5G通信技術在城市軌道交通中的應用

趙曉南

（北京京城地鐵有限公司，北京 101312）

在城市軌道交通領域，互聯網業務應用已經成了一個不可或缺的組成部分。隨著5G技術的廣泛應用，這一領域的發展取得了顯著的進展。5G技術的引入成功解決了城市軌道交通中的一系列技術難題，為這一行業帶來了革命性的改變。一項最顯著的技術進步是全自動列車駕駛的實現。過去，列車的操作需要依賴人工駕駛員，但5G技術的高速數據傳輸和低延遲特性使得全自動列車駕駛成為可能。全自動列車可以更精確地控制速度和位置，從而提高了軌道交通的安全性和效率。這不僅減少了人為錯誤的風險，還可以更好地適應不同運營條件，提供更加可靠的服務。與此同時，5G技術也顯著提升了數據信息傳輸的速度和距離。以前，城市軌道交通的信息傳輸可能受到通信環境和信號覆蓋的限制，但5G技術的高速傳輸能力使得數據可以更快速地在列車和控制中心間傳遞。這不僅有助于更及時地監控列車運行狀況，還提供了更好的實時決策支持，以確保交通流暢和安全。

1 軌道交通網絡現狀

1.1 車地通信受限

文章結合石家莊地鐵LTE-M車地為研究對象，地鐵車載通信在提供列車監控數據方面面臨一些限制和挑戰，由于不同線路采用了不同的通信技術和頻譜資源，這導致了各種問題。首先，石家莊地鐵的1號和3號線采用LTE 1.8GHz專網頻譜，提供了一定的帶寬，但每列車只能上傳兩路視頻圖像至控制中心。這限制了列車監控數據的實時傳輸能力，可能會導致監控數據更新不及時或丟失。另一方面，2號線采用了WLAN IEEE 802.11ac技術，雖然提供了更高的帶寬，但卻引發了一些問題。用戶可能會經常遇到實時圖像卡頓和鏈接不暢的情況，這可能影響到監控數據的可靠性和實時性。此外，車廂內的視頻監控也存在一些限制。雖然可以實時查看2～4路視頻，但錄像無法實現自動回傳，必須依賴人工拷貝的方式完成。這意味著如果需要保留監控數據或進行進一步分析，需要增加額外的人力成本和時間。

1.2 應急通訊難度大

在緊急情況下，應急通訊變得至關重要，特別是在處理事故、事件等緊急情況時，面臨著一系列困難和挑戰。石家莊地鐵系統的通訊設備和基礎設施需要進一步改進和升級，以應對這些挑戰。首先，應急通訊需要實時監控和及時通訊，臨時布置無線攝像設備和影音通訊設備可以為緊急情況的現場提供實時的視覺和聲音信息，以幫助應急人員更好地了解和應對情況。然而，目前石家莊地鐵的專網帶寬存在不足的問題，限制了通信方式的多樣性和效率。特別是在800 MHz頻段上，專網帶寬的限制可能導致多路終端的視頻回傳需求無法得到滿足。這是一個需要優先解決的問題，以確保在緊急情況下，能夠高效傳輸和接收關鍵信息。此外，對講機聯絡雖然是一種備選的通訊方式，但存在互通差和多線路無法互通等問題。這意味著在使用對講機時，可能會面臨通訊不暢或信息傳遞不及時的情況。這需要更多的技術改進和升級，以提高通訊的可靠性和互通性。

1.3 智慧列車狀態監測需求增大

隨著5G網絡的不斷發展和應用，列車智慧化改造正迅速成為現實。這一趨勢不僅將徹底改變列車運維的方式，還將顯著提高列車運行的安全性和效率。通過在列車各個部分安裝傳感器，包括列車制動系統、牽引裝置，以及弓網監測等，可以實現對列車狀態的精確監測。這些傳感器可以收集各種重要信息，如速度、溫度、壓力和電壓等，然后通過高帶寬的5G網絡實時上傳至后臺監控系統。列車控制和管理系統可以將來自傳感器的數據收集和整合，并根據這些數據進行實時決策，以確保列車的正常運行。如果發現任何異常情況，TCMS可以立即采取措施，包括制動和牽引系統的調整，以維護列車的運行安全。另外，通過對列車編組的優化，可以更好地分配列車的負載，減少能耗，提高列車的運行效率。

2 5G通信技術的優勢與需求

2.1 5G通信技術的優勢

5G是第五代移動通信技術，相對于4G，具有速率更高、時延更低、大連接的主要特點，移動通信歷經了1G、2G、3G、4G時代的發展，從模擬技術到數字通信的進化，不斷提升了數據速率和移動互聯網的應用。5G作為最新一代的移動通信技術，業務數據速率達到10 Gbit/s以上，這是4G的100倍之多。這種超高速率為移動互聯網用戶提供了千兆級別的體驗，使得下載、上傳和流媒體等任務都能以前所未有的速度完成。此外，5G還支持超大連接，這意味著可以同時連接更多的設備，支持物聯網和智能城市等大規模應用。最令人興奮的是，5G的通信速率在高速移動條件下仍能保持穩定，最大支持達到500 km/h的通信速率，這將為高速列車和汽車等移動場景提供更可靠的連接。

2.2 5G通信技術的需求

5G技術相對于4G技術帶來了革命性的變化，這些變化涵蓋了多個關鍵方面，從而極大地提升了通信領域的性能和效率。以下是關于5G技術的關鍵特點和優勢，以及它們在軌道交通等具體業務需求下如何影響通信性能指標。

