5G通信技术在智慧轨交运营中的应用探析

赵小川 程恩旺

【摘 要】5G低时延、大宽带、大连接的技术特性，将为轨道交通的数字化转型提供技术基础。智慧轨交运营场景主要包括客流监控、客流分析、清分清算三个方面，5G-R将显著提升智慧轨交的系统维护效率，在高速通信、海量用户超密集组网、端到端通信、绿色通信、低时延可靠性五个方面进行应用，并基于感知层、平台层和应用层实现智慧轨交整体系统建设。

【关键词】5G通信；智慧轨交；应用场景

一、引言

城市轨道交通作为公共出行服务的重要支撑，具备集约高效、节能环保等优势，越来越多的城市开始着手建设城市轨道交通网络，以便解决城市拥堵，城市圈发展受限的难题，可以说城市轨交运营效率将直接影响到城市的社会与经济发展秩序。随着“大物移云智”等新兴技术的广泛应用，基于5G的智慧轨交运营将成为智慧城市发展水平的重要标志之一。分析5G对轨道交通数字化转型的影响，基于智慧轨交运营场景和实施挑战，探索5G+智慧轨交的典型应用和整体解决方案具有较高的实践价值，也有助于推动我国智慧轨交运营的健康可持续发展。

二、5G技术引领轨道交通数字化转型

5G作为新一代宽带移动通信技术，其传输效率远高于4G网络，并且可以很好规避LTE-M系统的频段资源限制。目前城市轨道交通通信系统的主要应用包括PIS视频、运行监控与控制、对时通信、紧急发布等。5G通信技术具备低时延、大宽带、大连接的特性，可以从本质上解决轨道交通业务通信的速率及质量，同时5G网络频谱可以满足轨道交通多项业务的并行通信需求，实现各类通信服务的高独立性与安全性，5G通信网络的高连接密度，结合物联网编码技术有助于实现对轨道交通运营的全量数据感知与传输，为轨道交通的数字化转型提供技术基础。

三、智慧轨交运营场景和实施挑战

近些年，城市轨道交通建设如火如荼，自动售检票（AFC）、清分系统（ACC）、控制中心（OCC）已经成为支撑轨交正常运行的基本运营信息系统[1]，依托物联网信息采集及5G通信技术，使得城市轨交从点、线、面多维大数据进行分析，进而使实现智慧运营成为可能。智慧轨交运营场景主要包括客流监控、客流分析、清分清算三个方面，其中客流监控要涵盖站厅、站口和列车等多个场景，通过对多个场景内的热力图可以直观展示区域内的人流分布情况，为乘客疏导、客流增长预警、班次优化等工作提供决策支撑。客流分析既要依托轨道交通站内客流数据，同时还要结合城市其他交通情况、重大活动、节假日等信息综合评判各个站点的客流情况，提前通过调整发车频次、增加运力的方式避免客流积压。为了更好地获取乘客的位置和流量信息，要借助进站、售票、安检、候车、乘车、出站等全流程进行信息采集，以便为轨交运营进行线路的精准清分提供结算依据，从而指导地铁线路的高效运营。

智慧轨交在实施过程中主要面临设备投资维护费用高、乘客换乘轨迹识别技术难度高、闸机统计高时延和清分清算不精准等难点。为了更好地进行全方位客流量监控，传统摄像头方案存在极高的采购成本和维护成本，且监控盲区和统计交叠区给后续数据分析带来麻烦；另外，对乘客的轨迹统计数据存在断点，只能依靠某些关键触点进行轨迹推测，准确度不高；由于传统4G通信方案的技术弊端，各类统计触点数据时延较长，无法实时反映客流、换乘、轨迹等信息，一方面无法为清分清算提供准确、实际的数据支撑，另一方面使得轨交运营过程中的客流检测滞后，各类信息的共享时效性不足，阻碍了智慧运营的进一步发展。

