5G通信技術(shù)在城市軌道交通智慧運(yùn)維中的應(yīng)用探討

張洪慶 陳 忠 黃劍平

深圳地鐵運(yùn)營集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518040

1 引言

隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深入推進(jìn)，5G已成為世界各國實(shí)施數(shù)字經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的先導(dǎo)領(lǐng)域，我國更是將5G視為推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的新動(dòng)能、振興實(shí)體經(jīng)濟(jì)的新機(jī)遇、建設(shè)制造強(qiáng)國和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的新引擎。5G作為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重要領(lǐng)域之一，應(yīng)用前景廣泛，且賦能行業(yè)發(fā)展的作用凸顯，助力行業(yè)升級(jí)潛力巨大。

1.1 5G定義

5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡稱，也可以稱為5G技術(shù)，也是繼4G (LTE-A、WiMax)、3G (UMTS、LTE)和2G(GSM)系統(tǒng)之后的延伸，是最新—代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。5G技術(shù)的系統(tǒng)效率非常高，這得益于各種集成技術(shù)及現(xiàn)金的信息技術(shù)，它的發(fā)展速度非?？?，為移動(dòng)通訊用戶間的傳輸速率奠定了良好的基礎(chǔ)。相較于4G通訊技術(shù)，5G技術(shù)增加了信息資源的有效處理，使產(chǎn)能降低，不但迎合了移動(dòng)通信市場的需求，而且發(fā)展了新科技革命。隨著我國通信技術(shù)的快速發(fā)展，5G技術(shù)已經(jīng)逐步在城市軌道交通中應(yīng)用開來。其設(shè)備除了之前我們所熟知的手機(jī)和平板電腦等，也逐漸開始在許多方便攜帶的電子設(shè)備上應(yīng)用起來，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，涉及交通、金融、民生、醫(yī)療等，用戶體驗(yàn)速率比4G快了近一百倍。5G技術(shù)的快速發(fā)展標(biāo)志著我國通信技術(shù)水平的又一次提升。

1.2 5G通信技術(shù)的背景及發(fā)展

二十世紀(jì)末自1G技術(shù)問世，時(shí)至今日，通信技術(shù)經(jīng)歷了從1G到5G的快速發(fā)展，5G的問世給通信行業(yè)帶來了不小的轟動(dòng)，是當(dāng)今最新、最快的通信技術(shù)，他可以實(shí)現(xiàn)多用戶之間的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)信息的處理速度都很快，比4G的速度快了一百倍，大大迎合了當(dāng)前人們快節(jié)奏的生活及需求，高效的傳輸效率也使得5G得到了快速的發(fā)展。5G的到來意味著一場新的科技革命的開始，5G的發(fā)展很大程度上也標(biāo)志著我國移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展。由于5G技術(shù)高效的數(shù)據(jù)傳輸效率，使其在生產(chǎn)、生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而且5G技術(shù)可以脫離小型只能終端使用，因此，它可以應(yīng)用于更多的移動(dòng)通信設(shè)備和智能設(shè)備上。

全球5G網(wǎng)絡(luò)頻段（圖1）主要分為毫米波和Sub-6GHz。毫米波相比Sub-6GHz使用的電磁波波長較短，對(duì)應(yīng)頻率較高，在傳輸信號(hào)時(shí)速度更快，存儲(chǔ)容量更大。Sub-6GHz由于使用相比毫米波低了很多的6GHz的電磁波，在傳播速度和帶寬容量上比毫米波遜色不少。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)頻段

在先進(jìn)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用下，5G網(wǎng)絡(luò)在以下場景中具備較高應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用前景：

1.超高速的場景。例如高速移動(dòng)的列車需要傳輸自身的狀態(tài)信息至控制中心以保證自身的運(yùn)行正常。

2.支持大規(guī)模的人群，在人口密集的地鐵中，上萬人同時(shí)參與的事件中，也能夠流暢地進(jìn)行對(duì)外通信。

3.超可靠的實(shí)時(shí)連接，即使移動(dòng)到覆蓋面邊緣的地方也能連接到網(wǎng)絡(luò)。

4.無處不在的物物通信，能夠?qū)崿F(xiàn)物品與物品之間的相互通信，即實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)。

在城市軌道交通系統(tǒng)中，無線傳輸是通信系統(tǒng)的瓶頸，特別是車地傳輸更是其中的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。而5G毫米波具有頻段資源豐富、帶寬大、傳輸速度快、空口時(shí)延小、天線尺寸小等特點(diǎn)，借助5G毫米波通信技術(shù)，快速傳輸軌道交通通信系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)，結(jié)合最新信息化技術(shù)，將會(huì)給軌道交通智慧運(yùn)維帶來變革。

