5G在鐵路智能車站中的應用

陳瑞鳳，李君，徐春婕，程清波，呂曉軍

（1. 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； 2. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081）

1 引言

5G通信的全面商用是我國發展“新基建”的重點工作之一，加速5G發展已上升為國家戰略，對搶占全球科技制高點、推進產業轉型升級意義重大，也是驅動我國經濟社會發展和生產生活方式發生巨大變革的重要引擎。

5G通信與物聯網、邊緣計算、大數據、人工智能、增強現實等新型信息技術的融合應用[1-2]，推動了智能交通、工業、醫療、教育、能源等相關行業利用高新技術改造傳統產業的轉型進程，也催生了一系列通用產品，例如車聯網、群體無人機、云VR/AR可穿戴設備、智能機器人、攝像頭、安檢儀等智能監控識別設備等，在自動駕駛、運維巡檢、遠程監控、高清直播傳輸、遠程培訓等應用場景將發揮巨大的潛力和優勢[3]。

隨著數字化、智能化技術的突飛猛進，各應用領域均取得了突破性進展，作為綜合運輸體系骨干的鐵路行業也面臨著前所未有的機遇和挑戰。“智能鐵路”的概念應運而生[4]，近年來德國、法國、日本等發達國家圍繞智能鐵路技術已展開了一系列創新實踐。與此同時，我國的高速鐵路發展也取得了顯著成就，積極響應“交通強國”戰略方針，形成了具有中國特色、擁有自主知識產權的高鐵成套技術裝備和體系，為高速鐵路建設發展提供了強有力的技術支撐。

智能車站作為“智能鐵路”的重要組成部分[5]，借助先進的客運管理理念和新型信息技術，具有為旅客提供便捷精準的出行服務、營造溫馨舒適的候車環境、提升客運管理效率、實現綠色節能環保等優點。目前，國內智能車站已在長沙南站、昆明南站、中國鐵路鄭州局集團有限公司等都開展了試點推廣應用，取得了良好的經濟效益和社會效益。但是，一部分客運服務應用（例如旅客站內出行引導、環境舒適度監控等），目前仍采用傳統的藍牙定位、無線傳感器網絡等技術，存在部署成本高、施工量較大、運維困難等問題。隨著5G技術的規模化商用，人們有必要將5G應用于智能車站信息化建設中，只需借助既有的運營商網絡，便可實現智能車站出行引導、環境舒適度監控等客運服務業務信息的可靠、穩定、高速傳輸。

因為5G通信具有高速率、低時延、廣連接、高可靠、支持快速部署、支持高速移動性等優勢，其在智能車站的建設中具有非常可觀和廣闊的應用前景。隨著智能車站的迅猛發展，5G通信對支撐智能車站客運服務與管理業務具有著重要意義，因此非常有必要采用5G通信技術實現智能車站相關業務信息的可靠、穩定、高速傳輸，為旅客出行和客運管理提供智能化、全方位的信息服務。

2 鐵路智能車站發展現狀

作為鐵路運輸系統的重要組成部分，鐵路客運車站在客運服務過程中占據著舉足輕重的作用。客運車站是直接面向旅客并提供客運服務的主要場所，為旅客提供進站、候車、換乘、出站等全行程出行的綜合信息服務。

隨著5G通信、人工智能、物聯網、大數據、云計算等新型信息和通信技術的迅猛發展，鐵路客運車站也將向數字化、智能化的發展方向轉型，因此，鐵路智能車站應運而生[6]。鐵路智能車站借助先進的現代鐵路管理理念，在5G通信、人工智能、物聯網、大數據、邊緣計算等新信息技術的基礎上，實現旅客便捷出行、車站溫馨服務、生產高效組織、安全實時保障、設備節能環保等功能。智能車站服務主要涉及旅客出行服務、智能生產組織、智能安全保障、智能綠色節能等業務，具備全面感知、自助服務、資源共享、協同聯動、主動適應等特征[7]，如圖1所示。

圖1 智能車站概念示意圖

目前，智能車站已在國內數個鐵路客運車站開展了試點應用，在旅客出行服務、生產組織、安全應急、綠色節能等方面部署了大量的信息系統及自助化設備，實現了車站相關業務的信息化，為旅客提供便捷溫馨的出行服務，為工作人員提供生產作業過程的智能化手段[8]。