（1）毫米波。毫米波頻段的使用得到更大的帶寬，從而支持更高速的數據傳輸。這對于軌道交通系統中需要大量數據傳輸的場景非常重要，如高清監控和實時地圖更新。

（2）小基站。5G網絡依賴于小型基站，這些基站可以更緊密地布置在城市和交通樞紐中，提供更穩定的連接。這在地下軌道或高速列車等特殊環境下尤其重要。

（3）新式天線。5G采用了智能天線技術，可以更好地定向信號，提高了網絡效率，同時減少了電磁輻射。這有助于在軌道交通系統中提供更好的信號覆蓋和質量。

（4）網絡新型架構。5G引入了虛擬化和切片技術，使網絡更加靈活，可以根據不同應用的需求進行定制。這有助于軌道交通系統滿足多樣化的通信需求。詳情如表1所示。

表1 5G系統新能指標

3 軌道交通 5G 應用分析

3.1 無線高速通信

無線高速通信在軌道交通車地無線通信領域扮演著至關重要的角色。這一技術的應用范圍廣泛，主要涵蓋列車運行控制、列車運行狀態監測、車載視頻監控以及乘客信息系統等方面。具體來說，石家莊地鐵采用了LTE-M車地無線通信系統，其頻段為1.8 GHz，頻譜帶寬達到10 MHz，這為數據傳輸提供了堅實的基礎。

在數據吞吐量方面，LTE-M系統可以實現每秒2～8 Mbps的數據傳輸速率，這意味著在不同業務需求下，帶寬需求可以在40～70 Mbps之間靈活調整，以滿足各種列車運行和監測任務的要求。引入5G技術將為軌道交通車地無線通信帶來巨大的創新潛力，由于5G技術不僅能夠提高數據量，還能大幅提高數據傳輸速率，因此能夠支持更多大數據傳輸和實時監測功能。此外，5G技術還能夠提供更高的通信速率，從而支持可視化語音通信和超高清視頻流等高要求程序的應用。

3.2 運營維護優化

石家莊地鐵正在積極采用物聯網（IoT）技術和5G網絡，以優化運營維護工作。這一創新性舉措旨在提升地鐵系統的整體性能，從而實現更高水平的列車管理和監視。其中，5G網絡在這個過程中發揮了關鍵作用，為列車提供了高速、低延遲的連接，使得實時數據的采集和傳輸變得更為高效。具體而言，石家莊地鐵的5G試點改造優化工作涵蓋了多個方面。首先，列車車輛數據的采集得以大幅改善，這歸功于事件采集模塊（ERM）的引入。這些ERM設備接口與5G天線相連接，確保了數據的快速傳輸。這一舉措有助于實時采集列車上的狀態和故障信息，從而提高了地鐵系統的故障診斷能力。此外，TCMS業務定制開發也是關鍵的一環，通過這項工作，地鐵系統能夠更好地管理列車工況，包括牽引、制動等關鍵參數。這種高度個性化的數據分析有助于提高列車的可靠性，減少了潛在故障的風險，從而提高了運行的穩定性。5G專用網絡通道的引入進一步鞏固了這一系統，它們為數據傳輸提供了可靠的通道，確保了信息的安全性和穩定性。視頻監控在地鐵系統中扮演了關鍵角色，不僅有助于提高安全性，還可以用于事故調查和管理。通過實時監控和遠程診斷，地鐵系統可以更加精確地計劃維護工作，減少了不必要的停機時間和維修費用，列車運行狀態監測連接示意圖如圖1所示。

圖1 列車運行狀態監測連接示意圖

3.3 物聯通信提升體驗

物聯通信在現代交通系統中扮演著至關重要的角色，特別是在軌道交通網絡中。隨著5G技術的快速發展和廣泛應用，乘客的智能出行體驗將得到極大改善。這種改善體現在以下幾個方面。

首先，乘客可以利用5G技術進行購票。通過手機或其他智能設備，他們可以輕松地購買地鐵票，避免了排隊等候的麻煩。這種便利性不僅節省了時間，還提高了出行的效率。其次，乘客可以實時查詢列車信息。5G網絡的高速性能使得乘客可以隨時隨地獲取列車時刻表、車站信息以及列車運行狀態等數據。這有助于他們更好地計劃行程，并減少了不必要的等待時間。另外，5G技術還使得乘客能夠了解車站的擁擠情況。利用物聯通信和大數據統計，地鐵運營部門可以實時監測車站人流量，從而提前警示乘客哪些車站可能會擁擠，以便他們可以采取措施來避開高峰時段或選擇其他交通方式。

地鐵運營部門也會受益于5G技術的應用。通過大數據統計，他們可以實時分析乘客的出行習慣和需求，進一步改善地鐵服務水平。此外，地鐵車站內的分區疏散可以更加精確地進行，確保乘客的安全和出行順暢。軌道交通5G的創新應用情況如表2所示。

表2 5G 創新應用分析

4 結語

綜上所述，5G通信技術引入在城市軌道交通領域具有巨大的潛力和重要作用，這一技術的特點之一是具備大帶寬，它能夠傳輸大量數據，為軌道交通系統提供更廣泛的連接和信息傳輸能力。同時，5G技術還有低時延為特點，可以實現信息傳輸的極速響應，這對于提高軌道交通的運行效率至關重要。5G通信技術為軌道交通的自動化、智能化、系統化和綠色化發展提供了關鍵支持，要積極研究和應用這一技術，以便城市軌道交通系統更好地滿足未來的需求，為城市可持續發展做出貢獻。