基于5G NR的車聯網在鐵路智慧工地車輛管理的研究與應用

楊 剛

（中國鐵建電氣化局集團有限公司北京城市軌道工程公司，北京 100043）

1 概述

2020年，中國國家鐵路集團有限公司發布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，明確加大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。同時豐富應用場景，以新一代信息技術與鐵路建設深度融合為牽引，打造現代化鐵路智慧體系。

按照前期國內智能高鐵系統體系架構模型，智慧鐵路的建設涉及到建設、裝備、運營等幾個主線開展。

面向智能化建設的方向需求，鐵路建設工地的智慧化管理需要滿足整體智慧鐵路的建設要求。而鐵路智慧工地將人工智能、傳感技術、虛擬現實等高科技技術植入到建筑、機械、人員穿戴設施、場地進/出關口等各類物體中，并且被普遍互聯，形成“物聯網”，再與“互聯網”整合在一起，實現工程管理體系與工程施工現場的整合。

第五代移動通信技術（5G）具有大帶寬、廣連接、低時延等優勢，不僅可以為現場的人員、環境提供管理手段，還可以通過5G 新空口（NR）車聯網技術為鐵路工地上各種作業車輛提供智慧管理手段。與此同時，可實現人與物、物與物的泛在互聯，是支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施。

2 5G特性及場景

5G新空口協議需要支持各種參數集、新編碼、新調制、多流與大規模天線技術，并通過先進的調度與多連接等方案，基于靈活配置的平臺和軟件架構，以滿足不同場景的業務需求。針對連續廣域覆蓋場景，需要采用大規模天線技術、公共信道波束掃描、高效編碼等技術實現大帶寬高性能傳輸。針對低時延高可靠場景，需要采用自包含、Mini-Slot、上行免調度方式來降低空口傳輸時延，通過HARQ快速重傳和降低資源碰撞等技術方案提供數據傳輸的可靠性。針對低時延高可靠場景，可通過對用戶面的協議棧架構進行精簡，以最少的協議子層完成對數據處理的技術手段來降低業務面時延。針對高頻段場景，需要支持大帶寬、數模混合波束賦形、多波束掃描等技術實現高傳輸速率。

5G典型場景分為增強移動帶寬、超可靠低時延通信、海量化機器類通信3種。

增強移動帶寬（eMBB）為現場大量的高清視頻監控提供傳輸通道。借助5G大帶寬特性，用戶可利用高清攝像機的部署實現視頻業務的回傳，通過地面全景、車載等多種攝像機監管現場車輛及駕駛人員。

超可靠低時延通信（URLLC）網絡特性契合車聯網技術網聯化及智能化的發展方向，該場景對吞吐量、時延和可靠性等功能有嚴格要求。可為建設工地提供面向智能無人駕駛、遠程駕駛等應用場景。能夠為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。

海量化機器類通信（mMTC）：該場景為現場提供大量的設備連接能力。可以實現現場傳感器設備的信息回傳，通過大量數據的采集和分析，為車輛的運行提供輔助決策依據。

根據3GPP對5G相關需求的定義，相關系統指標如表1所示。

表1 5G需求定義Tab.1 5G requirements definition

3 5G相關標準

3.1 eMBB參數集和幀結構

1）5G NR的eMBB場景下空口無線幀長10 ms，分為10個長度1 ms的子幀，采用自包含(Self-contained)的時隙結構，時隙長度0.5 ms，每個時隙內同時包含DL、GP和UL符號。

2）系統帶寬100 MHz，子載波間隔30 kHz，采用4 096點FFT變換，有效子載波數目3 264個。OFDM符號長度縮短為LTE的一半，每個slot符號0的CP包含352個采樣點，其他符號的CP包含288個采樣點。

3）每個PRB頻域包含12個RE，長度為360 kHz；時域包含14個符號，長度為0.5 ms（1個slot）。100 MHz全帶寬分為272個PRB。

4）根據不同的上/下行業務負載需求，eMBB場景支持兩種時隙結構。其中，DL-dominant（D）時隙包含10個DL符號，2個GP和2個UL符號； UL-dominant（U）時隙包含2個DL符號，2個GP和10個UL符號，如圖1所示。