2.1 智能車站旅客出行服務

在旅客出行過程中的進站核驗、出行引導、查詢交互以及重點旅客服務等方面，智能車站都采用了智能化信息系統和自助設備，提升旅客出行體驗。隨著全面“電子客票”的普及實施，我國鐵路客運車站已實現了基于人臉和身份證的實名制進站核驗系統，通過刷臉進站方式，縮短旅客排隊驗票時間，提升進站通行效率。國內一部分車站已上線應用了基于藍牙定位技術的站內旅客引導導航系統，可以實現站內定位、目的地語音導航、室內外一體化導航等旅客出行引導功能。此外，北京西站在站臺上設置了電子引導標識，可以動態顯示列車車廂位置及編組情況，引導旅客快速乘車。目前，針對旅客查詢交互業務，在西安北站、廣州南站、太原站等客運車站已經應用了智能旅客服務機器人，為旅客提供車次、候車室、正晚點、車站概況、車站布局等信息的查詢服務和移動導航服務。國內大中型車站均設置自助查詢機，便于旅客查詢列車車次及時間信息、停靠站信息、公交地鐵等換乘信息、周邊旅游信息、賓館住宿信息等。針對老弱病殘孕等重點旅客的出行服務需求，智能車站為重點旅客提供多渠道預約服務、無障礙出行服務以及母嬰室、閱讀室、按摩室、休息室、無障礙衛生間等延伸服務。

2.2 智能車站生產組織

在傳統的鐵路客運車站生產組織模式中，工作人員排班基本采用“定員定崗”的形式，人員組織安排也采用傳統的人工組織和通知，按照以天為時間單位制訂并打印的行車計劃進行作業，通過站內對講機完成作業計劃的通知和反饋。

隨著智能車站的上線應用，客運車站生產和服務業務流程得以重組和優化，實現客運作業計劃一體化編制，緊密銜接和組織各生產業務。智能車站管理平臺可以基于運營圖信息和調度信息，生成和調整列車到發計劃，結合車站運營環境，一體化編制全站作業計劃，涵蓋排班、廣播、導向、上水、檢票等計劃，并根據車站實際運行狀態的變化情況，按需配置作業、人員和設備等生產資源，統一、自動調整全站客運計劃，實現業務組織的快捷、高效管理，提升車站客運生產組織和管理效率。智能車站將編制好的作業計劃和命令下發至廣播、導向屏、閘機等客運設備和相關信息系統，實現作業、人員和設備的一體化協同聯動，打造客運生產指揮新模式。

2.3 智能車站安全保障

智能車站采用智能視頻監控、感知傳感器、人工智能和通信技術，在車站重點區域部署智能監控攝像頭，對車站的整體運營環境進行感知，基于人工智能算法對旅客聚集密度、異常聚集與擴散、異物侵入、人群異常行為等情況進行檢測、識別與分析，做出評判和決策建議，以快速開展應急響應處置，保障客運組織的有序開展和旅客出行的安全。

智能車站構建了完善的應急處置辦法，當發生突發事件時，啟動相應的應急策略，保障車站的日常運營安全和旅客財產生命安全。應急疏散采用一體化設計方案，通過部署獨立的應急疏散標識和設備設施的協同聯動，構建旅客安全疏散流線。當發生地震、火災等突發緊急事件時，自動檢票機、閘機、安全門等各類服務設備設施采用聯動設計，自動暢通疏散流線，并通過消防廣播、應急照明、地面LED標識等，指示旅客快速疏散。

2.4 智能車站綠色節能

智能車站采用物聯網、智能感知等技術，實現對站內溫度、濕度、亮度、噪聲、空氣質量等運營環境要素的狀態信息實時感知、采集和捕獲，并采用人工智能算法對運營環境要素的變化趨勢進行預測預警和動態展示。同時，在為旅客營造舒適候車環境的基礎上，采用自動控制等技術，結合列車到發業務，對空調、照明、導向屏等能耗設備進行合理的節能控制，達到綠色環保、節能降耗的目的。

