5G 在智慧軌道交通中的創新應用

柴文宇，林思雨，鐘章隊

（1.佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院有限公司，北京 100044；2.北京交通大學，北京 100044）

1 引言

2019 年9 月中共中央、國務院《交通強國建設綱要》指出，到2020 年要完成決勝全面建成小康社會交通建設任務和“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃各項任務，為交通強國建設奠定堅實基礎；到2035 年，基本建成交通強國。要實現交通強國的建設目標，需要科技創新支撐和智慧引領，推動互聯網、云計算、人工智能、5G 通信等新興數字基礎設施與交通行業傳統物理基礎設施的深度融合，構建泛在先進的交通信息基礎設施，從而實現智慧軌道交通的大力發展。發展智能軌道交通對軌道交通移動通信系統的安全、容量、可靠性、即時性、泛在等提出了新的、更高的要求。軌道交通移動通信系統承載了軌道交通調度指揮、列車運行控制、故障預警等與列車行車安全息息相關的重要業務，5G 是實現軌道交通全態勢感知和信息互聯的基礎，將成為軌道交通系統信息化和智能化的基石。

2 智慧軌道交通國內外發展現狀

我國軌道交通創新規劃指出要通過持續技術創新，推動軌道交通現代化、智能化水平大幅提高，促進我國軌道交通向智慧軌道交通轉型升級，總體技術水平達到世界領先。北京冬奧會重大交通基礎設施的京張高鐵智能動車組首次采用自主研發的北斗衛星導航系統，成為世界首個能夠實現350 km/h 速度的自動駕駛動車組，可實現列車從車站自動發車、在站間自動運行、運行時間按計劃自動調整等功能，對于提高列車安全性和正點率、降低司機的勞動強度、提升旅客的出行體驗、綠色節能等均有重要意義，此外，京張高鐵還實現了電子客票、一證通行、刷臉進站等科技便民服務，并在沿線高鐵站內配備了各種智能機器人，既能幫助運輸行李，還能自助導航，讓旅客實現智慧出行。全球首個5G 火車站在上海虹橋站建成，車站內5G 網絡提供了精度更高的室內導航，方便乘客找到商場和商店，站內采用的5G 室內數字系統（digital indoor system，DIS）技術能達到1.2 Gbps 的網絡峰值速率，實現下載一部大小為2 GB 的高清電影最快只需不到20 s。全國首個5G 地鐵站已在成都正式開通，車輛故障預測與健康管理（PHM）系統也開始投入使用。上海地鐵智慧車站已實現客流預測監控和安全監控，打造了信號系統智能運維并實現了主動維修決策，同時已開展“多車無人駕駛（unattended train operation，UTO）模式”的動車測試。廣州AI 智慧車站可以實現票務、安檢一體通過、掃描車站二維碼實現站內電子地圖導航以及智能屏顯示車廂客流密度引導乘客選擇車廂等功能。

隨著中國、德國、法國、西班牙、日本等國家高速鐵路網的迅猛發展，世界范圍內的鐵路服務需求持續增長，未來高速鐵路將向著客運服務網絡化、運輸組織智能化、安全監控自動化方向發展。一方面，為進一步強化高速鐵路運行安全、提高運營效率、改善服務質量，鐵路多媒體調度、高清晰度視頻安全監控等新的鐵路業務和應用不斷涌現；另一方面，云計算、大數據、物聯網、人工智能等新技術廣泛應用，催生了高速鐵路自動駕駛、基于空天地一體化和大規模傳感器的物聯網應用以及設備設施服役狀態檢測監控等大量新業務與應用需求，發展智能軌道交通已成為當前世界軌道交通的重要發展方向。國際鐵路聯盟（UIC）倡導鐵路數字化轉型，打造數字化平臺UIC Digital Platform，該數字化平臺會帶給鐵路多元的價值增益。歐盟于2015 年全面啟動“構建未來軌道交通系統聯合行動計劃（Shift2Rail）”，呼吁和提倡智能鐵路設施、智能移動管理、智能鐵路服務等概念，強調更透徹的感知以及更全面的互聯。英國《2012 年軌道交通發展報告》中指出了未來軌道交通發展的安全、綠色、舒適、人性化的建設目標。東日本鐵路公司提出“遠景2027”的轉型計劃，由客運運輸拓展到生活服務，應對老齡化，打造“一站式”城市服務，建立“出行互聯平臺”，節能減排。