圖1 eMBB時隙示意Fig.1 eMBB time slot

3.2 URLLC參數集和幀結構

基于ITU對空口用戶面時延的定義，以下行方向為例，是從應用層數據包到達基站側PDCP服務數據單元（SDU）入口開始，經過空口的正確傳輸，數據包到達終端側PDCP服務數據單元出口，所經歷的單向傳輸時間。可見，下行單向空口時延包含基站側發送處理時延、空口數據傳輸時延、終端側數據接收處理時延3個環節總耗時。4G的LTE物理層標準定義中，以1 ms子幀為基本處理單元，如發送端信道編碼、速率匹配和交織、資源映射過程，接收端信道估計時域插值、解速率匹配和解交織及Turbo譯碼等過程。這種子幀級的處理時序無法滿足URLLC的0.5 ms時延指標要求。目前4G的空口時延指標在理想情況下超過4 ms，因此5G設計新型幀結構，采用短TTI傳輸，結合快速高效的檢測和譯碼方案等技術手段才能滿足空口時延指標。

3.3 5G NR車聯網標準演進

從2015年開始，3GPP持續開展有關蜂窩車聯網（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）的技術研究和標準化工作，在2018年6月完成了基于LTE的C-V2X第一階段研究工作（R14、R15），主要面向周期性的基本道路安全類業務等。

伴隨著智能汽車行業的快速發展，2017年底，3GPP又完成了基于NR的5G標準第一個版本（R15），5G能夠提供更加靈活的無線空口設計，并且支持更加廣泛的業務需求。

從2018年開始，3GPP RAN開啟C-V2X第二階段的研究和標準化工作（R16、R17）稱之為NR-V2X。2020年6月完成R16標準化工作，通過在直通鏈路引入高階調制和空間復用的多天線傳輸機制，用以支持更高的傳輸速率，同時在直通鏈路上引入HARQ反饋機制提升傳輸可靠性。在2022年完成的R17標準中，主要研究終端節電機制及終端之間資源協調機制，用以持續提升直通鏈路的可靠性，并降低傳輸時延。

3GPP NR V2X&sidelink的第一個標準已經在Rel-16中，由Work Item“5G V2X with NR sidelink”完成，其中包括NR sidelink在內的解決方案主要針對V2X，同時在滿足服務要求的情況下也可用于公共安全。

Rel-17 NR sidelink在Rel-16 NR V2X的基礎上繼續進行增強。根據Rel-17 sidelink增強WID，主要為增強可靠性和降低延遲兩個方面。

增強可靠性和降低時延方面的研究允許在更廣泛的操作場景中支持URLLC類型的Sidelink用例。Sidelink的系統級可靠性和延遲性能受無線信道狀態和提供的負載等通信條件影響，而Rel-16 NR V2X在某些條件下（如當信道相對繁忙時）在實現高可靠性和低延遲方面有局限性。為了在這樣的通信條件下不斷提供需要高可靠性和低延遲的用例，Rel-17將提供增強可靠性和降低延遲的解決方案。

基于5G NR的車聯網技術，為了滿足更高級的業務需求，引入4類應用：車輛編隊行駛、半/全自動駕駛、傳感器擴展和遠程駕駛。

車輛編隊行駛能夠支持車輛動態組成車隊進行行駛，所有編隊行駛的車輛能夠從頭車獲取信息，使得編隊行駛的車輛之間間距更小，從而提高交通的效率，并且降低油耗。

半/全自動駕駛包括半自動駕駛和全自動駕駛，可以通過鄰近車輛之間共享感知數據，并進行駕駛策略的協調和同步，要求每個車輛給臨近的車輛共享自己的駕駛意圖。

傳感器擴展要求車輛之間、車輛與路側單元（RSU）之間、車輛與行人、以及車輛與V2X應用服務器之間能夠實現車載傳感器或者車載動態視頻信息的交互，從而獲得更全面的當前道路的環境信息。

遠程駕駛要求通過遠程的駕駛員或者V2X應用服務器對遠程車輛進行操控和駕駛，這種應用需要更小的時延和更可靠的通信服務提供支撐。

4 智慧工地車輛管理架構設計

4.1 車輛通信方式

5G車聯網技術主要可以實現兩種通信方式，即直通通信方式（PC5 接口）和蜂窩通信（Uu 接口）。車聯網通信方式如圖2所示。

圖2 車聯網通信架構示意Fig.2 V2N communication architecture

直通通信方式實現車與車之間（Vehicleto-Vehicle，V2V）、車與路之間（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）、車與人之間（Vehicle-to-Pedestrain，V2P）短距離的低時延高可靠通信，支持道路安全類實時應用的近程數據交互，采用基站集中控制或終端間分布式信道接入控制、資源管理和干擾控制方法，在蜂窩覆蓋范圍內、覆蓋范圍外時均可工作，即可以獨立于蜂窩移動網絡工作。