基于運營環境要素的在線實時監測和發展趨勢預測情況，智能車站可生成對空調、照明、廣播、通風等客運設備的控制作業計劃和輔助決策，自動控制客運設備并調節運營環境，在為旅客提供溫馨舒適的候車環境的同時，也實現設備節能降耗的目標。

3 智能車站的5G應用需求

5G通信面向增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、超可靠低時延通信（ultra reliable low latency communication，uRLLC）、大連接物聯網（massive machine type communication，mMTC）三大應用場景[9]，其中，eMBB具有大帶寬高速率特性，uRLLC具有低時延高可靠特性，mMTC具有多連接廣覆蓋特性。5G通信將全面提升包括峰值速率、移動性、時延、體驗速率、連接數密度、流量密度和能效等能力，同時滿足“人與人通信”和“物與物連接”的需求。

5G通信具備大寬帶高速率、低時延高可靠、多連接廣覆蓋等特性，結合人工智能、物聯網、邊緣計算、云計算等信息技術，借助機器人、高清攝像頭、傳感器等多種手段，可滿足對旅客出行服務、生產組織、安全保障、綠色節能等智能車站業務的全面、精準管理需求。表1詳細列出了5G通信三大場景分別對應的智能車站業務需求，具體描述了不同的智能車站業務應用和傳輸指標需求[10]。

表1 5G通信三大場景對應的智能車站業務需求

移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）作為5G核心網的重要應用功能[11-12]，對滿足5G在鐵路智能車站應用的業務需求具有重要作用。以大型鐵路客運站為例，根據業務需求，通常在車站的信息接入機房部署MEC服務器，并在MEC服務器上部署智能車站的不同應用，以支持車站視頻監控等大帶寬業務、應急處置等高可靠業務和運營環境監測等大規模物聯網業務。

智能車站5G應用需求架構如圖2所示，智能車站基于5G通信、物聯網、人工智能、邊緣計算等新型信息技術，依托智能視頻監控、感知傳感器、手持作業終端、智能機器人等監測和服務設備，通過智能車站管理平臺，實現對旅客服務、生產組織、安全保障、綠色節能等智能車站業務的支撐，為旅客提供便捷、舒適的出行體驗，提升客運組織管理的工作效率和智能化水平。

圖2 智能車站5G應用需求架構

4 基于云邊協同的智能車站5G通信網絡

智能車站的機電裝備在日常運營中將會產生海量的圖像、視頻等客運服務數據，需結合5G通信、人工智能、邊緣計算、云邊協同等技術，對海量數據進行實時分析及智能識別。5G通信的高速率、低時延、廣覆蓋特性能夠滿足云端人工智能對運算和存儲能力的網絡要求，并且5G的免布線特性能夠滿足設備現場部署實施的快速施工、靈活部署需求，因此，5G與邊緣計算、云計算和人工智能的融合將有助于智能車站運營模式的升級轉型。

云邊協同的智能車站5G網絡架構示意圖如圖3所示，基于云邊協同的智能車站5G通信網絡部署方案具體流程為：在面向旅客服務、生產組織、安全保障和綠色節能業務的各類終端設備上搭載5G通信模組，在車站內部署5G客戶前置設備（customer premise equipment，CPE）等通信網絡設備，并將智能車站客運服務系統功能部署到車站本地邊緣計算服務器上，云端部署人工智能算法并將訓練模型、用戶畫像等信息推送至本地邊緣云，通過5G大寬帶高速率的實時通信，可以為智能車站客運服務與管理提供新型的、便捷靈活的運營模式。

圖3 云邊協同的智能車站5G網絡架構示意圖

為了滿足車站用戶訪問不同業務的需求，智能車站將采用MEC數據分流機制，5G核心網的用戶面功能（user plane function，UPF）網元在支持MEC分流機制中發揮著重要作用[13]。根據智能車站的業務需求，UPF需要下沉到網絡邊緣，與車站MEC相連，靈活部署在車站本地，以實現數據流量的本地分流。通常的，智能車站的UPF和MEC服務器部署在車站信息機房，MEC服務器與智能車站應用服務器直接相連，并與5G核心網、車站5G基站建立通信路由。當用戶訪問不同業務時，MEC側UPF進行數據業務分流，通過MEC分流機制將用戶5G公網業務分流到核心網，將智能車站的業務分流到智能車站應用服務器，滿足智能車站低時延和數據安全需求，并降低數據回傳對核心網的壓力。

