基于 5G 通信的智慧地鐵運營模式設計

景 亮，趙 程，燕 玲，陳燕靜

（1. 寧波市軌道交通集團有限公司，浙江寧波 315010；2. 中國工商銀行股份有限公司，北京 100140）

截至2019年12月31日，國內包括北京、上海、廣州、南京、武漢、重慶等40個城市開通運營城市軌道交通線路共計208條，運營里程達6 736.2 km，車站3 982座。其中，地鐵線路占比76.9%，運營人員達幾十萬人，巨大的運營規模帶來大量的運營人力成本和設備成本。而且，由于地鐵屬于公共交通工具，巨大的運營成本限制了其建設規模和運營使用。本文基于5G通信技術發展的現狀及技術特點，探索5G通信在地鐵運營中的應用，推動地鐵運營進一步智能化、無人化，加速智慧地鐵發展，減少運營人員數量，降低運營成本，實現智慧地鐵運營可持續發展。

1 發展現狀

1.1 地鐵運營發展現狀

地鐵作為一種城市公共交通運輸工具，具有運輸量大、方便準時、安全快捷等特點，各機電系統相互獨立運行，并統一由中央運輸調度中心指揮，平均每公里配置運營管理人員達70人左右，對地鐵各系統進行管理、維修、服務等工作，人工、設備設施維護、能源等運營成本巨大，導致每個城市的財政系統需要對地鐵運營進行巨額的財政補貼。近年來，隨著地鐵開通運營規模不斷擴大，運營成本直線升高，各城市為降低地鐵運營成本，不斷探索使用新技術，實現信號、綜合監控、自動售檢票等系統智能化轉型。地鐵智能化系統是以電力/電氣化、信號、通信以及信息系統為基礎的綜合平臺，運營模式逐步向多專業運維服務、線路整包、長合同周期運維服務轉變，可明顯降低每公里運營管理人員的數量，提高系統的智能化水平。目前國內地鐵智能化系統產值構成比例如圖1所示。

圖1 國內地鐵智能化系統產值構成

1.2 5G 發展現狀及特點

2019年6月6日，中華人民共和國工業和信息化部正式向中國電信集團有限公司、中國移動通信集團有限公司、中國聯通網絡通信集團有限公司、中國廣播電視網絡有限公司發放5G商用牌照，標志著我國正式進入5G商用時代。5G通信技術作為新一代移動通信技術，為整個信息基礎設施帶來革命性升級，與人工智能（AI）、云計算、物聯網等技術融合構成新的網絡基礎設施，用于收集和處理海量連接產生的龐大數據，其最具潛力的應用特征有3個：增強型移動寬帶（即高帶寬）、海量機器類通信（即廣連接）和超可靠低延遲通信（即低時延）。

從本質上講，高帶寬可提供更加出色的移動數據無線連接，無線通信帶寬大幅增加，上傳和下載速度翻倍提升；廣連接可實現海量數據交易和計算，以及大數據存儲計算，并對數據進行實時挖掘；低時延可實現更快速的數據通信，將數據無線通信延遲控制在100 ms內，傳輸效率更快，能夠滿足大型海量數據的快速無線傳輸。5G網絡性能特點具體如表1所示。

表1 5G網絡性能特點

2 5G 網絡在智慧地鐵運營中的應用

在智慧地鐵運營中，依托5G網絡的性能特點，可實現以下功能：

（1）基于5G 網絡的高帶寬技術，建立車-地通信高速通路，實現車載信號數據下載、車載視頻數據存儲等關鍵業務應用；

（2）依托5G網絡的廣連接特性，對信號、通信、機電、供電、車輛、工務等多專業設備統一管理，實現跨專業的故障診斷、數據分析管理等創新應用；

（3）引入5G網絡低時延技術，將AI和計算能力前置，實現信號處理、列車控制的實時處理，為地鐵列車無人駕駛等應用提供支持。

2.1 高帶寬特性應用

5G網絡的高帶寬特性可以快速為智能運營提供大量的移動數據無線傳輸，具體包括以下應用。

（1）車載視頻系統利用5G的高帶寬特性進行無線傳輸的高速網絡接入，并進行車-地通信實時高速視頻數據存取。

（2）邊緣計算節點可實現對視頻和列車運行數據的快速處理，以及對車載信號數據的全量下載、車載視頻數據的實時傳輸。

（3）地鐵智慧運營云平臺可提供深入分析處理、管理控制和可視化展示等功能。

5G網絡高帶寬特性的具體應用示例如圖2所示。

圖2 5G網絡高帶寬特性的具體應用示例

2.2 廣連接特性應用

物聯采集平臺利用5G網絡的廣連接特性能夠實現全專業設備狀態視圖統一管理，構建網絡全專業關鍵設施設備的在線監測知識圖譜，通過地理信息系統（GIS）視角、網絡視角、線網圖視角、建筑信息模型（BIM）視角呈現路網全專業關鍵設備設施的狀態及指標。地鐵智慧運營云平臺利用5G網絡的廣連接特性，對全專業融合的大數據規律進行分析，梳理信號車輛結合部、信號工務結合部、信號供電結合部、通信供電結合部、通信車輛結合部、機電供電結合部、車輛工務結合部的設備及數據關系，實現跨專業結合部的故障診斷及預警分析，并建立設備全生命周期健康管理，為設備維護計劃及決策提供依據。5G網絡廣連接特性的具體應用示例如圖3所示。

