5G通信技術在貨運站場自動駕駛中的應用

佟 哲

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

鐵路是國民經濟大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程，國內擁有世界最現代化鐵路網和最發達高鐵網。隨著路網規模的擴大、安全保障的需要和業務需求的增長，亟需研究應用5G 技術，發揮其高速率、低時延、大接入優勢，實現鐵路大規模車流、客流、物流產生的海量數據實時傳輸匯聚、深度挖掘和有效利用，促進鐵路網和互聯網融合發展，推動鐵路智能建造、智能裝備、智能運營技術的新提升和智慧出行、智慧物流、智慧平臺的新發展。

國內5G核心技術和產品已實現突破，為鐵路開展5G技術應用提供了良好的技術環境。其中，大規模天線技術、中低頻技術等基本成熟，在產業界的共同努力下，我國5G發展取得領先優勢，5G標準必要專利聲明數量全球占比超過38%，位列全球首位，華為、中興、大唐等企業已實現5G獨立組網設備批量供貨。目前，國內已累計建成5G基站超81.9萬個，占全球比例約為70%，實現全國地級以上城市全覆蓋。

2 5G通信技術的特點

5G移動通信技術結合了超密集組網、全雙工通信、毫米波等關鍵技術，與上一代移動通信相比，性能有了巨大提高。同樣的，5G的特點有低時延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優越的通信質量。

5G指第五代無線電信網絡。這些網絡由兩個主要功能區組成：無線接入網（RAN）和核心網（5GC）。

RAN： 是“通過無線電連接將單個無線設備連接到網絡其他部分的電信系統的一部分”。雖然這樣做的接口是開放和標準化的，但設備需要基站、無線電放大器，管理體系是封閉的，不完全遵守這些標準。RAN設備是供應商專有的，全球市場只被少數幾家制造商所控制，如華為、諾基亞、愛立信等。在第四代無線通信4G中，這部分網絡被稱為“邊緣”。

5GC：構成RAN 與互聯網、有線電話系統、基于互聯網協議（IP）業務之間的橋梁。核心網絡控件在整個網絡上運行函數，網絡上的所有數據都遍歷核心，它決定如何路由這些數據。

貨運站場自動駕駛通信屬于無線通信，其中的通信技術主要有兩種，短距離視頻通信和遠距離的移動通信技術，前者主要是 RFID 傳感設備及類似 Wi-Fi等2.4G 通信技術，后者主要是GPRS、3G、LTE、4G、5G 等移動通信技術。技術發展重點主要體現在應用上，包括機車與機車之間、機車與路下基礎設施之間、機車與控制中心網絡之間。

3 貨運站場列車自動駕駛的發展歷程

在鐵路客運和城市軌道交通領域，自動駕駛技術已進行多年研究，取得了長足的發展。目前國內的高速鐵路、客運專線和地鐵領域，自動駕駛的研發和應用已經比較廣泛。在鐵路貨運領域，國內也已經開始干線貨運專用機車的自動駕駛研究，并取得了一些階段性成果。本文希望提出貨運站場調車機車自動駕駛的應用研究。

在國際電工委員會（IEC）發布的國際標準《城市軌道交通管理和指揮控制系統-第一部分-系統原理和基本概念（Railway Applications– Urban Guided Transport Management and Command/control Systems–Part 1：system Principles and Fundamental Concepts）》（IEC 62290-1 2014）中，將列車運行控制系統自動化分為5個等級（GOA0～GOA4）。

GOA0：視距下的列車駕駛（On-sight Train Operation）。完全由司機人工駕駛。

GOA1：非自動化的列車駕駛（Nonautomated Train Operation）。系統僅在特定位置對司機進行非連續性或連續性的監督駕駛。又可細分為a和b兩個等級。

GOA2：半自動駕駛（Semi-automated Train Operation）。系統控制列車運行，并連續監督列車速度。司機在危險情況下控制列車制動停車，如ATO。