在智能車站5G網絡安全保障方面，通過建立一套完善、全面的安全架構體系及安全防御體系，確保智能車站的業務數據安全、網絡傳輸安全和系統運行安全。在智能車站管理平臺網絡出口部署防火墻、安全通信部件等安全設備，對進入平臺網絡的實體（包括用戶、網絡設備等）實施訪問控制和基于角色的授權管理，確保系統不被非法訪問。智能車站5G網絡的各部分帶寬要保證接入網和核心網滿足業務高峰期需要，按照業務需求的重要次序定義帶寬分配的優先級，在網絡擁堵時優先保障重要業務傳輸。承載重要業務系統及數據的重要網段不能直接與外部系統連接，需要和其他網段隔離，單獨劃分區域。

車站本地移動邊緣云能夠與中心云的客運服務系統協同，整合資源，形成“中心—邊緣”的云邊協同融合架構，有助于系統扁平化，系統運行更加便捷，更便于智能車站旅客服務、生產組織、安全保障和綠色節能等業務的管理。

5 基于5G和云邊協同的智能車站業務應用

圍繞5G通信eMBB、uRLLC和mMTC三大場景，本文將詳細描述5G在旅客出行服務、生產組織、安全保障、綠色節能等智能車站業務的應用架構和關鍵技術。

5.1 基于5G和云邊協同的旅客出行服務應用

旅客對鐵路出行服務的信息化、智能化水平要求越來越高，傳統的鐵路出行服務已經不能滿足市場需求，探索基于5G的智能旅客出行服務技術在智能車站建設中具有非常重要的現實意義。

基于5G通信的eMBB特性，借助車站智能問詢機、服務機器人和旅客移動終端等設備，結合智能人臉識別、語音交互、機器學習等關鍵技術，構建基于5G通信的智能車站旅客出行服務系統架構，通過直觀、友好的交互接口實現定位導航、信息問詢、資訊推送等功能，為旅客提供便捷、無障礙、精確的智能出行服務。

基于5G的旅客出行服務應用示意圖如圖4所示，旅客可采用車站問詢機、服務機器人和智能移動終端等服務設備，通過人臉識別和語音交互技術，提供站內出行引導、問詢、查詢等信息服務功能。通過5G網絡將設備自動采集的旅客頭像信息上傳至邊緣計算服務器，服務器經過快速精準的數據處理，從而獲取進站旅客的出行信息，通過5G將在本站的開檢時間、檢票口、乘車引導等信息回傳至服務設備，精準地為旅客投送候車、檢票等信息，并按照旅客需求推送站內定位導航服務，全方位、多層次、圖形化、智能化地滿足旅客的候車需求，使得旅客可以全程無憂地候車，不誤點不漏乘，提升旅客的出行體驗。

圖4 基于5G的旅客出行服務應用示意圖

5.2 基于5G和云邊協同的智能車站生產組織應用

隨著5G通信、云計算和邊緣計算等技術的廣泛應用，智能車站生產組織的業務架構將采用云化模式，手持檢票機、移動作業終端等相關生產作業設備都將支持接入云化系統，出現云檢票、云辦公、云作業等新型生產組織業務，可以實現精準檢票、智能生產作業、移動辦公等多功能。

結合5G切片網絡能力、增強現實、邊緣計算、云計算和大數據等技術，實現智能檢票、云作業等立體生產作業模式，改變既有生產組織方式。基于5G的智能車站生產組織業務信息交互示意圖如圖5所示，邊緣計算具有較強大的計算和存儲能力，可以通過車站5G通信網將生產作業的處理結果傳輸至車站工作人員，經移動作業終端顯示后，同時也將工作人員的執行反饋結果傳輸回車站邊緣云。

圖5 基于5G的智能車站生產組織業務信息交互示意圖

（1）基于5G通信的AR云檢票

工作人員佩戴AR檢票眼鏡，可對旅客的人臉、票面和證件的圖像進行實時采集和智能識別，并將旅客信息通過車站5G通信網上傳至移動邊緣云，通過人證比對算法實時獲得結果，將人證比對結果通過車站5G通信網實時反饋回工作人員。同時，工作人員也能借助AR眼鏡實現對站內人員的安全巡檢，如果發現重點危險人員，通過5G通信和云計算，實現對重點人員的智能識別，將報警信息反饋回工作人員。

