5G技术在铁路数字化货运场站的应用研究

黄敏珍，林晓蕾，李国华，李 楠

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

近年来，5G移动通信技术的发展与应用方兴未艾。全球移动供应商协会（GSA）报告显示，全球超过150家移动通信运营商正在开展5G移动通信关键技术试验与探索[1]，5G移动通信网络正在成为各国重要的通信基础设施，并与物联网（IoT，Internet of Things）、大数据、人工智能等技术融合发展，广泛应用于医疗、交通、港口、工业等行业和领域[2-10]，推动各行业的业务模式变革与创新。

目前，5G移动通信技术应用也是我国铁路运输领域的一个研究热点。王莉[11]等人将5G移动通信技术应用到站房安全系统，以提升旅客出行体验和铁路客运站综合管理水平；柴琳琳[12]将5G移动通信技术应用于铁路危险货物运输，提高铁路危险货物运输的安全管理水平。

数字化是我国铁路货运场站发展的必然趋势，通过铁路货运场站数字化建设，提升铁路货运场站运营效率，提高客户对铁路物流服务的满意度。数字化货运场站具有装备智能化、泛在互联、作业高度协同等特点，现有4G移动通信网络技术已不能满足现实要求。为此，探讨5G移动通信技术在数字化铁路货运站的应用场景，借助5G移动通信技术的优势，加快推进数字化铁路货运场站的建设。

1 铁路货运场站信息化面临的问题

我国铁路货运场站的信息化建设目前主要聚焦于货运站、货检站等信息系统建设，同时开展了铁路货运综合生产管理与应用、货运与物联网融合创新应用、货运与区块链融合创新应用的研究[13-15]，以不断拓展延伸服务，提升铁路货运场站总体服务水平。

铁路货运场站在向一体化现代物流服务延伸发展、促进铁路多式联运业务发展的过程中面临着以下问题。

1.1 物流信息服务功能不完善

参照现代物流的全程服务要求，铁路物流门到门运输、智能化仓储、接取送达、加工等服务水平不高，物流链中因物流信息服务不完善，导致信息流不通畅、不及时，出现物流各环节相互脱节的现象。

1.2 信息技术融合创新面临数据通信瓶颈

目前，随着数字化货运场站建设的日益深化，货运场站大量应用视频监控、IoT等信息化技术，由于既有移动通信网络在传输带宽、速率、时延和安全性等方面的限制，在技术应用融合创新时遇到数据通信瓶颈，新技术与货运站业务融合应用推进受阻，减缓了铁路货运场站数字化发展步伐。

1.3 现有通信技术无法满足技术装备的发展要求

货运站的装卸、货检等作业过多依赖现场人员，装备智能化水平不高，尚不能实现物与物、人与物、人与人之间及时、顺畅的信息交换，造成作业和管理效率不高，安全卡控效果不理想。为加快新技术的应用，物流技术装备的现代化水平应与之匹配，通过泛在互联，增强各作业环节的业务协同能力。而传统的4G移动通信技术已无法满足货运站场技术装备泛在互联与智能化的发展要求。

2 总体方案

5G移动通信技术具有高速度、低功耗、低时延、重构安全等特点，为解决铁路货运场站信息化所面临的问题提供了可能。

围绕强化货运场站安全管控能力、提高货运场站生产作业效率、提升客户服务水平等目标，针对铁路货运场站各种典型应用场景，融合北斗、人工智能、大数据、IoT等先进技术，提出5G移动通信网络+铁路数字化货运场站的总体架构，推进货运场站安全管控、装卸作业、货检作业、资源管理、物流配送和无人驾驶运输等方面的数字化和智能化，促进铁路货运场站朝着一体化现代物流服务方向发展，提高铁路货运场站的集、疏、运各作业环节的协同效率，全面提升铁路货运场站面向多式联运的综合服务能力。

5G移动通信网络+铁路数字化货运场站的总体架构如图1所示，包括终端层、网络层、平台层、应用层以及标准体系和安全体系。

图1 5G移动通信网络+铁路数字化货运场站总体架构

2.1 终端层

主要包括通信终端智能采集设备，支持手持机、传感器、机器人、摄像头、无人车、无人机等设备数据的接入，主要实现面向货运场站业务的操作控制、感应感知和数据反馈等功能；货运场站智能终端支持各种结构化和非结构化数据的接入，按照统一信息接口，规范各类设施设备的接入，包括货运场站计量设备、电子施封锁、智能大门、智能货区货位等。

