5G通信技術在智慧軌交運營中的應用探析

趙小川 程恩旺

【摘 要】5G低時延、大寬帶、大連接的技術特性，將為軌道交通的數(shù)字化轉型提供技術基礎。智慧軌交運營場景主要包括客流監(jiān)控、客流分析、清分清算三個方面，5G-R將顯著提升智慧軌交的系統(tǒng)維護效率，在高速通信、海量用戶超密集組網(wǎng)、端到端通信、綠色通信、低時延可靠性五個方面進行應用，并基于感知層、平臺層和應用層實現(xiàn)智慧軌交整體系統(tǒng)建設。

【關鍵詞】5G通信；智慧軌交；應用場景

一、引言

城市軌道交通作為公共出行服務的重要支撐，具備集約高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，越來越多的城市開始著手建設城市軌道交通網(wǎng)絡，以便解決城市擁堵，城市圈發(fā)展受限的難題，可以說城市軌交運營效率將直接影響到城市的社會與經(jīng)濟發(fā)展秩序。隨著“大物移云智”等新興技術的廣泛應用，基于5G的智慧軌交運營將成為智慧城市發(fā)展水平的重要標志之一。分析5G對軌道交通數(shù)字化轉型的影響，基于智慧軌交運營場景和實施挑戰(zhàn)，探索5G+智慧軌交的典型應用和整體解決方案具有較高的實踐價值，也有助于推動我國智慧軌交運營的健康可持續(xù)發(fā)展。

二、5G技術引領軌道交通數(shù)字化轉型

5G作為新一代寬帶移動通信技術，其傳輸效率遠高于4G網(wǎng)絡，并且可以很好規(guī)避LTE-M系統(tǒng)的頻段資源限制。目前城市軌道交通通信系統(tǒng)的主要應用包括PIS視頻、運行監(jiān)控與控制、對時通信、緊急發(fā)布等。5G通信技術具備低時延、大寬帶、大連接的特性，可以從本質上解決軌道交通業(yè)務通信的速率及質量，同時5G網(wǎng)絡頻譜可以滿足軌道交通多項業(yè)務的并行通信需求，實現(xiàn)各類通信服務的高獨立性與安全性，5G通信網(wǎng)絡的高連接密度，結合物聯(lián)網(wǎng)編碼技術有助于實現(xiàn)對軌道交通運營的全量數(shù)據(jù)感知與傳輸，為軌道交通的數(shù)字化轉型提供技術基礎。

三、智慧軌交運營場景和實施挑戰(zhàn)

近些年，城市軌道交通建設如火如荼，自動售檢票（AFC）、清分系統(tǒng)（ACC）、控制中心（OCC）已經(jīng)成為支撐軌交正常運行的基本運營信息系統(tǒng)[1]，依托物聯(lián)網(wǎng)信息采集及5G通信技術，使得城市軌交從點、線、面多維大數(shù)據(jù)進行分析，進而使實現(xiàn)智慧運營成為可能。智慧軌交運營場景主要包括客流監(jiān)控、客流分析、清分清算三個方面，其中客流監(jiān)控要涵蓋站廳、站口和列車等多個場景，通過對多個場景內(nèi)的熱力圖可以直觀展示區(qū)域內(nèi)的人流分布情況，為乘客疏導、客流增長預警、班次優(yōu)化等工作提供決策支撐?？土鞣治黾纫劳熊壍澜煌ㄕ緝?nèi)客流數(shù)據(jù)，同時還要結合城市其他交通情況、重大活動、節(jié)假日等信息綜合評判各個站點的客流情況，提前通過調(diào)整發(fā)車頻次、增加運力的方式避免客流積壓。為了更好地獲取乘客的位置和流量信息，要借助進站、售票、安檢、候車、乘車、出站等全流程進行信息采集，以便為軌交運營進行線路的精準清分提供結算依據(jù)，從而指導地鐵線路的高效運營。

智慧軌交在實施過程中主要面臨設備投資維護費用高、乘客換乘軌跡識別技術難度高、閘機統(tǒng)計高時延和清分清算不精準等難點。為了更好地進行全方位客流量監(jiān)控，傳統(tǒng)攝像頭方案存在極高的采購成本和維護成本，且監(jiān)控盲區(qū)和統(tǒng)計交疊區(qū)給后續(xù)數(shù)據(jù)分析帶來麻煩；另外，對乘客的軌跡統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在斷點，只能依靠某些關鍵觸點進行軌跡推測，準確度不高；由于傳統(tǒng)4G通信方案的技術弊端，各類統(tǒng)計觸點數(shù)據(jù)時延較長，無法實時反映客流、換乘、軌跡等信息，一方面無法為清分清算提供準確、實際的數(shù)據(jù)支撐，另一方面使得軌交運營過程中的客流檢測滯后，各類信息的共享時效性不足，阻礙了智慧運營的進一步發(fā)展。