（2）基于車站5G通信網的移動生產作業

工作人員在日常生產作業中，隨身攜帶的移動作業終端可以自動識別工作人員人臉和身份信息，并通過車站5G通信網實現人員到崗定位功能，客運管理后臺將生產作業計劃和調度命令等下發至移動終端，工作人員在完成相關指令之后，將作業反饋結果通過車站5G網絡返回至客運管理后臺。

5.3 基于5G的智能車站安全保障業務

5G通信能夠滿足大帶寬傳輸、超高清分辨率以及快速部署場景的監控需求，因此在智能車站超高清視頻監控和智能識別等安全監控業務中具有巨大的應用前景，例如精準人臉識別、車站人群異常行為監測等應用。

基于5G的智能車站安全保障業務架構示意圖如圖6所示，基于5G網絡的智能車站安全保障應用系統主要由感知層、承載層、平臺層和應用層組成。其中，感知層的感知設備主要由視頻和圖像采集器（例如站內高清監控攝像頭、人臉識別進站閘機等）以及環境異常報警器組成，感知對象包含人員、設備和環境等生產要素的狀態信息；承載層主要由5G傳輸網、視頻監控專網和物聯網等構成，其中，覆蓋車站的5G網絡可支撐站內快速部署的高清監控數據的可靠傳輸；平臺層涵蓋人臉庫、事件庫、模型庫等各類基礎數據庫，并提供用戶認證、權限、接口、配置、查詢等平臺管理和服務功能；應用層借助顯示終端設備，提供精準人臉識別、人群密度與客流量監測、越界報警、人群聚集等異常行為識別、電梯逆行、設備監測、煙霧報警等安全監控應用以及報警功能。

圖6 基于5G的智能車站安全保障業務架構示意圖

5.4 基于5G的智能車站綠色節能業務

5G泛在互聯、低功耗、低時延、安全可靠的特性，極大地解決了智能車站運營環境監測物聯網設備的部署實施和數據傳輸的瓶頸問題，也保障了智能車站設備管控數據的安全傳輸，能夠實現對智能車站運營環境的實時可靠監測以及客運設備的連接管理、智能管控和節能降耗等功能。

（1）基于5G的運營環境監測

基于5G的智能車站綠色節能業務架構如圖7所示，在智能車站內部署各類環境監測傳感器、5G窄帶物聯網（narrow band internet of things，NB-IoT）、5G接入設備和邊緣云，實時監測站內不同區域的溫度、濕度、亮度、空氣質量、噪聲等環境信息，通過5G上傳至邊緣云服務器，服務器在強大的數據資源池進行算法分析和預測，并將相應客運設備的管控決策指令下發至車站，例如在預定時間調節空調的溫度、控制站內的照明、調節不同區域廣播的音量等，對車站的環境舒適度調控進行輔助決策。

圖7 基于5G的智能車站綠色節能業務架構

（2）基于5G的設備能耗監測及節能控制

針對車站客運設備（照明、通風、空調、給排水、電扶梯、變配電、供熱等設備），實現基于5G的設備狀態實時監測和在線遠程控制。在智能車站客運設備上搭載5G通信模組，采集不同區域、不同設備的能耗數據，并通過車站5G通信網傳輸至后臺，為能耗能效評估分析提供數據支撐，超出閾值時報警提醒，提示工作人員查看設備的運行狀態，并通過5G通信網遠程控制相關能耗設備，達到節能降耗的目標。

6 結束語

隨著我國5G商用服務的開啟，通信運營商、垂直行業以及技術公司正在積極合作與實踐，將5G通信技術逐步應用于工業制造、交通運輸、傳媒與物流等諸多垂直行業。順應5G科技革命的潮流，鐵路客運行業也孕育著重大的技術創新需求和發展機遇，將5G通信、物聯網、大數據、人工智能、邊緣計算等先進技術應用在智能車站客運服務與管理的各個業務領域中，打造更加安全可靠、經濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節能環保的智能車站運營服務，從而助力開啟智能車站的新時代。