圖3 5G網絡廣連接特性的具體應用示例

2.3 5G 低時延特性應用

車控連接平臺利用5G網絡的低時延特性實現AI能力前置，對車輛、線路運營運維聯動管理提供支持，并建立一套根據運維數據對列車運行及故障處理事態可預測、可快速自動決策執行的機制，實現全專業動態生成應急預案、預測故障延時、影響范圍等運維數據的智能分析。地鐵智慧運營云平臺利用5G網絡的低時延特性，將AI和計算能力前置，實現對信號處理、列車控制的實時處理。5G網絡低時延特性的具體應用示例如圖4所示。

圖4 5G低時延特性的應用示例

3 智慧地鐵運營模式設計

采用5G 通信技術構建智慧地鐵運營體系的無線網絡通道，建設從基礎設施層、能力平臺層到智慧應用層的一體化平臺架構，實現智能感知、智能聯動、智能分析的能力，支撐運營、服務、維保三大智慧運營模式，用數據驅動安全、效率、效益和服務的提升。智慧運營云平臺的總體架構如圖5所示。

圖5 基于5G網絡的地鐵智慧運營云平臺總體架構

3.1 智慧地鐵運營模式設計

智慧地鐵運營模式設計綜合地鐵列車信號數據、列車稱重數據、自動售檢票系統（AFC）清分數據、電信信令數據、監控視頻數據和移動高清視頻數據等多種數據源，通過5G高帶寬網絡實現數據傳輸，基于數據中臺技術進行數據匯總和綜合分析，實現對地鐵站廳、站臺的客流感知預警等態勢分析應用。具體包括以下內容。

（1）指揮控制中心運用BIM技術結合每個站的站廳、站臺客流實時熱力圖，反映客流擁擠情況，高效地進行大客流的疏散，實現客流與列車的動態調整。

（2）指揮控制中心根據歷史數據進行常態分析，實現對全天客流趨勢的實時準確預測，賦能地鐵運營公司執行大客流應急預案。若發現客流和運營策略不匹配的情況，應及時預警并給出相應的調整建議，供網調決策后下發線路調度執行。

3.2 智慧地鐵服務模式設計

智慧地鐵服務模式設計在車站建立基于5G網絡和云服務的乘客體驗區，提供包括高速網絡下載體驗、高清視頻現場直播等服務，在5G覆蓋區域內布設地鐵客服機器人，基于人臉識別、AI等技術，結合5G高速網絡，實現對地鐵乘客的交互式智能化服務。具體包括：

（1）地鐵客服機器人通過5G網絡獲取互聯網數據，支持與地鐵乘客的交互應用；

（2）地鐵客服機器人通過5G網絡獲取云端的人臉識別、AI等分析能力，支持與地鐵乘客的智能化服務；

（3）AFC系統構建基于語音識別購票、視頻問詢查詢、人臉識別和跟蹤過閘等全套智能系統，客服中心不再設置地鐵客服人員，通過人工智能機器人實現乘客與地鐵之間的無線實時交互；

（4）5G無線通信網絡為地鐵大數據實時分析決策提供技術支持，通過分析乘客的運動軌跡，預測其通行時間，并推薦最佳路線。

3.3 智慧地鐵維保模式設計

利用5G網絡的大帶寬、低時延特性，車站工作人員通過配戴5G-AR眼鏡，對車站進行巡檢工作。5G-AR眼鏡將第一視角高清視頻信息發送至指揮中心，指揮中心對收到的信息進行分析處理后，推送AR信息幫助工作人員進行故障診斷和處理，以實時對講的方式指導現場診斷和處理疑難問題，提高運營工作效率。

巡檢機器人通過一個自主運行的機動平臺，搭載多組高性能監測儀器，對站內設備進行全覆蓋監控，可大幅減少“智能化巡檢”所需的固定式傳感器和其他儀器的安裝數量，無需大量布線和改造現有開關柜，在降低綜合運營成本的同時提高運營管理水平。5G高帶寬網絡支持機器人對地鐵線路、地鐵隧道、供電設備和其他設備的自動巡檢。具體包括：

（1）實現對機器人巡檢的實時監控和數據回傳，提升自動巡檢的工作效率和后臺分析能力；

（2）針對系統內的數據，分析判斷某些間隔需要重點巡視的應進行特殊巡檢。

5G網絡的高帶寬賦能車-地通信，提升地鐵運營安全。智慧地鐵維保模式設計通過5G高帶寬網絡建立車-地通信高速通路，實現列車視頻高速轉儲和實時監控；基于5G車-地視頻轉存方案依托5G無線網絡進行傳輸，實現車載視頻監控的車-地轉存需求；基于可視化管理界面支持存儲統一管理功能，實現轉存視頻的統一管理，從而降低管理成本，提高管控效率。具體包括：

（1）地鐵控制中心通過5G網絡，對地鐵車廂進行實時高清視頻監控，針對車廂內的各種突發事件、違法行為進行即時響應，提升地鐵的公共安全性；

（2）在地鐵場站內，通過5G網絡高速下載完整的列車監控視頻，供地面視頻管理系統進行存儲和分析處理。

4 展望

未來，5G通信網絡在國內地鐵系統的全面建設和覆蓋會加速地鐵運營的轉型升級，為智慧出行和智慧運營提供海量數據協同、實時智能分析、精準定位等功能，并將打破既有運營建制瓶頸，實現地鐵運營一崗多能、減員增效、節能降耗的目標，降低運營成本，助力地鐵運營朝著智慧化、無人化方向發展。