3 5G+軌道交通應用場景

我國軌道交通不斷增加的路網里程和客流量使得各城市的軌道交通通信網絡承受了巨大的壓力，同時，在軌道交通智慧化發展的大背景下，各類智慧化應用對通信網絡的能力需求不斷增加，無論是旅客服務，還是軌道交通的日常運營維護、列車運行，都對通信網絡有了更高的要求。在這樣的背景下，5G 技術成為最有希望解決軌道交通移動通信網絡現存問題的新型移動通信技術。

5G 技術與4G 技術相比，具備大容量、廣連接、高可靠、低時延的特點，能夠組建成更加完善、高效、智能的移動通信網絡平臺，更好地與其他智能化技術密切結合，為軌道交通智慧化發展提供了更大的想象空間。

3.1 智慧建造

智慧建造將建筑信息模型（building infomation model，BIM）、地理信息系統（geometry infommation system，GIS）、數字孿生、虛擬現實/增強現實（virtual reality/augmented reality，AR/VR）、邊緣計算等技術與先進的工程建造技術相融合，實現軌道交通工程項目勘察設計、物料管理、工程施工等建設全流程的精細化、智能化管理，例如，在設計階段可以提供多工種技術協作平臺，大幅提升專業間配合、協作效率，提升設計精度；實現工程全要素、全流程數字化，為計算分析和數據應用提供充分依據。5G 技術為這些技術的高效協同創造了可能性。

3.2 智能調度

受限于移動通信網絡的容量，傳統的調度通信系統主要實現語音業務。基于5G 技術大幅提升的容量能力，在智慧軌道交通時代，調度通信系統將迎來業務范圍的極大拓展。在終端側，除傳統的手持臺、車載臺、桌面終端外，各類新型終端形態如攝像頭、AR 眼鏡、智能頭盔、無人機、機器人等都可接入調度系統，基于廣泛的感知終端和平臺統一接入、智能分析的能力，未來的調度系統將成為軌道交通智慧運營的核心平臺，承載音視頻調度、視頻會議、數據統計分析、安全要素管理、遠程AR/VR 指揮等各類業務；在業務上，可以實現基于多媒體、GIS 等技術的多種新型業務，如通過與應急通信、災害監測、周界防護等系統的整合和聯動，增強行車指揮人員掌握現場安全狀況的能力，為各運輸站段、班組提供更加可靠的專用調度通信。

3.3 智能組織

傳統的軌道交通運輸組織主要基于人為決策，隨著新一代通信信息技術的應用，軌道交通運輸組織也將進入更加智能、高效的新時代。基于軌道交通客流數據的智能感知和分析，以及多源客流數據融合的精準計算，能夠實現網絡客流的監測預警、運力資源的優化配置、運能運量的精準匹配，進而實現全自動的運輸計劃編制和列車行車組織；在軌道交通的重要樞紐，通過進行客流態勢演變分析、客流協同管控、安全風險智能感知，能夠提高運輸效率、保障行車安全、提升車站管理能力；在不同交通模式協同方面，在運輸要素充分數字化、智能化的基礎上，軌道交通內部將研究實現市區城軌、市域鐵路、城際鐵路、國鐵干線鐵路等“多網融合”的綜合軌道交通運輸網絡，同時增強與民航、公交等多種運輸方式之間的協調銜接，實現在城市、地區、國家主管部門協調組織下交通資源的信息共享和協同運用，構建運能運量精準匹配、線網運輸互聯互通、乘客出行快捷便利、網絡化運輸組織高效的未來出行服務網絡。