2.2 网络层

构建承载货运场站业务的5G接入网，可通过微服务进行5G网络切片，根据铁路货运场站不同业务需求，将物理网络划分为多个逻辑子网络，以合理利用网络资源，提供安全、高效的数据传输服务。

2.3 平台层

利用铁路货运集成数据，通过平台赋能，提供大数据、人工智能、云计算等专业的数据处理、数据挖掘和分析能力，构建开放共享的铁路货运场站智能平台，满足对定位、视频回传及图像识别等业务需求，增强对各类货运场站业务的支撑能力。

2.4 应用层

主要面向资源精细化、作业数字化、管理智能化，涉及货运场站智能安全管控、货运场站智能装卸作业、智能货检作业、货运场站资源管理、物流配送和无人驾驶运输等业务，实现跨系统信息交互，支持多业务全流程协同，提高作业效率，提升铁路货运场站的管理与服务水平。

2.5 标准与安全体系

主要包括数据采集、集成、共享等相关规范，明确货运场站数据安全管理、应急处置和备份恢复等制度，规范数据处理和分析过程，强化系统软硬件和数据安全，实行铁路货运场站分级分类风险管控，为铁路货运平台应用提供完善的安全防护。

3 关键技术

3.1 网络切片技术

网络切片是借助虚拟化技术将物理网络切分成多个逻辑上独立的虚拟网络，每个虚拟网络称为一个网络切片，拥有独立的网络资源。针对差异化业务场景需求，可对每个网络的资源进行重新配置，以满足不同的网络切片对各类业务场景的承载能力，实现“一网多用”，提高网络基础设施的经济效益，满足低时延需求。货运场站技术设备众多，联网需求多样。如货运场站吊车远程操控业务对网络安全性和可靠性要求较高，对传输时延极为敏感，可采用专网专用型切片独立承载；无人机监控和巡检业务需要大带宽且对传输时延较为敏感，但其对可靠性的要求不如操控类业务要求高，可采用公网专用型切片承载。

3.2 边缘计算技术

不同于传统云计算架构中将计算资源部署在数据中心机房的方式，边缘计算将部分计算资源部署在靠近人和物的数据源侧，为车辆、货物和集装箱全程监控和物流追踪等实时性要求较高的业务应用提供面向网络边缘终端的数据存储、计算和通信服务，有利于本地业务的快速处理和响应。

3.3 D2D通信

D2D通信是指在一定距离范围内，用户通信设备之间可以直接通信，从而大幅降低通信基站的负荷。随着IoT技术的发展，越来越多具有IoT特征的设备通信终端接入网络，将D2D通信技术和IoT技术结合，构建高效安全、泛在互联的无线通信网络。

3.4 5G网络安全技术

在5G网络中，针对不同业务的差异化安全需求，提供更加高效且个性化的身份认证管理；设计灵活的面向业务的网络安全架构，实现端到端安全防护；定期开展安全评估，建立多维度、标准化、可量化的5G网络安全评估体系，实现网络安全态势动态监控，可依据网络安全风险预警，及时调整安全策略。

4 铁路数字化货运场站的5G应用场景

4.1 作业安全监控与管理

利用5G移动通信+云计算+AI等技术，及时发现各种作业安全隐患，提升货运场站自动化监控水平和作业安全管理能力。

（1）通过基于5G的视频多角度监控与分析和边缘计算等技术，结合前端摄像机、摄像头、传感器等终端采集设备，实现对货运场站大门的实时高清监控。

（2）通过人脸识别技术与5G技术的融合，实现货运场站人员过闸、人脸考勤，并将检查结果实时反馈到监控中心。

（3）实时监督和记录货运场站作业人员的活动路线，货运场站作业人员的历史活动轨迹；同时，通过边缘节点的计算和分析，检测和判别货运场站作业人员是否按照规定佩带安全帽或者穿着反光衣，对其不安全行为进行提醒，并记录违规行为。