四、5G+智慧轨交应用探析

（一）5G-R将成为智慧轨交新型基础设施

传统铁路和轨道交通采用的是GSM-R无线通信技术，可以依托专用网络为轨道交通提供调度、信号交换、运行维护等功能，并且GSM-R技术还可以提供组呼、组播、功能号码呼叫和紧急呼叫等业务，满足列车在高速行驶当中的部分通信需求，是轨道交通运行的基本通信设施[2]。但是随着轨道交通对于各类高清视频监控及大流量调度的需求，GSM-R的信道及宽度均无法满足高质量、高容量的数据传输要求。另外，随着人们对轨道交通的出行依赖性逐步增强，智能手机等便携性设备的网络接入也成为智慧轨道交通运营的关键阻碍。5G-R依托其低时延、大宽带、大连接特性，使得具备更强灵活性和可拓展性的智慧轨道交通运营方案成为可能，5G-R也将成为智慧轨交的新型基础设施。

（二）5G提升智慧轨交系统维护效率

轨道交通作为一种高频率使用的公共设施，其内部设施点多面广，日常维护工作量极高。自组织、网络虚拟化、多址技术的整合应用可以对各类设施的维护提供集约型控制服务，通过数据驾驶舱可以及时获取各个设施的运行情况，以便提供维护信息支持服务。5G通信技术在轨道交通的全面应用，有助于将原本通过民用网络连接的各类监控设施进行替换，极大程度提升了设施运行数据的安全性，同时更加实时和全面地监测运行情况，显著提升维护效率，降低维护成本。

（三）5G+智慧轨交典型应用

5G通信技术在城市智慧轨道交通中的典型应用包括高速通信、海量用户超密集组网、端到端通信、绿色通信、低时延可靠性五个方面。5G技术通过高频谱效率技术实现高速短距离通信，让高清视频、客流量信息及各类运营数据在单网进行集合，在简化网络复杂度的基础上满足智慧轨交多运营需求；5G网络允许大量无线设备组网通信，降低布线复杂度和难度，极大节约了轨道交通的设施空间，同时提供个性化优先级和安全认证方式，为轨道交通的智慧运营提供技术基础；端到端（D2D）通信技术作为一种冗余通信技术，在5G技术条件下支持自组织网络及多跳技术，使得整个网络不会因为个别位置信号弱或受到干扰，进一步提升网络通信的可靠性；5G技术可以显著减少链路传输的能量损耗，提高能量使用效率，为轨道交通的绿色通信提供了技术基础[3]；5G技术的低时延可靠性能以极低的通信延迟实现列车追踪，提高列车运行控制系统性能，提高轨道交通的运行安全与效率。

五、基于5G通信技术的智慧轨交运营解决方案

基于5G通信技术的智慧轨交运营需要结合轨道交通的行业特性，拓展智慧运营场景，提供高质量服务体验，创造面向5G的智慧轨交系统框架。为了保证智慧轨交的多元化服务，需要通过感知层、平台层和应用层来进行整体解决方案设计。感知层就是通过各类传感器进行原始数据的采集，其中多模分布式微功率基站可以实现对用户信号强度的精准测量，实现高精度定位，为平台层的数据分析提供支撑。平台层基于各个开放网元从基站获取的客流、换成、线路、定位等实时数据，结合用户画像进行客流分析，为前端的应用层实时推送运营支持信息。应用层基于平台层和感知层提供的多维数据，进行立体数据评估，同时结合智慧轨道交通的应用场景提供具备极强可拓展性的应用服务，如实时断面客流监控、客流分析、清分清算等。另外随着海量数据对系统和应用进行“喂养”，系统将通过机器学习等人工智能技术在数字空间发挥业务洞察，为信息使用者提供更加具备参考性的运营建议与方案，实现智慧轨道交通运营的升级迭代。

参考文献：

[1]曾华燊，朱怀芳.论智慧轨道交通及其系统架构[J].计算机应用，2012，32（05）：1191-1195.

[2]周勇.城市轨道交通智慧车站技术方案研究与设计[J].铁道建筑，2020，60（12）：117-120.

[3]張春.5G技术与智慧交通应用[J].电子技术与软件工程，2021（07）：37-38.