2 城市軌道交通運(yùn)用5G通信技術(shù)的需求

城市軌道交通的通信系統(tǒng)主要有兩種：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。當(dāng)前在城市軌道交通中應(yīng)用最為廣泛的是無線通信系統(tǒng)，當(dāng)前，國內(nèi)地鐵一般采用WLAN技術(shù)來搭建無線網(wǎng)絡(luò)，其中，CBTC車-地?zé)o線通信系統(tǒng)用來負(fù)責(zé)列車操控信息傳輸，由于它會(huì)直接影響列車運(yùn)營的安全性和穩(wěn)定性，因此，對(duì)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了很高的技術(shù)要求，這就意味著，無線通信系統(tǒng)必須具備獨(dú)立的傳輸通道和可靠的冗余通信信道。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信技術(shù)、自動(dòng)化在生活中的應(yīng)用越來越普遍，另外，地鐵移動(dòng)辦公、軌旁檢測數(shù)據(jù)采集和車輛大數(shù)據(jù)采集也對(duì)通信技術(shù)的要求越來越高。在成熟軌道交通中，不同的運(yùn)營環(huán)境需要不同的無線通道技術(shù)，要求也各不相同，比如，有的需要大容量信息傳輸，有的需要更加安全的通信傳輸系統(tǒng)，有的對(duì)功耗的要求較高等，一般情況下，車-地傳輸網(wǎng)絡(luò)必須要安全、穩(wěn)定、高效。從我國軌道交通發(fā)展趨勢來看，將來車-地傳輸對(duì)于寬帶的要求也勢必越來越高。隨著軌道交通技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)車-地傳輸寬帶的需求也越來越高，對(duì)于城市軌道交通的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性等方面的要求也越來越嚴(yán)格。

3 5G通信技術(shù)在深圳地鐵智慧運(yùn)維的應(yīng)用

國務(wù)院提出開展智慧城市試點(diǎn)工作以來，深圳市智慧城市建設(shè)蓬勃開展，要求智慧城市建設(shè)中，智慧交通要先行，不僅成為智慧城市的重要組成部分，并且要起著主導(dǎo)作用。

然而隨著深圳地鐵運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，軌道交通運(yùn)營車輛、設(shè)備數(shù)量成倍增長，現(xiàn)有傳統(tǒng)的運(yùn)維服務(wù)模式已經(jīng)難以適應(yīng)數(shù)量、服務(wù)質(zhì)量要求，因此需要探索信息化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化的運(yùn)維新模式。但在推動(dòng)列車運(yùn)營自動(dòng)監(jiān)控、綜合維修和旅客服務(wù)信息系統(tǒng)一體化，開發(fā)軌道交通主動(dòng)檢測與智能維護(hù)系統(tǒng)過程中，發(fā)現(xiàn)其中無線車地傳輸是制約城市軌道交通智慧化的瓶頸所在。

目前國內(nèi)地鐵車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要有二種方案，其中之一是采用WLAN方案，即在隧道區(qū)間部署WIFI網(wǎng)絡(luò)。WIFI網(wǎng)絡(luò)本身并非為移動(dòng)通信設(shè)計(jì)，雖然從802.11g、802.11n到802.11ac，空口速度在提升，但是WLAN方案長期存在使用公共頻段導(dǎo)致車地?zé)o線通信被干擾的問題，存在高速移動(dòng)性能差、切換能力差等先天劣勢，同時(shí)還存在因軌旁設(shè)備部署密集，造成運(yùn)維壓力大的問題。

大于1785MHz，小于1805Mhz，是目前城市軌道交通所使用的LTE-M系統(tǒng)頻段，雖然在移動(dòng)性能和抗干擾能力都很優(yōu)秀，然而應(yīng)用到車地?zé)o線通信系統(tǒng)的LTE-M存在可用頻寬太窄的問題，僅有20MHz的可用頻寬。在這種情況下，通過測試得知，上行通信最大、最小及平均數(shù)據(jù)吞吐量為3.7Mb/s、2.9Mb/s和3.3Mb/s，下行通信最大、最小以及平均數(shù)據(jù)吞吐量分別為8.6Mb/s、6.0Mb/s和8.4Mb/s。因此可用業(yè)務(wù)和傳輸速度都受到限制，無法滿足智慧化所需的大帶寬，超高速要求。

深圳地鐵既有線路車地傳輸大部分采用WIFI方案，少部分采用LTE-M方案，因此在智慧化亦受制于現(xiàn)有WIFI、LTE-M通信技術(shù)，面臨如下問題：

