5G 在智慧轨道交通中的创新应用

柴文宇，林思雨，钟章队

（1.佳讯飞鸿（北京）智能科技研究院有限公司，北京 100044；2.北京交通大学，北京 100044）

1 引言

2019 年9 月中共中央、国务院《交通强国建设纲要》指出，到2020 年要完成决胜全面建成小康社会交通建设任务和“十三五”现代综合交通运输体系发展规划各项任务，为交通强国建设奠定坚实基础；到2035 年，基本建成交通强国。要实现交通强国的建设目标，需要科技创新支撑和智慧引领，推动互联网、云计算、人工智能、5G 通信等新兴数字基础设施与交通行业传统物理基础设施的深度融合，构建泛在先进的交通信息基础设施，从而实现智慧轨道交通的大力发展。发展智能轨道交通对轨道交通移动通信系统的安全、容量、可靠性、即时性、泛在等提出了新的、更高的要求。轨道交通移动通信系统承载了轨道交通调度指挥、列车运行控制、故障预警等与列车行车安全息息相关的重要业务，5G 是实现轨道交通全态势感知和信息互联的基础，将成为轨道交通系统信息化和智能化的基石。

2 智慧轨道交通国内外发展现状

我国轨道交通创新规划指出要通过持续技术创新，推动轨道交通现代化、智能化水平大幅提高，促进我国轨道交通向智慧轨道交通转型升级，总体技术水平达到世界领先。北京冬奥会重大交通基础设施的京张高铁智能动车组首次采用自主研发的北斗卫星导航系统，成为世界首个能够实现350 km/h 速度的自动驾驶动车组，可实现列车从车站自动发车、在站间自动运行、运行时间按计划自动调整等功能，对于提高列车安全性和正点率、降低司机的劳动强度、提升旅客的出行体验、绿色节能等均有重要意义，此外，京张高铁还实现了电子客票、一证通行、刷脸进站等科技便民服务，并在沿线高铁站内配备了各种智能机器人，既能帮助运输行李，还能自助导航，让旅客实现智慧出行。全球首个5G 火车站在上海虹桥站建成，车站内5G 网络提供了精度更高的室内导航，方便乘客找到商场和商店，站内采用的5G 室内数字系统（digital indoor system，DIS）技术能达到1.2 Gbps 的网络峰值速率，实现下载一部大小为2 GB 的高清电影最快只需不到20 s。全国首个5G 地铁站已在成都正式开通，车辆故障预测与健康管理（PHM）系统也开始投入使用。上海地铁智慧车站已实现客流预测监控和安全监控，打造了信号系统智能运维并实现了主动维修决策，同时已开展“多车无人驾驶（unattended train operation，UTO）模式”的动车测试。广州AI 智慧车站可以实现票务、安检一体通过、扫描车站二维码实现站内电子地图导航以及智能屏显示车厢客流密度引导乘客选择车厢等功能。

随着中国、德国、法国、西班牙、日本等国家高速铁路网的迅猛发展，世界范围内的铁路服务需求持续增长，未来高速铁路将向着客运服务网络化、运输组织智能化、安全监控自动化方向发展。一方面，为进一步强化高速铁路运行安全、提高运营效率、改善服务质量，铁路多媒体调度、高清晰度视频安全监控等新的铁路业务和应用不断涌现；另一方面，云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术广泛应用，催生了高速铁路自动驾驶、基于空天地一体化和大规模传感器的物联网应用以及设备设施服役状态检测监控等大量新业务与应用需求，发展智能轨道交通已成为当前世界轨道交通的重要发展方向。国际铁路联盟（UIC）倡导铁路数字化转型，打造数字化平台UIC Digital Platform，该数字化平台会带给铁路多元的价值增益。欧盟于2015 年全面启动“构建未来轨道交通系统联合行动计划（Shift2Rail）”，呼吁和提倡智能铁路设施、智能移动管理、智能铁路服务等概念，强调更透彻的感知以及更全面的互联。英国《2012 年轨道交通发展报告》中指出了未来轨道交通发展的安全、绿色、舒适、人性化的建设目标。东日本铁路公司提出“远景2027”的转型计划，由客运运输拓展到生活服务，应对老龄化，打造“一站式”城市服务，建立“出行互联平台”，节能减排。

3 5G+轨道交通应用场景

我国轨道交通不断增加的路网里程和客流量使得各城市的轨道交通通信网络承受了巨大的压力，同时，在轨道交通智慧化发展的大背景下，各类智慧化应用对通信网络的能力需求不断增加，无论是旅客服务，还是轨道交通的日常运营维护、列车运行，都对通信网络有了更高的要求。在这样的背景下，5G 技术成为最有希望解决轨道交通移动通信网络现存问题的新型移动通信技术。

5G 技术与4G 技术相比，具备大容量、广连接、高可靠、低时延的特点，能够组建成更加完善、高效、智能的移动通信网络平台，更好地与其他智能化技术密切结合，为轨道交通智慧化发展提供了更大的想象空间。

3.1 智慧建造

智慧建造将建筑信息模型（building infomation model，BIM）、地理信息系统（geometry infommation system，GIS）、数字孪生、虚拟现实/增强现实（virtual reality/augmented reality，AR/VR）、边缘计算等技术与先进的工程建造技术相融合，实现轨道交通工程项目勘察设计、物料管理、工程施工等建设全流程的精细化、智能化管理，例如，在设计阶段可以提供多工种技术协作平台，大幅提升专业间配合、协作效率，提升设计精度；实现工程全要素、全流程数字化，为计算分析和数据应用提供充分依据。5G 技术为这些技术的高效协同创造了可能性。