GOA3：無 司 機 駕 駛（Driverless Train Operation）。駕駛室不再設置司機崗位。車上安排值乘人員以應對車門是否關閉等特殊事件。

GOA4：無人監督駕駛（Unattended train operation）。列車上不安排任何工作人員。

4 5G通信技術在貨運站場自動駕駛中的應用

在軌道交通運輸領域5G 網絡將有效提升系統運行效率。鐵路貨運是交通運輸系統主要的領域，對經濟發展起著重要的推動作用，近年來，隨著全國鐵路貨運量的逐步攀升以及日益提高的安全運輸生產要求，貨運站場列車自動駕駛的開發與研制應用非常必要。由于系統龐大計算功能和大流量數據的低時延、高可靠傳輸，使得原有的通信網絡逐漸成為影響發展的瓶頸，難以滿足未來的業務需求。恰逢其時，5G 網絡的出現使得許多影響信息發展瓶頸迎刃而解。

為了實現貨運自動駕駛系統的安全高效，首先需要安全可靠、暢通的5G寬帶無線傳輸通道。最好同時與不同運營商進行商談，盡可能爭取采用不同運營商的兩套獨立無線通信網，實現4G/5G冗余通道傳輸。建設時應優先運用5G通信，在5G技術不能滿足建設要求的情況下，可局部適當降低為4G。

同時考慮設置一套備用降級系統，在極端情況下，4G/5G通道故障、系統整體降級，依靠數傳電臺窄帶通信保證系統的無線通信通道，使系統能夠保持基本的安全運行，防止事故發生。待4G/5G通道故障解除，恢復系統正常運行。

在4G/5G通信模式下，保證控制數據優先傳送，視頻、圖片等輔助信息不能跟控制數據爭搶通信帶寬。

5 5G應用網建設方案

5.1 5G應用網絡覆蓋方案

根據需求設計5G+自動駕駛列車、5G+視頻安防綜合解決方案，通過現場實際勘測在貨運站場的適當位置架設5G基站且覆蓋列車在貨運站場的所有位置。當然盡可能利用附近原有的5G基站，以達到節省建設成本。

如圖1所示，列車上搭載客戶終端設備（CPE），該終端能夠隨著列車行駛過程中，通過和沿線搭建好的5G基站實時建立通信連接，進行貨運站場列車無人駕駛系統信息的傳輸和控制命令的傳遞。同時，列車內、外部的視頻監控信息和安裝在軌旁的攝像頭采集到的信息，也通過5G網絡實時回傳到控制中心（調度室）。

通過實際勘測方式確定5G覆蓋所需的基站數量。網絡覆蓋后，初期在運輸線路上可獨享5G網絡資源，滿足控制信號與視頻圖像回傳需求。未來隨著應用場景的增多，可引入5G網絡切片技術，將一張5G物理網絡邏輯分割為多張邏輯網絡，并且可保證每種業務之間邏輯隔離，可對每種業務單獨作出保障。

圖1 5G網絡覆蓋示意Fig.1 Diagram of 5G network coverage

現階段通過CPE設備將5G信號轉換為Wi-Fi信號或者通過網線傳輸，未來終端設備具備5G模組后可直接接入5G網絡。終端側可以通過CPE將5G信號轉化為Wi-Fi或者網線進行對接，進而與控制中心控制系統交互數據。控制中心通過CPE光纖與控制中心系統設備對接。CPE的5G網絡傳輸速度可以達到2.33 Gbit/s-1.25 Gbit/s（理論值，數據來源于華為官網）。

5.2 4G/5G公網網絡拓撲

如圖2所示，用網絡運營公司提供的2路物理路徑不同的專線通道，由用戶端連接到控制中心系統機房。機房內設置2臺接入路由防火墻。專線電路能夠實現數據隧道加密更好的保護傳輸數據的私密性、安全性。

圖2 地面設備接入示意Fig.2 Schematic diagram of ground equipment access

5.3 4G/5G公網無線路由器

無線路由產品基于MMIPS架構，具有一個MT7621A雙核CPU，其頻率為880 MHz，內存為256 MB。主板上集成了3個GE端口，及2個mini pcie 3G/LTE調制解調器及1個m2 3G/LTE調制解調器, 并且具有以太網（POE）供電功能及直流供電功能。同時在軟件的開發和應用上不斷的更新和發展，使其功能可以不斷增強和完善。特別在無線、認證、策略路由、帶寬控制和防火墻過濾等功能上有著非常突出的表現，能滿足客戶的各種網絡要求。具體參數如表1、2所示。