正線設(shè)備數(shù)據(jù)無法傳回：針對(duì)軌行區(qū)和車載設(shè)備告警信息、設(shè)備故障視頻圖像等的運(yùn)維優(yōu)化項(xiàng)目（電客車健康管理、弓網(wǎng)在線監(jiān)測、車載信號(hào)監(jiān)測、變形監(jiān)測、軌道探傷等）受制于現(xiàn)有的無線傳輸通道，不能實(shí)時(shí)、穩(wěn)定回傳后臺(tái)分析，無法實(shí)現(xiàn)地鐵智慧運(yùn)維、大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測性維修。

安防視頻下載效率低：電客車健康管理系統(tǒng)和列車安防系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)量達(dá)到1TB/列天，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)下載，人工上車下載效率低下，占用列車運(yùn)維時(shí)間，在緊急情況下甚至需要列車清客至折返線登車拷貝，難以滿足事件調(diào)查快速、及時(shí)的要求。

為了推動(dòng)深圳地鐵智慧化工作，針對(duì)地鐵車載監(jiān)控視頻等大量數(shù)據(jù)回傳的痛點(diǎn)和難點(diǎn)問題，經(jīng)過市場、技術(shù)調(diào)研、論證和測算，結(jié)合軌道交通應(yīng)用場景，深圳地鐵選取11號(hào)線福田站、碧海灣站、機(jī)場站和碧頭站作為試點(diǎn)，采用超高頻5G通信技術(shù)車地通信方案傳輸車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)。福田站至碧頭站區(qū)間選取的4個(gè)車站包含地上和地下區(qū)段，站間距離長等情況，場景豐富；具有8節(jié)列車編組，車載設(shè)備多，數(shù)據(jù)量大，列車運(yùn)行速度高、列車在此4個(gè)車站停留時(shí)間相對(duì)長等條件，能比較全面測試超高頻5G通信技術(shù)性能，如果選取其他車站作為試點(diǎn)，因停車時(shí)間都大大比上述4個(gè)車站停留時(shí)間短，傳輸相同容量數(shù)據(jù)，必須敷設(shè)多一倍以上的接收基站，無線傳輸?shù)耐顿Y成本必然翻倍。

超高頻5G通信技術(shù)車地通信系統(tǒng)核心部件分別為：軌旁基站RBS、車載設(shè)備TAU（圖2），并輔以車載網(wǎng)關(guān)、地面高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器等其它上下游設(shè)備（圖3）。在列車車廂安裝車載設(shè)備TAU、車載網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)和無線傳輸；在車站首尾兩端部署軌旁基站RBS，通過光纖網(wǎng)絡(luò)與地面高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

圖2 超高頻5G通信技術(shù)車地通信系統(tǒng)

圖3 超高頻5G通信技術(shù)車地通信系統(tǒng)上下游設(shè)備

超高頻5G通信技術(shù)車地通信系統(tǒng)采用相控陣天線、波束賦型、載波聚合等技術(shù)，提供一條擁有超過1.5Gbps的空口業(yè)務(wù)傳輸能力的車地高帶寬通信通道，大大地改善了車地傳輸效率，例如列車監(jiān)控視頻運(yùn)行1小時(shí)，產(chǎn)生大約25GB的視頻文件，使用原有LTE-M分配的4Mbps的帶寬，需要14小時(shí)，緊急情況上車使用移動(dòng)硬盤200Mbps拷貝速度，也需要1.5小時(shí)，使用超高頻5G通信技術(shù)，自動(dòng)下載速率達(dá)到1536Mbps/秒，150秒完成25GB的數(shù)據(jù)下載。

基于此通道，可搭建軌道交通綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸承載平臺(tái)，滿足隧道設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、弓網(wǎng)設(shè)備智能巡檢、視頻周界入侵檢測、鋼軌磨損智能識(shí)別、主要區(qū)域人臉識(shí)別、乘客擁擠度分析、遺留物品查詢、突發(fā)事件分析預(yù)警、列車智能檢修、司機(jī)疲勞駕駛識(shí)別、司機(jī)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)管理、車輛無人駕駛監(jiān)控等智慧巡檢、智慧客服、智慧列車的數(shù)據(jù)傳輸需求，為車地業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

目前，無線通信技術(shù)在傳輸帶寬、高速移動(dòng)性以及傳輸時(shí)延支撐等各方面均有一定的局限性，這使得各系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用開發(fā)等方面亦受到較大的限制。5G通信技術(shù)飛速發(fā)展，主要展現(xiàn)出其高速率、高安全性、高可靠性的特點(diǎn)。在智慧安檢、智慧運(yùn)維方面，5G通信都突顯出了巨大的潛力。因此，對(duì)于我們打造更加便捷高效、方便舒適的城市軌道交通出行環(huán)境，5G通信必不可少。