5G 技術與鐵路技術站作業的融合應用探討

李博宇，劉啟鋼，孫文橋，王東君，黃 婷

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081；3.中國鐵路南寧局集團有限公司 欽州車務段，廣西 欽州 535099；4.中國鐵路南寧局集團有限公司 柳州車站，廣西 柳州 545007)

在“交通強國、鐵路先行”背景下，鐵路技術站向智能化發展的方向不斷邁進。近年來，5G 通信、人工智能、物聯網等相關技術開始進入高速發展階段，為建設鐵路智能化技術站提供了基礎性技術條件[1]。鐵路技術站智能化建設借助先進的現代鐵路管理理念，以現代化設施設備為基礎，以5G 移動通信、智能控制等新一代信息技術與技術站業務深度融合為核心，實現技術站作業最優化配置，滿足多層次、高效、經濟、快速、安全的技術站作業要求，形成作業高效、管理先進、安全保障有力的智能化鐵路技術站。

1 鐵路技術站作業需求及問題分析

鐵路技術站設有較為完備的調車、機務、車輛等設備，主要生產活動是為鄰近的鐵路區段供應機車和辦理貨物列車的解體、編組作業[2]，以及辦理規定的技術作業。列車到達、解編、出發是技術站的核心技術作業過程，在專門的調度機構指揮下，車務、機務、電務、工務、車輛、貨運各專業相互配合，有效地開展各種活動來完成技術站的整體作業。基于技術站的核心作業過程，將作業內容按專業進行劃分，梳理技術站作業要求、未來發展及通信需求，得到鐵路技術站作業要求如表1 所示。

表1 鐵路技術站作業要求Tab.1 Current and future operation requirements of technical stations

目前技術站的主要作業內容要求人工操控，屬于粗放式的作業模式，根本原因是信息傳輸不暢和信息不對稱，使得信息的可用性較低，導致技術作業效率、安全保障水平偏低、人員成本偏高。未來技術站作業將進入機械化、自動化作業模式時代，具備全面感知、資源共享、協同聯動等特征。要實現智能化、精細化的作業模式，需大量傳感器對站場信息進行全面感知和可靠的實時傳輸。雖然目前鐵路數字移動通信網絡(GSM-R)，4G 移動數據網絡(4G-LTE)與WIFI 等通信網絡已實現部分作業場景信息的傳輸需求，但在帶寬、連接密度、時延可靠性方面都存在著一定改進空間[3]，導致信息實時可靠傳輸率低、信息源點連接數量受限、信息傳輸量受限等問題。

（1）信息實時可靠傳輸率低。技術站的作業過程，需掌握作業現場實時數據信息，有些作業對時間的精確性要求高，這就需要網絡的延時處于較低水平，一般情況下小于20 ms，特定需求要小于10 ms 的時延，且不可斷點續傳[4]，如調車頂送作業智能輔助控制，目前既有移動通信網絡在實時性和可靠性等方面存在限制。

（2）信息源點連接數量受限。技術站站場面積大，業務分布范圍廣，作業過程、站場環境相對復雜，需要對作業過程與站場環境進行動態實時監控和完整的信息數據傳輸。目前站場采集的信息不全面，傳輸方式僅采用點對點傳輸方式，為了實現完整的信息傳輸就需要掌握技術站內多種設備、設施、人員等終端狀態的信息，同時需滿足人與人、人與物、物與物點對多點的實時互聯互通，只有接收到完整的信息，才能有效地對作業過程進行分析與管控，如將站場內分布的大量基礎設施、設備狀態和人員位置等各方面信息通過控制中心集中管控并在云端進行綜合判斷分析。既有移動通信方式無法滿足泛在互聯的連接密度與點對多點的傳輸需求，導致信息傳輸不完整。

（3）信息傳輸量受限。在技術站作業的過程中，會產生大量的信息，大部分信息基本是無損語音、高清圖像，其均對通信網絡帶寬有一定要求。目前作業產生的圖像、視頻需要進行壓縮傳輸，4G 網絡的20 ~ 30 Mbps 帶寬可滿足，但大量高清圖像與超高清視頻無壓縮、無損穩定傳輸時，所需帶寬要求為40 Mbps 以上[4]，如對調車作業前方和線路、環境狀況高清視頻回傳，列檢、貨檢、巡檢作業高清視頻回傳。目前既有移動通信網絡在帶寬方面尚無法支撐，造成信息傳輸量受限。

2 5G 技術與鐵路技術站融合應用設計

2.1 融合業務設計

5G 技術的低延時、高可靠、大帶寬的特性與鐵路技術站作業的融合，已滲透到技術站作業場景的各個環節，并且可以向下兼容目前鐵路技術站使用的通信方式。從業務類型上看，根據5G 高可靠低時延通信、大規模機器類通信、增強型移動寬帶(eMBB)的三大特點和相應的作業需求進行劃分[5]，可將其與鐵路技術站融合的相關作業，劃分為3 個方面的業務，具體設計如下。

（1）控制類業務，主要包括調車頂送作業智能輔助控制、裝卸設備遠控等，這類業務涉及技術站安全與穩定的運營，其特征表現為低時延、高可靠，時延要求為10 ~ 50 ms，在苛刻條件下可滿足時延小于3 ms 的要求，5G 技術在超可靠低延遲通信(uRLLC)場景可為技術站控制類業務提供毫秒級的低時延有力保障。