表 1 CPE設備CPU細節參數Tab.1 Detailed CPU parameters of CPE equipment

表 2 CPE設備傳輸速率Tab.2 Transmission rate of CPE equipment

5.4 產品功能

該款設備目前功能包括無線網絡配置、策略路由、負載均衡策略、速率控制、NAT、VPN、服務質量（QoS）、防火墻配置、用戶訪問控制和訪問記錄、多出口的冗余、帶寬控制、腳本編寫、網絡監控等功能。最大吞吐量通過30次以上的嘗試確定，在64，512，1518 Byte的數據包大小中具有0.1%的數據包丟失容限，經測算該款設備的硬件和軟件配置達到最優效果，可以滿足多種應用環境。

5.5 信號優先級保障

網絡為兩個物理路徑的專網， 每臺車安裝兩臺路由器，通過無線路由器優先級配置，達到信號優先指令-視頻，保障車輛安全運行。

網絡中存在若干種通信模式：機車與機車之間、機車與路下基礎設施之間、車與控制中心網絡之間。

從網絡層面上講，車載終端內部是個局域網，車載終端之間形成了車際網絡，這樣的網絡可以實現人、車、路、云之間的信息。

5.6 控制系統信息指令

系統控制中心設置在調度室或臨近調度室。

控制中心負責整個貨運場站全部信息收集與指令發布，并且收集臨近場站及設施的相關信息與回復，這些信息傳輸均以5G網絡為載體，以達到信息傳輸的同步。

同時，在控制室部署兩臺CPE用于控制系統接入5G網絡，為列車上的自動駕駛系統配置一臺CPE，實現與控制室的實時交互。

5.6.1 控制中心向機車發送的數據

1）調機的作業指令:如機車轉場。

2）機車運行速度曲線:如機車在某處進行對應作業的最高速度及最低速度，防護機車在安全駕駛速度范圍內。

3）安全防護信息:如在遷出線末端、迂回線等防護機車車輛超限。

4）調度系統信息:如調車作業單的發送，站場信號聯鎖信息等。

5.6.2 機車向控制中心發送的數據

1）機車上的視頻圖像信息:如機車前向、側向、后向的視頻監控數據。

2）機車執行作業指令的反饋信息:如作業指令中各工作完成進度及完成狀態。

3）機車的位置信息:主要是機車自身的定位數據，防止系統內丟車。

4）機車運行狀態信息:如機車當前運行速度、柴油機轉速、風管壓力等。

上述場景中傳送的數據可以分為兩類，控制中心向機車傳送的控制信息數據和機車向控制中心傳送的采集數據。其中采集數據又分為視頻、圖像類的非結構化數據和機車位置、狀態信息等結構化數據，控制信息數據要求網絡的高可靠低時延性，視頻、圖像信息對網絡的帶寬要求較高，從而保障系統整體運行的流暢性，5G網絡大帶寬、高可靠低時延的特點正適用本場景的網絡需求。同時，隨著5G網的發展建設，未來可用網絡切片技術隔離控制信息數據和采集信息數據，保障控制信號傳遞的安全性。

6 結論

隨著5G SA組網的發展建設，未來可用網絡切片技術隔離控制和采集信息數據，保障控制信號傳遞的安全性。通過建設高品質5G網絡實現控制中心（調度室）與機車的實時雙向通信。5G基礎設施建設，應在國家的大力主導以及各級政府部門的統籌協調下推動，全面配合下進行，以攤薄單一應用項目實施的成本，提高基礎設施的綜合經濟效益。

切實滿足了現有車地通信延遲高、調車數據傳輸量限制大的痛點，標志著5G在鐵路調車信號領域的成功應用，打造了5G+貨運鐵路通信信號標桿項目，為貨運自動駕駛系統的實施提供有利條件，方便后續開展人工智能和更高級別的調車機車控制系統開發等應用提供了一定的參考價值，具有相當意義的應用前景。