3.4 智能作業

飛速發展的通信信息技術為軌道交通的檢修工作提供了多種新的思路，如通過多種物聯網傳感器、雷達設備等對沿線基礎設施、列車關鍵設備進行全面實時監測；利用巡檢機器人、無人機等新裝備替代人工，大大提升巡檢的效率和范圍；利用視頻智能分析、北斗高精度定位等，能夠實現對現場作業人員的精準管理和安全保障。基于5G 技術提供的更大接入能力，能夠實現現場設備設施、生產任務、檢修作業流程的互聯，通過數據的融合分析和應用，能夠實現生產計劃自動編排、作業任務自動派發、測試數據自動提報、作業工器具自動清點派發、作業地點和軌跡自動記錄、作業關鍵環節自動卡控，從而提高各類作業標準化、智能化水平。

3.5 智慧物流

傳統軌道交通貨運業務主要以鐵路長大干線的大宗貨物運輸為主，而對于快件、分散物流運輸領域，軌道交通的運能一直沒有得到充分的挖掘，這是由于軌道交通的運輸特點更適合運輸“站到站”的標準化、封閉集裝箱/行包，對于要求“門對門”服務的現代物流業，缺乏末端的高效銜接機制，也未打通與城市物流鏈“微循環”。5G 時代，得益于更強大的網絡連接能力和物聯網技術的應用，使軌道交通實現分散化、非標準化物流高效運輸成為可能，如通過物聯網技術實現運輸全程狀態（溫濕度、振動情況）感知，更好服務冷鏈、精密儀器等特殊運輸需求；開發適用于快件物流的智能標準集裝箱，提升貨物裝卸效率，提升運輸資源量化水平，更加便于運輸資源的計劃、調配和運作；基于運輸全環節的數字化加強與上下游運輸環節的銜接，從而充分調動社會物流企業積極性、降低物流服務成本、提升軌道交通物流運輸服務水平。

3.6 智慧車站

智慧車站包含智慧乘客服務和智慧車站管理2 方面內容。

（1）在乘客服務方面，以5G 為代表的新技術的應用將極大提升乘客服務的便捷化、舒適化、智能化水平。如通過動態引導系統取代傳統的人工指引和墻壁標識，能夠更靈活地根據客流情況和開行計劃調整通行方案，大大提升車站通行效率；基于高精度室內定位為乘客提供便捷的站內導航服務，旅客可以通過移動端、車站專用終端等一鍵搜索目的地并生成地圖，快速獲取路徑參考；通過AR/VR、專用熱點等方式，可以為旅客提供多種智能休閑娛樂體驗，增加候車、等待時間的趣味性，提升軌道交通出行方式的競爭力；基于物聯網實時感知和車站設備的聯動控制，能夠對車站環境的溫濕度、光照進行實時調控，提升車站環境的舒適度。

（2）在車站管理方面，基于智能音視頻分析、物聯網感知、精準安檢等系統，能夠實現站內安全要素的智慧感知，第一時間識別危險因素，發生安全事件時，通過一體化智慧系統進行快速處置，并第一時間協調醫療、消防等援助資源；通過對車站設備的全面狀態監測、自動控制，實現車站設備設施的全生命周期管理，構建智慧車站綜合運管平臺，提高車站設備設施的安全運行質量，打造綠色、節能、高效的智慧車站。

3.7 智慧票務

軌道交通行業已基本實現了電子購票和無紙化乘車，未來基于各類身份認證技術的發展和通信網絡能力的增強，可以進一步提升票務服務的智能化水平，如利用生物識別、無感支付等多制式身份認證，提高售檢票、乘車的效率和智能化水平；基于視頻監控、生物識別、人工智能等技術的結合應用，可以探索與軌道交通客流相適應的智慧票檢、安檢合一的新模式，實現“人”“票”“物”以及異常行為四合一核驗，提高效率、安全和服務品質；基于實名制、個人信用體系等認證機制，擴大可信乘車憑證的互聯互通范圍，推進跨平臺、跨場景的乘車票務服務，提高城市間乘車便捷度；票務系統的充分數字化使得管理部門能夠更加精細的掌握客流數據，從而促進客流數據運用智慧化水平的提升。

