5G在智能高鐵中的應用

陳 蘇，趙 晟

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 概述

隨著云計算、大數據、人工智能、物聯網、超高清視頻等技術的快速發展，移動通信需求呈爆炸式增長，移動通信系統不再僅僅是為了滿足“人與人”之間的通信需求而存在，而更多是滿足“人與物”和“物與物”之間的通信需求。現有移動通信系統難以滿足層出不窮的新業務發展需求，第五代移動通信技術（5th Generation Wireless Systems，5G）應運而生。

2016 年12 月，中華人民共和國國務院發布《“十三五”國家信息化規劃》，提出統籌國內產學研用力量，推進5G 關鍵技術研發、技術試驗和標準制定，提升5G 組網能力、業務應用創新能力。2020年 3 月，中華人民共和國工業和信息化部發布《工業和信息化部關于推動 5G 加快發展的通知》，明確提出加快5G 網絡建設部署、豐富 5G 技術應用場景、持續加大 5G 技術研發力度、著力構建 5G 安全保障體系和加強組織實施等五方面 18 項措施，全力推進5G 網絡建設、應用推廣、技術發展和安全保障，充分發揮5G 新型基礎設施的規模效應和帶動作用，支撐經濟高質量發展。從國家密集出臺的5G 相關政策可知，加速5G 發展已勢在必行。

5G 與云計算、大數據、人工智能、物聯網、超高清視頻、增強現實（Augmented Reality， AR）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）、北斗導航等基礎信息技術的融合應用，顛覆了傳統的業務形態，催生出全新的服務和應用需求，推動傳統行業進行轉型升級，深刻改變社會生產和生活方式。

現有鐵路數字移動通信系統（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）主要承載語音調度、列控、調度命令、無線車次號校核等窄帶業務，已無法滿足業務智能化發展的需求。2020 年8 月，中國國家鐵路集團有限公司出臺《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，明確提出自主研發新型智能列控系統、智能綜合調度指揮系統以及新一代鐵路移動通信系統，加大5G 通信網絡、大數據、區塊鏈、物聯網等新型基礎設施建設應用，構建泛在先進、安全高效的現代鐵路信息基礎設施體系。因此，作為智能高鐵極其重要的信息基礎設施，有必要對5G 在智能高鐵中的應用進行深入研究。

2 GSM-R系統應用現狀及存在問題

2.1 GSM-R系統應用現狀

GSM-R 是為滿足鐵路應用需求而專門開發的“窄帶”數字無線通信系統，主要提供以下功能。

語音調度通信：滿足列車司機、調度員、車站值班員、運轉車長等行車作業人員間的語音通信需求，并提供站內組呼、鄰站組呼、緊急呼叫等功能。

列控信息傳送：為列控系統地面設備和車載設備提供數據傳輸通道，實現超速防護、防列車溜逸、列車準確定位、應答器信息接收處理、軌道電路信息接收處理等功能。

調度命令信息傳送：為調度系統地面設備和車載設備提供數據傳輸通道，傳送調度命令、行車憑證、列車進路預告、調車作業通知單、調車請求等行車指揮信息。

無線車次號校核信息傳送：為車載設備提供數據傳輸通道，將列車車次號信息上傳至調度中心設備，供其進行校核。

區間維護作業通信：滿足工務、電務、供電、水電等部門區間維護作業通信需求。

應急移動通信：滿足公安、搶修、救援等多部門、多工種的應急移動通信需求。

2.2 存在問題

GSM-R 網絡采用頻分雙工工作方式，僅有2×4 MHz 帶寬可供使用，上行工作頻段為885 ～889 MHz，下行工作頻段為930 ～934 MHz，頻道間隔為200 kHz，扣除隔離保護頻點后，實際可用頻點只有19 對。GSM-R 網絡每個載頻有8 個時隙，使用電路域傳送數據時的峰值速率為9.6 kbit/s，使用通用無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）網絡傳送數據時的峰值速率為171.2 kbit/s，無法滿足下一代列控系統、超高清視頻、乘客信息系統（Passenger Information System，PIS）、物聯網等業務系統對于大帶寬和海量連接的需求。同時，GSM-R 網絡采用核心網-基站控制器-基站三級架構，分組業務需由GPRS 網絡單獨處理，網絡層級多，結構復雜，網元數量多，無法滿足下一代列控系統對于高可靠和低時延的需求。