蜂窩通信方式通過基站轉發實現車與網絡之間（Vehicle-to-Network，V2N） 的長距離、大帶寬通信，支持遠程信息服務，采用基站集中式控制方法，只能在蜂窩覆蓋范圍內工作。

C-V2X 通過終端直通通信和蜂窩通信兩者間的高效協同，為多樣化的車聯網應用提供不同通信要求。

4.2 車輛管理架構

傳統鐵路工地通信系統需要車輛在蜂窩網絡覆蓋的情況才能正常工作，而對于某些場景下，當車輛運行到偏遠無網絡覆蓋地區時，依賴于蜂窩網絡覆蓋的方式無法正常工作。而5G車聯網系統可以在無蜂窩網絡覆蓋的情況下，以直通通信方式，應用在無蜂窩網絡覆蓋的特殊場景下，增加蜂窩網車輛通信的可靠性和冗余度。利用終端和網絡的能力實現工地車輛管理、報警管理、指揮調度和司機管理等功能。工地車輛管理架構示意如圖3所示。

圖3 工地車輛管理架構示意Fig.3 Construction vehicle management architecture

4.3 系統功能

車輛管理功能可實現施工車輛實時車況查看、故障診斷、定位跟蹤、實時路況和軌跡回放等功能。

報警管理功能可實現路線偏離告警、危險區域告警、超速告警、駕駛行為告警和車輛故障告警等功能。

智慧調度功能可實現車輛派遣、用車記錄、進/出工地記錄等功能。

司機管理功能可實現司機檔案管理、工地考勤管理、駕駛行為分析和效率分析等功能。

統計報表功能可實現車輛使用時間統計、油耗分析、異常形勢統計等功能。

5 車聯網在智慧工地應用價值

5.1 保障車輛行駛安全

車輛在施工工地行駛時，需要對周圍環境、天氣、線路等數據進行采集分析，提升車輛全面感知能力，還需要對其他車輛、臨近鐵路線的火車等進行提示預警，降低施工車輛在工作過程中發生意外事故的概率。5G NR車聯網技術進一步為鐵路通信的智能化提供條件，提升車輛的感知能力，輔助提升車輛應對突發情況的能力，降低意外事故發生，保障車輛行駛安全。

5.2 對現場車輛有效管控

對于鐵路施工場景，需要用到大量的車輛進行輔助建設，從重型運輸車輛到挖掘機、推土機。各種車輛需要協調一致，有效管理，才能在避免現場發生生產事故的同時提高生產效率。各種車輛需要保持與鄰近車輛以及路側設備之間的通信，傳輸自身的狀態信息至控制中心以保證自身的安全運行。5G NR車聯網技術可以實現車與車之間直接通信的需求，提升現場各種車輛的通信能力，滿足現場工地智慧化管理需求。

5.3 對車輛駕駛員有效管控

車輛在行駛過程中，不僅需要對車輛狀況進行有效管控，同時對司機的駕駛行為也需要進行有效管控，包括駕駛員身體健康情況和危險駕駛行為的監控。結合5G NR車聯網、視頻監控、圖像分析等技術實現駕駛員信息的采集，針對異常行為進行報警，加強人員管理，全面提升安全管理能力。

5.4 提升鐵路應急搶險能力

當現場出現緊急情況，需要應急指揮車輛和救援車輛搶險救災時，5G NR車聯網首先為作業車輛提供現場感知能力，對現場復雜環境協同感知，避免次生災害的發生。同時可以利用遠程駕駛等手段輔助現場車輛完成特殊危險環境下的作業，在保證作業人員安全的情況下提升搶險能力。

6 結論

5G車聯網技術以5G網絡為依托，具有支持列車之間的直接通信的能力，且有傳輸速率高、穩定性高、抗干擾能力強、傳輸時延低等特點，可以實現鐵路施工車輛及駕駛人員的智能管理、提升應急搶險車輛的作業能力。而5G車聯網技術的快速發展也會為鐵路智能化運行提供更加可靠、安全和高效的實施基礎和環境。