5G技術在鐵路數字化貨運場站的應用研究

黃敏珍，林曉蕾，李國華，李 楠

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

近年來，5G移動通信技術的發展與應用方興未艾。全球移動供應商協會（GSA）報告顯示，全球超過150家移動通信運營商正在開展5G移動通信關鍵技術試驗與探索[1]，5G移動通信網絡正在成為各國重要的通信基礎設施，并與物聯網（IoT，Internet of Things）、大數據、人工智能等技術融合發展，廣泛應用于醫療、交通、港口、工業等行業和領域[2-10]，推動各行業的業務模式變革與創新。

目前，5G移動通信技術應用也是我國鐵路運輸領域的一個研究熱點。王莉[11]等人將5G移動通信技術應用到站房安全系統，以提升旅客出行體驗和鐵路客運站綜合管理水平；柴琳琳[12]將5G移動通信技術應用于鐵路危險貨物運輸，提高鐵路危險貨物運輸的安全管理水平。

數字化是我國鐵路貨運場站發展的必然趨勢，通過鐵路貨運場站數字化建設，提升鐵路貨運場站運營效率，提高客戶對鐵路物流服務的滿意度。數字化貨運場站具有裝備智能化、泛在互聯、作業高度協同等特點，現有4G移動通信網絡技術已不能滿足現實要求。為此，探討5G移動通信技術在數字化鐵路貨運站的應用場景，借助5G移動通信技術的優勢，加快推進數字化鐵路貨運場站的建設。

1 鐵路貨運場站信息化面臨的問題

我國鐵路貨運場站的信息化建設目前主要聚焦于貨運站、貨檢站等信息系統建設，同時開展了鐵路貨運綜合生產管理與應用、貨運與物聯網融合創新應用、貨運與區塊鏈融合創新應用的研究[13-15]，以不斷拓展延伸服務，提升鐵路貨運場站總體服務水平。

鐵路貨運場站在向一體化現代物流服務延伸發展、促進鐵路多式聯運業務發展的過程中面臨著以下問題。

1.1 物流信息服務功能不完善

參照現代物流的全程服務要求，鐵路物流門到門運輸、智能化倉儲、接取送達、加工等服務水平不高，物流鏈中因物流信息服務不完善，導致信息流不通暢、不及時，出現物流各環節相互脫節的現象。

1.2 信息技術融合創新面臨數據通信瓶頸

目前，隨著數字化貨運場站建設的日益深化，貨運場站大量應用視頻監控、IoT等信息化技術，由于既有移動通信網絡在傳輸帶寬、速率、時延和安全性等方面的限制，在技術應用融合創新時遇到數據通信瓶頸，新技術與貨運站業務融合應用推進受阻，減緩了鐵路貨運場站數字化發展步伐。

1.3 現有通信技術無法滿足技術裝備的發展要求

貨運站的裝卸、貨檢等作業過多依賴現場人員，裝備智能化水平不高，尚不能實現物與物、人與物、人與人之間及時、順暢的信息交換，造成作業和管理效率不高，安全卡控效果不理想。為加快新技術的應用，物流技術裝備的現代化水平應與之匹配，通過泛在互聯，增強各作業環節的業務協同能力。而傳統的4G移動通信技術已無法滿足貨運站場技術裝備泛在互聯與智能化的發展要求。

2 總體方案

5G移動通信技術具有高速度、低功耗、低時延、重構安全等特點，為解決鐵路貨運場站信息化所面臨的問題提供了可能。

圍繞強化貨運場站安全管控能力、提高貨運場站生產作業效率、提升客戶服務水平等目標，針對鐵路貨運場站各種典型應用場景，融合北斗、人工智能、大數據、IoT等先進技術，提出5G移動通信網絡+鐵路數字化貨運場站的總體架構，推進貨運場站安全管控、裝卸作業、貨檢作業、資源管理、物流配送和無人駕駛運輸等方面的數字化和智能化，促進鐵路貨運場站朝著一體化現代物流服務方向發展，提高鐵路貨運場站的集、疏、運各作業環節的協同效率，全面提升鐵路貨運場站面向多式聯運的綜合服務能力。