3.8 智慧接駁

在多種交通方式網絡化運營的大背景下，中轉、換乘環節的有效、便利銜接能夠大大增強交通的通達性，也可極大地改善乘客體驗。隨著5G 等新一代通信信息技術的應用，整個交通行業的數字化水平不斷提升，將建立平臺化的服務模式，乘客、各類交通資源、管理部門的信息能夠打破壁壘形成一個整體，為乘客創造順暢、無縫、靈活的出行體驗，例如，軌道交通樞紐車站與出租車、網約車、公共交通實時共享客流情況、協調交通資源，從而減少乘客滯留等待的時間；整合實時城市天氣、路面交通擁擠度信息，為乘客提供室內交通路徑參考；中轉聯程環節通過深度合作機制提升換乘效率，如機場、車站實現安檢互認、行李直達等服務，減少重復環節、節省乘客換乘時間。

4 5G+智慧軌道交通面臨的關鍵技術挑戰

5G 移動通信技術的目標是提高數據速率、減少延遲、節省能源、提高系統容量和實現大規模設備連接。軌道交通智能化需求有其自身的特點，包括單一場景下的差異化業務服務需求、高安全性和高可靠性，其應用場景也具有高速移動等典型特征。因此，利用5G 技術支撐軌道交通智能化發展仍然面臨多方面的技術挑戰，包括信道與天線技術、物聯網技術、邊緣計算技術和網絡切片技術。

4.1 多天線技術

多天線技術是5G 無線通信系統能夠實現高系統容量和大規模設備連接的關鍵技術。然而列車高速移動場景下信道會同時發生時域和頻域的選擇性衰落，多天線技術需要能夠通過快速對波束進行調整從而跟蹤信道的變化，因此需進一步關注軌道交通應用場景波束管理的相關研究，研究重點包括：高速移動場景下魯棒的、低開銷的波束對準方法，太赫茲無線回傳網波束管理技術，可減少干擾并最大化網絡性能的波束管理策略，面向高速移動用戶的大規模多入多出（MIMO）高增益波束成型算法等關鍵問題。

4.2 物聯網

物聯網可以全面感知交通運輸基礎設施、工具的使用狀況，監控交通運行情況，因此，物聯網技術的不斷發展將為智慧軌道交通系統的進一步發展和完善注入了新的動力。物聯網的技術挑戰主要是以下2 方面：①物聯網技術需要與軌道交通行業信息化需求緊密結合，在智慧軌道交通物聯網中關鍵技術、標準化、產業化等方面亟待突破；②亟需具備更精確、更全面的感知能力，解決低功耗、小型化和低成本的問題。

4.3 邊緣計算

利用物聯網自主收集數據只是基礎任務，而智慧軌道交通更高的挑戰是自主決策。邊緣計算技術采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務，以實現低時延的精準決策為目標。軌道交通領域中邊緣計算應用場景眾多且差異化較大，針對多樣化需求，存在巨大的性能及功能差異性。面向智慧軌道交通的邊緣計算系統需要能夠針對不同工作負載，設置指標的權重和優先級，以便系統選擇最優分配策略。此外，當前邊緣計算產品缺乏通用技術標準，現有邊緣計算設備接口、數據的標準不一致，相互之間無法互認，跨廠商的互聯互通和互操作存在巨大挑戰，需要在智能交通領域針對接口、數據協議、網絡能力等方面建立統一的技術要求。軌道交通系統要求的高可靠性和高安全性也對邊緣計算的安全提出了嚴峻挑戰，邊緣計算的分布式架構增加了攻擊向量的維度，智慧交通客戶端越智能，越容易受到惡意軟件感染和安全漏洞攻擊，車輛高度動態的環境也會使網絡更加易受攻擊和難以保護。