（2）信息采集類業務，主要包括站場內各作業人員、設備等互聯互通，全面感知信息采集等，其業務是智能化技術站建設的基礎，對應的終端數量多，分布廣泛，連接密度大、連接類型復雜。在未來的發展中，5G 將有力支持技術站信息采集類業務中大量終端匯聚后的大顆粒業務承載。

（3）移動應用類業務，主要包括技術站作業的智能貨檢、列檢機器人、智能領車等相關作業。此類業務對通信帶寬和延時有較高的要求，且表現出靈活接入特征，一般情況下要求帶寬至少為40 Mbps。5G 技術在eMBB 場景下的高速移動寬帶特性，將為技術站此類業務提供高效可靠的技術支撐。

2.2 融合架構

技術站的主要業務場景表現為控制類業務、信息采集類業務與移動應用類業務，其整個作業環節涉及多個參與主體。基于技術站的業務種類，利用人工智能、物聯網(IoT)、邊緣計算(MEC)、設備與設備通信(D2D)、前端服務(CPE)、虛擬影像等相關技術，結合機器人、攝像頭、傳感器等多種設備的支持，實現5G 技術與技術站的融合框架，技術站業務的融合架構主要包括所運用的技術、作業中產生的信息2 個方面，5G 技術與技術站作業融合架構如圖1 所示。

圖1 5G 技術與技術站作業融合架構Fig.1 Integration architecture of 5G technology and technology station operation

2.3 典型應用場景設計

基于5G 技術與鐵路技術站作業的融合思路，設計調車頂送作業智能輔助控制、裝卸設備遠控、智能列檢機器人、智能技術站4 個典型應用場景。

（1）調車頂送作業智能輔助控制。調車頂送作業智能輔助控制由5G 無線通信、攝像機和激光雷達、安全防護等設備組成，可解決作業人工成本高、調車作業安全、效率水平低等一系列問題，實現頂送作業過程中調機完成啟動、停止、正常行駛等傳統人工駕駛行為，并在緊急情況下支持人工遠程接管駕駛任務。作業人員可以在線路上部署感知設備對線路環境、調車作業信息(視頻、位置、目標距離、異物距離、入侵人員距離)進行輔助感知，并進行環境建模，將調機位置和駕駛人員動作等信息通過5G 通信發送到調機上做感知融合，傳送到駕駛室的機車操控系統，實現既有STP 監控、調機前方瞭望顯示、控車模式曲線動態運算等功能[6]。在調機駕駛過程中，調機出現嚴重異常行為時，控制中心人員能在控制臺上進行遠程指導，控制臺需能接收車內、車外視角產生的現場視頻等信息，實現對調機駕駛的遠程監控。

（2）裝卸設備遠控。裝卸設備部署在技術站的貨場區域，裝卸設備遠控可改善作業環境，提升裝卸作業效率，降低投資成本、工作強度、人工作業安全隱患，實現機械化、自動化作業。在設備運行范圍內設置高清攝像頭，采集裝卸設備主要運行機構、吊具等關鍵運行、狀態參數，回傳至中控臺，由控制中心人員進行判定操作，并下發控制命令，實現對裝卸設備準確的遠程靈活控制。

（3）智能列檢機器人。智能列檢主要解決列檢效率低、勞動強度大等相關問題，實現智能化作業。在傳統的列檢基礎上增設機器人等相關技術的檢測設備，機器人攜帶紅外熱像儀和可見光攝像機、蜂鳴報警裝置等檢測裝置，可將列檢產生的各種信息傳輸至遠端監控系統。同時增加監測風險隱患和故障先兆功能，可進行自動判定和報警，報警后通過AR 終端，與控制中心的人員進行實時的雙向音視頻通話，控制機器人對列車關鍵部位信息進行深度采集后，指派作業人員到現場處理。

（4）智能技術站。利用5G 技術，技術站內的人員、設備等生產要素信息可以進行有效的互聯互通，提高資源利用水平和效率。在生產周期內可進行設備、人員、資源等各方面的實時信息采集，更好地進行追蹤，實時監督和記錄作業人員的活動軌跡、設備使用情況、資源配置與布局情況，并將實時產生的信息在云平臺進行大數據智能化分析決策，由相關系統智能推薦作業方案，完成技術站的作業優化，實現生產作業的高度精細化、智能化，從而提升技術站行車、調車、貨檢、列檢、巡檢等作業智能化水平，為技術站提質增效、安全生產提供重要支撐[7]。

3 結束語

鐵路技術站智能化對高效的運輸起著舉足輕重的作用。5G 無線通信技術在技術站中的應用，以鐵路智能化技術站業務需求為導向，以提高技術站作業效率、保障作業安全、創新技術裝備、降低技術站智能化建設和運營維護成本、促進減員增效為目標，構建裝備現代化、泛在互聯、作業高度協同的智能化技術站。下一步嘗試建立技術站的5G 無線通信技術實際應用場景，開展具體方案研究與開發，緊跟鐵路5G移動通信設施的建設步伐，爭取盡快實現典型應用的落地實施[8]，為技術站高質量發展打造智能化的動力引擎。