四、5G+智慧軌交應用探析

（一）5G-R將成為智慧軌交新型基礎設施

傳統(tǒng)鐵路和軌道交通采用的是GSM-R無線通信技術，可以依托專用網(wǎng)絡為軌道交通提供調(diào)度、信號交換、運行維護等功能，并且GSM-R技術還可以提供組呼、組播、功能號碼呼叫和緊急呼叫等業(yè)務，滿足列車在高速行駛當中的部分通信需求，是軌道交通運行的基本通信設施[2]。但是隨著軌道交通對于各類高清視頻監(jiān)控及大流量調(diào)度的需求，GSM-R的信道及寬度均無法滿足高質量、高容量的數(shù)據(jù)傳輸要求。另外，隨著人們對軌道交通的出行依賴性逐步增強，智能手機等便攜性設備的網(wǎng)絡接入也成為智慧軌道交通運營的關鍵阻礙。5G-R依托其低時延、大寬帶、大連接特性，使得具備更強靈活性和可拓展性的智慧軌道交通運營方案成為可能，5G-R也將成為智慧軌交的新型基礎設施。

（二）5G提升智慧軌交系統(tǒng)維護效率

軌道交通作為一種高頻率使用的公共設施，其內(nèi)部設施點多面廣，日常維護工作量極高。自組織、網(wǎng)絡虛擬化、多址技術的整合應用可以對各類設施的維護提供集約型控制服務，通過數(shù)據(jù)駕駛艙可以及時獲取各個設施的運行情況，以便提供維護信息支持服務。5G通信技術在軌道交通的全面應用，有助于將原本通過民用網(wǎng)絡連接的各類監(jiān)控設施進行替換，極大程度提升了設施運行數(shù)據(jù)的安全性，同時更加實時和全面地監(jiān)測運行情況，顯著提升維護效率，降低維護成本。

（三）5G+智慧軌交典型應用

5G通信技術在城市智慧軌道交通中的典型應用包括高速通信、海量用戶超密集組網(wǎng)、端到端通信、綠色通信、低時延可靠性五個方面。5G技術通過高頻譜效率技術實現(xiàn)高速短距離通信，讓高清視頻、客流量信息及各類運營數(shù)據(jù)在單網(wǎng)進行集合，在簡化網(wǎng)絡復雜度的基礎上滿足智慧軌交多運營需求；5G網(wǎng)絡允許大量無線設備組網(wǎng)通信，降低布線復雜度和難度，極大節(jié)約了軌道交通的設施空間，同時提供個性化優(yōu)先級和安全認證方式，為軌道交通的智慧運營提供技術基礎；端到端（D2D）通信技術作為一種冗余通信技術，在5G技術條件下支持自組織網(wǎng)絡及多跳技術，使得整個網(wǎng)絡不會因為個別位置信號弱或受到干擾，進一步提升網(wǎng)絡通信的可靠性；5G技術可以顯著減少鏈路傳輸?shù)哪芰繐p耗，提高能量使用效率，為軌道交通的綠色通信提供了技術基礎[3]；5G技術的低時延可靠性能以極低的通信延遲實現(xiàn)列車追蹤，提高列車運行控制系統(tǒng)性能，提高軌道交通的運行安全與效率。

五、基于5G通信技術的智慧軌交運營解決方案

基于5G通信技術的智慧軌交運營需要結合軌道交通的行業(yè)特性，拓展智慧運營場景，提供高質量服務體驗，創(chuàng)造面向5G的智慧軌交系統(tǒng)框架。為了保證智慧軌交的多元化服務，需要通過感知層、平臺層和應用層來進行整體解決方案設計。感知層就是通過各類傳感器進行原始數(shù)據(jù)的采集，其中多模分布式微功率基站可以實現(xiàn)對用戶信號強度的精準測量，實現(xiàn)高精度定位，為平臺層的數(shù)據(jù)分析提供支撐。平臺層基于各個開放網(wǎng)元從基站獲取的客流、換成、線路、定位等實時數(shù)據(jù)，結合用戶畫像進行客流分析，為前端的應用層實時推送運營支持信息。應用層基于平臺層和感知層提供的多維數(shù)據(jù)，進行立體數(shù)據(jù)評估，同時結合智慧軌道交通的應用場景提供具備極強可拓展性的應用服務，如實時斷面客流監(jiān)控、客流分析、清分清算等。另外隨著海量數(shù)據(jù)對系統(tǒng)和應用進行“喂養(yǎng)”，系統(tǒng)將通過機器學習等人工智能技術在數(shù)字空間發(fā)揮業(yè)務洞察，為信息使用者提供更加具備參考性的運營建議與方案，實現(xiàn)智慧軌道交通運營的升級迭代。

參考文獻：

[1]曾華燊，朱懷芳.論智慧軌道交通及其系統(tǒng)架構[J].計算機應用，2012，32（05）：1191-1195.

[2]周勇.城市軌道交通智慧車站技術方案研究與設計[J].鐵道建筑，2020，60（12）：117-120.

[3]張春.5G技術與智慧交通應用[J].電子技術與軟件工程，2021（07）：37-38.