4.4 網絡切片

網絡切片技術是在同一個物理網絡上構建端到端、按需定制和隔離的邏輯網絡，提供不同的功能、性能、成本、連接關系的組合，支持獨立運維，為不同的業務和用戶群體提供差異化的網絡服務。智慧軌道交通擁有豐富的應用業務場景，各個場景對于網絡性能的需求存在差異性。由于網絡切片技術可根據特定網絡能力和網絡特性提供組建邏輯網絡的能力，因此，網絡切片技術可以為不同業務場景的智慧交通業務提供端到端的大帶寬、低時延、高可靠性的靈活定制化服務，實現業務的快速上線和更極致的用戶體驗。然而，智慧交通領域業務場景豐富，要實現端到端服務質量（quality of service，QoS）和確定性時延的保障方法則需要進一步研究。

5 智慧軌道交通技術架構

未來智慧軌道交通技術架構是諸多新思路、新技術的融合，將從感知層、網絡層、平臺層、應用層多個層面進行重構整合。以5G 技術為代表的新一代信息通信技術將促成一系列行業信息通信（information and communications，ICT）技術架構的變革：促成網絡、存儲、計算等資源的集中管控和使用；促成數據資源的集中管理、分享以及安全保護；促成無線制式的多樣式發展，融合專用寬帶通信網絡、公眾移動通信網絡、窄帶大連接物聯網絡為行業所用；促成人工智能技術對行業應用的升級和改造，催生出新業務、新模態。

智慧軌道交通技術架構的發展將遵循“大智移云物”的技術路線，綜合采用大數據、人工智能、移動通信、云計算、物聯網等技術，具體架構如圖1 所示。

圖1 智慧軌道交通技術架構

（1）智能感知層作為構建智慧軌道交通的基礎，是感知真實世界的觸手，也是融合物理世界和信息世界的紐帶。智能感知層的功能是采集信息，包括通過傳感網、攝像頭、檢測設備、作業設備等多種手段，自動化獲取設備設施健康狀況、外部環境條件、人員作業信息等數據，全方位了解整個軌道交通運輸系統的運行情況，為上層的精細化管理提供支撐。智能感知層包括傳感器、攝像頭、監測檢測設備、作業終端等設備。智能感知層獲得的信息包括設備設施信息、人員信息、作業過程信息、環境信息等。

（2）寬帶與泛在的通信網絡既包括有線傳輸網絡、數據網，也包括各類無線網絡；既包括軌道交通專網，也包括運營商公網、WLAN 網絡等；既包括地面網絡，也包括衛星系統，目標為構建空天地一體、公專融合的通信網絡。

（3）平臺方面，云計算平臺可為數據共享及應用集成基礎平臺提供統一、可彈性擴容、便于實現數據集成的集約彈性基礎設施，可避免煙囪式建設問題，并有效降低軟硬件投資及運維成本；大數據平臺等提供大數據處理、智能分析、融合運用功能，通過人工智能服務提供智能分析及輔助決策能力，支撐上層各類主題應用。

6 總結與展望

智慧軌道交通是傳統基建與新基建的融合，是物理基建與數字基建的和諧統一。5G 移動通信系統作為新基建的核心技術，是軌道交通智慧化建設的重要支撐。為實現軌道交通系統的智慧建造、智能調度、智能組織、智能作業、智慧物流、智慧車站、智慧票務和智慧接駁等八大應用，5G 移動通信技術還面臨著多天線、物聯網、邊緣計算和網絡切片等方面技術的挑戰，需要根據軌道交通的應用特征和需求特征進行深入研究和技術創新。本文提出的基于“大智移云物”技術路線的智慧軌道交通技術架構，可為未來以5G 技術為代表的新一代通信信息技術將為智慧軌道交通建設提供有力支撐。