3 智能高鐵5G應用需求

3GPP 為5G 定義了增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）和超高可靠低時延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）三大應用場景，如圖1 所示。

圖1 5G三大應用場景示意Fig.1 Schematic diagram of the three major application scenarios of 5G

隨著國內高鐵向智能化方向飛速發展，鐵路運輸生產的業務需求已發生巨大而深刻的變化，列車運行自主化、運營維護智能化、乘客出行人性化、應急防災高效化，提升建設運營管理效率，改善乘客出行體驗成為新的發展目標。

如圖2 所示，智能高鐵在下一代列控系統、列車多媒體調度指揮、超視距災害監控、列車運行狀態監測、智能運維、智能運營、車載高清視頻實時回傳、車載PIS、車載Wi-Fi 等方面提出了全新的業務需求。

圖2 智能高鐵5G應用需求Fig.2 5G application requirements of intelligent high-speed railways

4 5G在智能高鐵中的應用

4.1 下一代列控系統

目前，國內時速350 km 高速鐵路采用CTCS-3級列控系統，采用基于車-地通信以地面設備為主的控車模式。CTCS-3 級列控系統屬于固定閉塞制式，列車安全間隔較大，線路利用效率較低。

高速鐵路下一代列控系統是基于無線通信和衛星導航技術的列車運行控制系統，并融合應用基于衛星導航的列車定位技術、高速條件下的移動閉塞控制技術和自動駕駛技術。下一代列控系統將突破傳統的基于車-地通信以地面設備為主的控車模式，向基于車-車通信以車載設備為主的控車模式發展。通過無線網絡實現列車間的直接通信，后車可實時獲取前車的位置信息、速度信息和運行狀態信息，從而實現精確控車。基于車-車通信的列控系統賦予車載設備RBC 功能，車載設備需要獲取大量實時數據，對無線通信網絡的帶寬、實時性和可靠性要求極高。5G 網絡具有大帶寬、高可靠、低時延的技術特點，可用于承載基于車-車通信的列控系統業務。通過5G 網絡實現車-車間大帶寬高可靠實時通信，將閉塞制式從固定閉塞變為移動閉塞，實現列車安全間隔的實時精確控制，大大提高了鐵路運輸效率。同時，減少了大量地面設備，降低了系統全生命周期建設運維成本。

4.2 列車多媒體調度指揮

基于5G 網絡大帶寬、高可靠、低時延的技術特點實現列車多媒體調度指揮，可以為各級調度員提供可視化調度、語音調度、視頻監控、視頻會議、數據會議、文本調度等全方位、多樣化的調度手段。各級調度員與列車司機能夠進行面對面般的交流，并了解列車實時運行狀態，使調度工作更加人性化和精細化。

4.3 超視距災害監控

超視距災害監控可將列車司機視距外的路況高清視頻實時傳至列車駕駛室的監控屏，為司機提供“千里眼”，確保行車安全。目前，高鐵沿線已實現視頻全覆蓋，受限于GSM-R 網絡的傳輸帶寬，無法將地面實時視頻上傳至列車。通過5G 網絡將高鐵沿線的視頻實時上傳到列車，讓司機可以提前觀察前方路況。同時，地面邊緣計算節點對高鐵沿線所有視頻進行實時分析，通過人工智能技術自動判別滑坡、塌方、泥石流、人員入侵、異物侵限等危險情況，并將預警信息和相應的現場實時視頻及時傳送至列車，實現突發事件的車地協同預警與處置。

4.4 列車運行狀態監測

利用5G 網絡低時延、廣覆蓋、海量連接的技術特點，綜合采用智能感知、物聯網、大數據分析、人工智能等技術，對列車整車、走行系統、牽引系統、制動系統、各類車載設備和車廂環境安全等狀態信息進行實時采集和分析，實現對列車運行狀態的實時監測、故障診斷、故障預警、故障分析、趨勢預測和隱患挖掘，保證鐵路運輸安全。

4.5 智能運維

高速鐵路沿線設施設備眾多，維護工作量大；維護機構多，難以統籌協調；天窗時間短，人力資源嚴重不足。以5G 網絡為基礎平臺，綜合利用物聯網、聯網無人機、AR/VR、云計算、大數據和人工智能技術，實現海量數據的采集、分析、處理和資源共享，滿足高速鐵路智能運維的需求。

