗余手段。隨著設備計算和通信能力的提高以及分布式或者非集中式思想的發展，多系統合作能夠以更小的代價完成更復雜的任務這一理念開始被人們普遍認同。與單個系統相比，多系統架構，尤其是分布式多系統，具有很多明顯的優點。因此在T2T 通信場景下，可對多輛行駛方向、運行狀態和路線一致的列車進行編隊控制，從而更加有效安全地完成行駛任務。在完成多列車根據需求的分層式體系結構設計任務之后，多列車編隊控制問題便轉化為多輛列車之間行為的相互協作問題，即多列車之間相對運動狀態控制問題的研究。而如何選擇多列車之間的協同控制方案，也是一項具有挑戰性的任務。

此外，由于城軌交通線路主要采用單線建設，運營的方式、設備供應商數目繁多，通信信號制式和接口種類并非統一，資源無法進行共享，各線路列車無法互聯互通，城軌通信系統設備的種類、制式等都不盡相同。這給城軌系統帶來了極高的維護成本與培訓成本，無法為乘客帶來良好的乘坐體驗。互聯互通能夠實現城軌列車跨線路運行，對應列車的通信、信號、運營商等解決方案能夠協調統一。但是互聯互通意味著，設備廠商需要進行協調一致，但這種協調非常困難，近乎不可能。另一種方案是在城軌系統內加裝多套通信以及信號設備，但由于成本過于高昂，可實施性較低。統一規范標準的通信信號互聯互通設備是未來發展的方向；基于統一規范標準，不但可以保護各個廠商的核心技術與知識產權，還可以形成良性循環的產業鏈，促進相關技術的發展。

4.3 安全與效率

軌道交通安全運營是軌道交通發展的重中之重，其永恒不變的主題包含綠色、安全和高效，但是軌道交通運營效率與安全本質上存在著一定程度的沖突。隨著無線通信以及列車控制技術的不斷發展，技術復雜度也不斷提高。為了應對未來可預期的龐大客流，城軌交通列車也將不斷提速，行車密度將不斷增加，追蹤間隔變短，因此對其運營效率提出了極高的發展要求，安全隱患也隨之上升。由于任何系統出現非正常的情況都會導致全線列車的混亂甚至癱瘓，因此需要整個系統各子功能模塊高度協作，這就要求在各類技術發展的同時加大安全系統設計力度并對其協作方式進行優化。

隨著通信技術以及配套列控技術的不斷發展和完善，城軌交通系統已經實現部分線路的全自動駕駛，未來智能城軌交通系統也將更大程度地采用自動控制、遠程監控的駕駛模式。與此同時，故障監測和診斷技術也將隨之不斷提升，這就要求承載城軌列車數據傳輸的系統與時俱進，共同營造一種安全、可靠、智慧、互聯的城軌交通系統。然而隨著列車智能化、信息化的發展，信息安全方面的隱患也浮現；不法分子利用網絡系統漏洞進行網絡攻擊，因此需要構筑一種信息安全防御體系，設置緊急恢復系統與安全冗余裝置，將信息安全隱患造成的風險降至最低，這對智能化、信息化城軌交通系統的發展也提出了一定的挑戰。

5 結束語

新型通信技術的快速發展，為城市軌道交通開啟萬物互聯的智慧軌道交通時代提供了重要的基礎建設支撐。在此應用背景下，本文從城軌通信需求的多個角度出發，介紹了不同驅動因素下城軌通信技術的發展以及未來的演變趨勢。同時分析了一些具有挑戰性的可與“智慧城軌”結合的研究方向，包括T2T 通信技術、MEC 技術、基于MADRL 的通信資源分配技術和列車編隊技術。通過采用新型通信技術與機器學習相關算法優化城軌通信系統，在合理的理論分析前提下，實現更可靠的數據傳輸與更高效的列車控制；在滿足一些未來潛在軌道交通業務需求的同時，保持高質量的用戶體驗。此外，也對未來城軌交通發展的挑戰進行了分析與討論。基于新型通信技術與人工智能等技術的“智慧城軌”交通系統，將助力“智慧城市”的打造，推動相關產業換代升級。我國城軌交通向智能化發展勢在必行。