5G移動通信網絡+鐵路數字化貨運場站的總體架構如圖1所示，包括終端層、網絡層、平臺層、應用層以及標準體系和安全體系。

圖1 5G移動通信網絡+鐵路數字化貨運場站總體架構

2.1 終端層

主要包括通信終端智能采集設備，支持手持機、傳感器、機器人、攝像頭、無人車、無人機等設備數據的接入，主要實現面向貨運場站業務的操作控制、感應感知和數據反饋等功能；貨運場站智能終端支持各種結構化和非結構化數據的接入，按照統一信息接口，規范各類設施設備的接入，包括貨運場站計量設備、電子施封鎖、智能大門、智能貨區貨位等。

2.2 網絡層

構建承載貨運場站業務的5G接入網，可通過微服務進行5G網絡切片，根據鐵路貨運場站不同業務需求，將物理網絡劃分為多個邏輯子網絡，以合理利用網絡資源，提供安全、高效的數據傳輸服務。

2.3 平臺層

利用鐵路貨運集成數據，通過平臺賦能，提供大數據、人工智能、云計算等專業的數據處理、數據挖掘和分析能力，構建開放共享的鐵路貨運場站智能平臺，滿足對定位、視頻回傳及圖像識別等業務需求，增強對各類貨運場站業務的支撐能力。

2.4 應用層

主要面向資源精細化、作業數字化、管理智能化，涉及貨運場站智能安全管控、貨運場站智能裝卸作業、智能貨檢作業、貨運場站資源管理、物流配送和無人駕駛運輸等業務，實現跨系統信息交互，支持多業務全流程協同，提高作業效率，提升鐵路貨運場站的管理與服務水平。

2.5 標準與安全體系

主要包括數據采集、集成、共享等相關規范，明確貨運場站數據安全管理、應急處置和備份恢復等制度，規范數據處理和分析過程，強化系統軟硬件和數據安全，實行鐵路貨運場站分級分類風險管控，為鐵路貨運平臺應用提供完善的安全防護。

3 關鍵技術

3.1 網絡切片技術

網絡切片是借助虛擬化技術將物理網絡切分成多個邏輯上獨立的虛擬網絡，每個虛擬網絡稱為一個網絡切片，擁有獨立的網絡資源。針對差異化業務場景需求，可對每個網絡的資源進行重新配置，以滿足不同的網絡切片對各類業務場景的承載能力，實現“一網多用”，提高網絡基礎設施的經濟效益，滿足低時延需求。貨運場站技術設備眾多，聯網需求多樣。如貨運場站吊車遠程操控業務對網絡安全性和可靠性要求較高，對傳輸時延極為敏感，可采用專網專用型切片獨立承載；無人機監控和巡檢業務需要大帶寬且對傳輸時延較為敏感，但其對可靠性的要求不如操控類業務要求高，可采用公網專用型切片承載。

3.2 邊緣計算技術

不同于傳統云計算架構中將計算資源部署在數據中心機房的方式，邊緣計算將部分計算資源部署在靠近人和物的數據源側，為車輛、貨物和集裝箱全程監控和物流追蹤等實時性要求較高的業務應用提供面向網絡邊緣終端的數據存儲、計算和通信服務，有利于本地業務的快速處理和響應。

3.3 D2D通信

D2D通信是指在一定距離范圍內，用戶通信設備之間可以直接通信，從而大幅降低通信基站的負荷。隨著IoT技術的發展，越來越多具有IoT特征的設備通信終端接入網絡，將D2D通信技術和IoT技術結合，構建高效安全、泛在互聯的無線通信網絡。

3.4 5G網絡安全技術

在5G網絡中，針對不同業務的差異化安全需求，提供更加高效且個性化的身份認證管理；設計靈活的面向業務的網絡安全架構，實現端到端安全防護；定期開展安全評估，建立多維度、標準化、可量化的5G網絡安全評估體系，實現網絡安全態勢動態監控，可依據網絡安全風險預警，及時調整安全策略。

4 鐵路數字化貨運場站的5G應用場景

4.1 作業安全監控與管理

利用5G移動通信+云計算+AI等技術，及時發現各種作業安全隱患，提升貨運場站自動化監控水平和作業安全管理能力。

（1）通過基于5G的視頻多角度監控與分析和邊緣計算等技術，結合前端攝像機、攝像頭、傳感器等終端采集設備，實現對貨運場站大門的實時高清監控。

（2）通過人臉識別技術與5G技術的融合，實現貨運場站人員過閘、人臉考勤，并將檢查結果實時反饋到監控中心。

（3）實時監督和記錄貨運場站作業人員的活動路線，貨運場站作業人員的歷史活動軌跡；同時，通過邊緣節點的計算和分析，檢測和判別貨運場站作業人員是否按照規定佩帶安全帽或者穿著反光衣，對其不安全行為進行提醒，并記錄違規行為。