利用各類傳感器采集橋梁、隧道、路基、軌道等基礎設施和通信、信號、信息、電力、電氣化、機電等系統設備狀態數據，通過5G 網絡實時回傳運維管理云平臺。

5G 網絡賦予聯網無人機超高清視頻傳輸、低時延控制、遠程聯網協作和自主飛行等重要能力，可以實現對聯網無人機的監視管理、航線規范、效率提升。5G 聯網無人機使無人機群協同作業成為可能，運維單位可共享無人機資源，采用“5G 聯網無人機+程序化操作”方式對鐵路沿線各系統設施設備進行統一巡檢，并將各類數據實時回傳運維管理云平臺。

通過對海量回傳數據的大數據分析和人工智能深度學習，預測各系統變化趨勢，變計劃修為狀態修，實現系統全生命周期智能監管，有效提高系統安全可靠性和運維效率。

利用5G 網絡大帶寬、低時延的技術特點，現場維護人員與指揮中心可通過AR、VR 設備進行遠程交流，實現專家遠程在線指導，節省人力和時間成本。

4.6 智能運營

以5G 為基礎網絡平臺，實現以智能旅服、智能環控和智慧能源為標志的智能運營。

1）智能旅服

為旅客提供室內導航、定位、上網、服務預約、信息查詢、信息推送等服務，通過客流分析動態調整售票窗口、進站及安檢通道數量，為重點旅客提供幫助。

2）智能環控

利用各類傳感器采集室內各區域溫度、濕度、照度、噪聲、空氣質量等實時數據，動態調整空調、供暖、新風、照明、廣播等系統工作狀態，提高旅客舒適度，延長設備使用壽命。

3）智能能控

實時監測綜合顯示屏、空調、供暖、新風、照明、給排水、電扶梯等設備能耗，結合視頻和客流分析結果，動態調整設備工作狀態，有效降低能耗。

4.7 車載高清視頻實時回傳

通過5G 網絡將車載高清視頻實時回傳至綜合視頻監控中心，將地面視頻監控網絡與車載視頻監控網絡融為一體。公共安全部門可通過云計算+大數據+人工智能技術的深度融合，自動識別恐怖分子、犯罪分子和行為可疑人員，迅速制定抓捕方案，并自動啟用圖像追蹤和多系統聯動功能，為預防和打擊犯罪以及防范恐怖襲擊提供技術支撐。同時，當列車發生事故、火災、機電設備故障等災害事件時，應急指揮中心可觀看現場實時圖像，為制定應急搶險和防災救援方案提供決策依據，為系統聯動提供技術支撐，有效提高應急救援效率，保證人民生命財產安全。

4.8 車載PIS

5G 網絡將地面PIS 系統與車載PIS 系統融為一體，地面維管人員可通過車載PIS 為乘客提供列車時刻表、列車到站時間、乘車須知、各類公告等運營信息和新聞資訊、娛樂節目、影視節目、體育直播、廣告等公共媒體信息；在緊急情況下，可發布動態提示信息，引導乘客快速應對各類突發事件，保證人民生命財產安全。

4.9 車載Wi-Fi

基于5G 網絡的車載Wi-Fi 可為乘客提供高速移動上網服務，使得沉浸式視頻、移動辦公、無延遲云端游戲、超高清流媒體直播、VR 直播、全息視頻會議、增強AR 等成為可能，豐富了乘客的精神文化生活。

5 結語

隨著新一代通信信息技術的創新突破和融合發展，引發新一輪科技革命和產業變革，推動整個鐵路運輸體系朝著數字化、智能化、網絡化和綜合化的方向發展。智能高鐵是5G、云計算、大數據、人工智能、物聯網、超高清視頻、AR/VR、北斗導航等新興技術與鐵路運輸的深度融合，對提升運輸組織效率、提高經營效益、優化服務品質、增強安全保障能力具有重要的意義。目前，智能高鐵的建設還處于探索階段，還未形成完善的技術體系，還有很多問題需要進一步研究。5G 作為重要的綜合通信平臺，是云計算、物聯網、AR/VR、車-地通信、車-車通信等業務應用的基礎。5G 已不再是傳統意義上的移動通信系統，圍繞5G 可以衍生出很多新的應用和服務，對5G 在智能高鐵中的應用進行深入研究具有十分重要的意義。