基于5G技术的高铁列车位置查询及应急处置辅助系统

赵明， 于世武， 余立家， 刘光顺

（1. 中国国家铁路集团有限公司运输部，北京 100844；2. 中国国家铁路集团有限公司调度指挥中心，北京 100844；3. 中国铁路哈尔滨局集团有限公司运输部，黑龙江哈尔滨 150006；4. 中国铁路哈尔滨局集团有限公司党委办公室，黑龙江哈尔滨 150006）

1 概述

随着现代化计算机技术及5G 通信技术的发展，各行业信息化建设已进入高速发展和深化应用阶段，特别是大数据、云计算、人工智能等技术在领域广度和应用深度上不断延伸，新一代信息化系统建设不仅以解决信息传递和存储为目标，更向着信息全面化、数据挖掘精准化、辅助决策智能化的方向发展［1-3］。近年来，国家大力发展以高铁为代表的现代化铁路建设，随着运营里程和行车密度的不断加大，对高铁运行调度的信息化水平提出了更高要求。

近年来，我国高铁迅速发展，突发事件在高铁运营过程中时有发生，若不能及时正确处理，会造成巨大损失和恶劣影响。如何提升高铁的应急处置能力，成为高铁运输工作的重中之重［4］。高铁列车位置查询及应急处置辅助系统（简称系统）利用5G 技术优势（如频带利用率高、通信性能好），通过信息的快速传输与控制，可加强铁路各部门之间的合作，促进运输与管理工作更加顺利开展。系统加强了对多个环节的监测与控制，在此基础上完成各种数据的分析和整理，通过经验值算法推出相应的分析结果以供决策。随着大数据、人工智能等新一代信息技术的兴起，在保障安全运行的前提下，利用人、车、路、网络等资源，对高铁路网全局跨时空运行状态进行综合感知，实现动态拓扑结构下多列车在线智能优化调度和实时精准控制［5-6］，打破既有高铁运营中运行控制和调度的分层架构，实现运行控制、调度指挥、应急处置、领导决策的一体化管理。

2 高铁通信系统现状及发展

结合国际发展情况，以GSM-R 为主的系统是当前高铁通信系统的常见类型。从运作效果来看，GSM-R基本实现了列车调度与监控管理的功能要求。但随着智能调度系统与监控系统的不断应用，传统技术已经无法满足当前高铁通信系统的进一步应用需求，尤其是视频、监控数据等传输需求。一般通信系统需要每隔6 s自动切换1次，但在切换过程中，由于高铁运行环境较为复杂，稳定性方面难以得到有效保证，如4G 通信频率较快，再加上受到多普勒效应的影响，很容易造成信号传输过程中的错位传输现象，而5G 通信技术继承了4G 通信技术的优势和特点，同时数据传输更稳定、传输速率更高，能支持500 km/h 的终端移动速度［7-8］。5G 技术结合云计算、人工智能等移动互联网技术，为铁路信息化、智能化提供了无限可能。

2019年底，组成我国“八纵八横”高铁网之一的高铁线路——京张高铁开通运营，而与此同时京张高铁5G网络正式开通，自此，京张高铁成为我国首条5G高铁。

3 5G环境下高铁应用场景

3.1 语音通信

5G 网络满足超高流量密度运用，可达到数十Tbit/s/km2流量密度，具备Gbit/s级的用户体验速率，满足传统行车调度语音通信的同时，可提供视频通话功能，可运用于站场通话、车地通信、车车通信、施工作业通信、应急通信等多个应用场景。

3.2 车地数据传递

5G 网络具备超高移动性的网络保障，可达到毫秒级端到端时延，并且支撑500 km/h 以上的移动速率，稳定可靠地为下一代列控系统提供高带宽传输通道。还可提供列车行车视频传递、列车安全防护数据传递、机车设备状态监控数据的实时上传。

3.3 物联网应用

我国高铁各种维护专业在线路上都存在着大量专业设备、设施。通过5G 网络可方便快捷地部署亿级数量的传感器、监控设备，实时上传监控数据。通过对各种监控数据的积累，建立大数据分析模式，更好地指导现场生产维护。系统采用先进的物联网技术，更全面地掌握沿线设备、设施运用状况，能更好地保障安全。

3.4 应急通信应用

当极端自然灾害发生时，传统通信网络基础设施往往也会受损，甚至发生网络拥塞或瘫痪。5G 网络可利用个人终端采用D2D 技术组建Ad hoc 网络，保障终端间的无线通信畅通，为救援提供保障。救援过程中，为方便救援进程的指挥和现场情况的了解，可采用VR技术，通过5G网络传递可完美复刻现场情景。

3.5 应急处置流程

系统利用5G 的高传输特点为列车运行过程提供实时监控保证，通过运用高速铁路轨旁检测设备，实现对高速铁路线路、环境的全面监督与管理，及时将列车运行过程中前方1～2 km 的画面呈现在高铁驾驶室，供驾驶员遇到问题时及时做出应急反应，同时将涉及的数据内容上传到本地数据库中。列车调度指挥人员通过该系统实时传输的故障报警提示，能够迅速查询故障现场图像和故障设备相关信息，第一时间掌握故障情况；系统自动联通设备管理单位，通知并传输故障信息；掌握设备管理单位抢修人员应急处置情况；结合故障发生时间段内列车运行情况，实现故障影响信息对内、对外的实时发布。系统操作人员通过调控后台数据，利用大数据分析算法，针对系统运行过程中存在的问题进行精准监测。以接触网异物应急处置为例，利用5G/大数据/图像检索技术的接触网异物应急处置流程见图1。