（4）實現堆場的火焰、煙霧、液體泄露等安全隱患的自動檢測和預警，提升應急處置能力。

（5）與智能視頻分析、無人機巡檢等技術結合，實時發現問題，對異常情況進行及時預警，同時提供作業環境、集裝箱號識別、集卡車牌識別等功能，自動判斷箱號與采集數據是否一致，及時根據業務邏輯進行分析和卡控通過。

4.2 智能裝卸作業

利用5G技術，實現貨運作業自動化，提升裝卸作業效率和貨運管理水平。

（1）將5G技術應用于集裝箱箱區和箱位管理，利用虛擬現實（VR，Virtual Reality）、現實增強（AR，Augmented Reality）和混合現實（MR，Mixed Reality）等技術，在貨運場站實景顯示上疊加虛擬景象，模擬貨物交接、裝卸過程，并結合數學規劃和啟發式算法等多種優化引擎，自動生成高效、低成本的裝箱方案，提升集裝箱裝卸作業的自動化水平。

（2）基于5G通信對吊機實施遠程控制，實現現場作業無人化，既可降低人力成本，也有利于消除作業安全隱患。

4.3 智能貨檢作業

通過5G技術與云計算、區塊鏈、大數據技術的融合應用，提升貨檢作業和限界管理的智能化水平。

（1）改變依靠現場貨運檢查員拍照后上傳系統的傳統貨檢作業模式，結合VR、AR技術、高清智能識別和智能分析技術，將貨檢作業過程的高清視頻通過5G網絡傳送到貨運場站調度中心，實現貨檢作業實時遠程監控。

（2）通過貨檢作業全過程的高清視頻實時采集和智能分析，可自動識別貨物裝載加固、篷布遮蓋、門窗蓋閥等不良情況以及超限、偏載等常見貨檢安全問題并告警，減輕貨檢員勞動強度，保證貨檢作業質量。

4.4 貨運場站資源管理

結合IoT數據采集、圖像識別處理、北斗定位等技術，將鐵路線路、車輛、箱區箱位、堆箱以及場站資源等數字化，實現鐵路貨運資源IoT應用。

（1）結合GIS、VR、AR和3D全息投影技術，提供清晰明了的圖形化展示，便于相關人員掌握貨運場站資源的配置與布局。

（2）利用RFID等IoT技術，可跟蹤貨運場站資源的位置和運動軌跡，方便相關人員掌握貨運場站移動資源使用情況。

（3）結合AI技術，由系統智能推薦裝卸作業方案，減輕貨運場站調度人員工作強度。

4.5 物流配送和無人駕駛運輸

通過5G技術與物聯網、GPS北斗定位、無人自動駕駛技術的結合，在提升貨運場站作業自動化水平和物流全程配送服務水平。

（1）利用射頻識別、條形碼掃描、車載GPS定位和可視化手段實現物流智能配送；通過對車載GPS定位，在電子地圖上顯示車輛位置和運行軌跡，根據終端設備采集的定位數據，對物流過程的貨物進行監控和跟蹤。

（2）在貨運場站集卡上加裝5G終端和無人自動駕駛系統，使其自主完成正常駕駛和避障行駛，實現集裝箱在貨運場站內的無人化自主運輸，節約人工成本，提升貨運場站內貨物運輸自動化水平。

（3）在貨車運行過程中，在車輛進行調車、減速等作業時，可通過D2D通信方式，對附近其它車輛的駕駛員予以警示；在緊急情況下，系統可自主控車，以縮短駕駛員面對緊急狀況的反應時間，降低事故的發生率，減小事故傷害。

5 結束語

5G技術有助于解決鐵路貨運場站信息化建設所面臨的諸多難題，是突破數字化鐵路貨運場站當前發展瓶頸的關鍵技術。本文針對5G通信技術在鐵路數字化貨運場站的融合應用，提出5G移動通信網絡+鐵路數字化貨運場站的總體架構，對關鍵技術進行討論，重點探討貨運場站智能安全管控、貨運場站智能裝卸作業、智能貨檢作業、貨運場站資源管理、物流配送和無人駕駛運輸5類典型應用場景，以提高貨運場站作業效率和管理水平，加快推進鐵路數字化貨運場站的建設。

下一步將結合上述應用場景，開展具體應用方案研究與開發，緊跟鐵路5G移動通信設施的建設步伐，早日實現應用的落地實施。