（4）实现堆场的火焰、烟雾、液体泄露等安全隐患的自动检测和预警，提升应急处置能力。

（5）与智能视频分析、无人机巡检等技术结合，实时发现问题，对异常情况进行及时预警，同时提供作业环境、集装箱号识别、集卡车牌识别等功能，自动判断箱号与采集数据是否一致，及时根据业务逻辑进行分析和卡控通过。

4.2 智能装卸作业

利用5G技术，实现货运作业自动化，提升装卸作业效率和货运管理水平。

（1）将5G技术应用于集装箱箱区和箱位管理，利用虚拟现实（VR，Virtual Reality）、现实增强（AR，Augmented Reality）和混合现实（MR，Mixed Reality）等技术，在货运场站实景显示上叠加虚拟景象，模拟货物交接、装卸过程，并结合数学规划和启发式算法等多种优化引擎，自动生成高效、低成本的装箱方案，提升集装箱装卸作业的自动化水平。

（2）基于5G通信对吊机实施远程控制，实现现场作业无人化，既可降低人力成本，也有利于消除作业安全隐患。

4.3 智能货检作业

通过5G技术与云计算、区块链、大数据技术的融合应用，提升货检作业和限界管理的智能化水平。

（1）改变依靠现场货运检查员拍照后上传系统的传统货检作业模式，结合VR、AR技术、高清智能识别和智能分析技术，将货检作业过程的高清视频通过5G网络传送到货运场站调度中心，实现货检作业实时远程监控。

（2）通过货检作业全过程的高清视频实时采集和智能分析，可自动识别货物装载加固、篷布遮盖、门窗盖阀等不良情况以及超限、偏载等常见货检安全问题并告警，减轻货检员劳动强度，保证货检作业质量。

4.4 货运场站资源管理

结合IoT数据采集、图像识别处理、北斗定位等技术，将铁路线路、车辆、箱区箱位、堆箱以及场站资源等数字化，实现铁路货运资源IoT应用。

（1）结合GIS、VR、AR和3D全息投影技术，提供清晰明了的图形化展示，便于相关人员掌握货运场站资源的配置与布局。

（2）利用RFID等IoT技术，可跟踪货运场站资源的位置和运动轨迹，方便相关人员掌握货运场站移动资源使用情况。

（3）结合AI技术，由系统智能推荐装卸作业方案，减轻货运场站调度人员工作强度。

4.5 物流配送和无人驾驶运输

通过5G技术与物联网、GPS北斗定位、无人自动驾驶技术的结合，在提升货运场站作业自动化水平和物流全程配送服务水平。

（1）利用射频识别、条形码扫描、车载GPS定位和可视化手段实现物流智能配送；通过对车载GPS定位，在电子地图上显示车辆位置和运行轨迹，根据终端设备采集的定位数据，对物流过程的货物进行监控和跟踪。

（2）在货运场站集卡上加装5G终端和无人自动驾驶系统，使其自主完成正常驾驶和避障行驶，实现集装箱在货运场站内的无人化自主运输，节约人工成本，提升货运场站内货物运输自动化水平。

（3）在货车运行过程中，在车辆进行调车、减速等作业时，可通过D2D通信方式，对附近其它车辆的驾驶员予以警示；在紧急情况下，系统可自主控车，以缩短驾驶员面对紧急状况的反应时间，降低事故的发生率，减小事故伤害。

5 结束语

5G技术有助于解决铁路货运场站信息化建设所面临的诸多难题，是突破数字化铁路货运场站当前发展瓶颈的关键技术。本文针对5G通信技术在铁路数字化货运场站的融合应用，提出5G移动通信网络+铁路数字化货运场站的总体架构，对关键技术进行讨论，重点探讨货运场站智能安全管控、货运场站智能装卸作业、智能货检作业、货运场站资源管理、物流配送和无人驾驶运输5类典型应用场景，以提高货运场站作业效率和管理水平，加快推进铁路数字化货运场站的建设。

下一步将结合上述应用场景，开展具体应用方案研究与开发，紧跟铁路5G移动通信设施的建设步伐，早日实现应用的落地实施。