图1 利用5G/大数据/图像检索技术的接触网异物应急处置流程

3.6 基于5G系统的辅助卫星定位

高铁沿线地形特征较为复杂，列车与地面的通信容易受到高层建筑物或树木的影响而出现屏蔽现象。系统可借助5G 网络获取卫星辅助数据，得到列车当前的精确位置信息并呈现在GIS地图上，实现列车位置的实时追踪。

4 系统关键技术

4.1 车辆实时位置显示

基于GIS的各车站信息、列车位置信息展示：

（1）基于GIS的各车站信息、列车位置信息编辑与展示；

（2）基于GIS的列车实时数据坐标位置绘制，通过列车颜色显示正点与晚点，蓝色为正点列车，红色为晚点列车，并显示车次及晚点时间。

车辆实时位置显示示例见图2。

图2 车辆实时位置显示示例

4.2 车次详情及公里标快速检索对应工区

（1）点击列车图标可显示车次、类型（高速/普速）、起止站点、发车时间/到达时间、本列定员及当前总乘客数、上个经停站点/下个到达站点、当前正在行驶的线别与公里标等实时数据；

（2）显示车辆经停各车站顺序、时间、停留时间、是否晚点及晚点时间等信息数据；

（3）正点列车显示绿色标签，晚点列车显示红色标签；

（4）点击列车悬浮窗中的公里标或直接输入线别+公里标可快速检索显示对应的地理位置所属的工务、电务、供电等维护单位信息；

（5）各维护单位自动检索出当前值班人员，包括工长及各工种值班成员信息及电话；

（6）显示各维护单位的轨道车、汽车、应急发电机组等抢修设备信息及状态。

车次详情及公里标快速检索对应工区示例见图3。

图3 车次详情及公里标快速检索对应工区示例

4.3 接触网故障与封锁显示

（1）自动实时关联调度指挥管理系统（TDMS）、供电SCADA 系统中的施工、维修、跳闸等作业计划信息数据，并自动解析作业计划中的线别、公里标、行别、停电区段、封锁区段、封锁时间、作业单位、作业内容等数据，并在地图上实时绘制提醒区域；

（2）停电封锁区段自动标红及自动闪烁提醒，点击封锁区域显示封锁详情及作业计划简略信息；

（3）作业完毕后系统自动关闭封锁提醒与显示区域；

（4）自动获取供电SCADA 系统中的跳闸数据并在地图上标注位置，同时提醒重合成功/重合失败，自动根据应急处置方案弹出人机交互流程界面。

接触网故障与封锁显示示例见图4。

图4 接触网故障与封锁显示示例

4.4 故障/跳闸抢修路径

（1）自动实时关联供电SCADA 系统中的故障/跳闸等数据，并自动解析线别、公里标、行别、跳闸时间、作业单位、作业内容等数据，并在地图上实时绘制位置提醒显示；

（2）故障/跳闸位置自动标红色叹号图标并自动闪烁提醒，点击故障地点图标显示故障/跳闸详细信息；

（3）自动根据故障/跳闸坐标位置查找检索系统内最近的维管工区，并计算最短抢修路径及路径最短行走时间；

（4）如需轨道车抢修，自动检索最近的轨道车及对应供电工区；

（5）自动查找离故障点最近的上道口及人工步行路线。

故障/跳闸抢修路径示例见图5。

图5 故障/跳闸抢修路径示例

4.5 自然灾害预警

系统能够实时接收天气预报、地质灾害报警等信息。通过高效的信息分析，结合自然灾害应急处置的相关规定，第一时间预警提示，并提供限速值、限速区段、封锁区段等辅助决策信息。充分发挥系统5G 信息传输高速准确的特点，有效提高高铁自然灾害应对能力。

4.6 智能辅助决策

系统通过研究应急处置辅助决策关键技术，实现事故案例存储管理与分析、基于规则推理的事故处置方法生成、应急方案可视化、基于预案模板和事故案例的预案生成，并在此基础上实现铁路应急处置方案的自动生成。基于数据库中已有的大量数据，按照各类“经验值”算法模块，通过数据挖掘进行大数据分析，在应急处置中为用户智能推出处置方案以供决策。

5 结束语

目前我国铁路通信系统存在业务功能少、传输速度慢、传输效果差、信息实时性差等问题，对高铁应急抢险指挥效率存在一定影响。5G 技术虽然还未正式商业化，但其发展进程是全球关注的焦点。面向未来，移动数据流量将出现爆发式增长，新一代无线通信技术将实现万物互联，智能设备与信息流无处不在。虽然铁路建设5G 网络还有诸多困难需要克服，如频点发放、技术标准确定、长大隧道覆盖方案、高额投资等。但5G 通信技术将给铁路管理、生产、运营模式带来革命性变化，助力智能高铁和智慧交通的发展。基于5G技术的高铁列车位置查询及应急处置辅助系统正是把握当前需求和面向未来趋势，是对中国高铁智能化的有益拓展。