3.2 智能调度

受限于移动通信网络的容量，传统的调度通信系统主要实现语音业务。基于5G 技术大幅提升的容量能力，在智慧轨道交通时代，调度通信系统将迎来业务范围的极大拓展。在终端侧，除传统的手持台、车载台、桌面终端外，各类新型终端形态如摄像头、AR 眼镜、智能头盔、无人机、机器人等都可接入调度系统，基于广泛的感知终端和平台统一接入、智能分析的能力，未来的调度系统将成为轨道交通智慧运营的核心平台，承载音视频调度、视频会议、数据统计分析、安全要素管理、远程AR/VR 指挥等各类业务；在业务上，可以实现基于多媒体、GIS 等技术的多种新型业务，如通过与应急通信、灾害监测、周界防护等系统的整合和联动，增强行车指挥人员掌握现场安全状况的能力，为各运输站段、班组提供更加可靠的专用调度通信。

3.3 智能组织

传统的轨道交通运输组织主要基于人为决策，随着新一代通信信息技术的应用，轨道交通运输组织也将进入更加智能、高效的新时代。基于轨道交通客流数据的智能感知和分析，以及多源客流数据融合的精准计算，能够实现网络客流的监测预警、运力资源的优化配置、运能运量的精准匹配，进而实现全自动的运输计划编制和列车行车组织；在轨道交通的重要枢纽，通过进行客流态势演变分析、客流协同管控、安全风险智能感知，能够提高运输效率、保障行车安全、提升车站管理能力；在不同交通模式协同方面，在运输要素充分数字化、智能化的基础上，轨道交通内部将研究实现市区城轨、市域铁路、城际铁路、国铁干线铁路等“多网融合”的综合轨道交通运输网络，同时增强与民航、公交等多种运输方式之间的协调衔接，实现在城市、地区、国家主管部门协调组织下交通资源的信息共享和协同运用，构建运能运量精准匹配、线网运输互联互通、乘客出行快捷便利、网络化运输组织高效的未来出行服务网络。

3.4 智能作业

飞速发展的通信信息技术为轨道交通的检修工作提供了多种新的思路，如通过多种物联网传感器、雷达设备等对沿线基础设施、列车关键设备进行全面实时监测；利用巡检机器人、无人机等新装备替代人工，大大提升巡检的效率和范围；利用视频智能分析、北斗高精度定位等，能够实现对现场作业人员的精准管理和安全保障。基于5G 技术提供的更大接入能力，能够实现现场设备设施、生产任务、检修作业流程的互联，通过数据的融合分析和应用，能够实现生产计划自动编排、作业任务自动派发、测试数据自动提报、作业工器具自动清点派发、作业地点和轨迹自动记录、作业关键环节自动卡控，从而提高各类作业标准化、智能化水平。

3.5 智慧物流

传统轨道交通货运业务主要以铁路长大干线的大宗货物运输为主，而对于快件、分散物流运输领域，轨道交通的运能一直没有得到充分的挖掘，这是由于轨道交通的运输特点更适合运输“站到站”的标准化、封闭集装箱/行包，对于要求“门对门”服务的现代物流业，缺乏末端的高效衔接机制，也未打通与城市物流链“微循环”。5G 时代，得益于更强大的网络连接能力和物联网技术的应用，使轨道交通实现分散化、非标准化物流高效运输成为可能，如通过物联网技术实现运输全程状态（温湿度、振动情况）感知，更好服务冷链、精密仪器等特殊运输需求；开发适用于快件物流的智能标准集装箱，提升货物装卸效率，提升运输资源量化水平，更加便于运输资源的计划、调配和运作；基于运输全环节的数字化加强与上下游运输环节的衔接，从而充分调动社会物流企业积极性、降低物流服务成本、提升轨道交通物流运输服务水平。

3.6 智慧车站

智慧车站包含智慧乘客服务和智慧车站管理2 方面内容。

（1）在乘客服务方面，以5G 为代表的新技术的应用将极大提升乘客服务的便捷化、舒适化、智能化水平。如通过动态引导系统取代传统的人工指引和墙壁标识，能够更灵活地根据客流情况和开行计划调整通行方案，大大提升车站通行效率；基于高精度室内定位为乘客提供便捷的站内导航服务，旅客可以通过移动端、车站专用终端等一键搜索目的地并生成地图，快速获取路径参考；通过AR/VR、专用热点等方式，可以为旅客提供多种智能休闲娱乐体验，增加候车、等待时间的趣味性，提升轨道交通出行方式的竞争力；基于物联网实时感知和车站设备的联动控制，能够对车站环境的温湿度、光照进行实时调控，提升车站环境的舒适度。

（2）在车站管理方面，基于智能音视频分析、物联网感知、精准安检等系统，能够实现站内安全要素的智慧感知，第一时间识别危险因素，发生安全事件时，通过一体化智慧系统进行快速处置，并第一时间协调医疗、消防等援助资源；通过对车站设备的全面状态监测、自动控制，实现车站设备设施的全生命周期管理，构建智慧车站综合运管平台，提高车站设备设施的安全运行质量，打造绿色、节能、高效的智慧车站。

3.7 智慧票务

轨道交通行业已基本实现了电子购票和无纸化乘车，未来基于各类身份认证技术的发展和通信网络能力的增强，可以进一步提升票务服务的智能化水平，如利用生物识别、无感支付等多制式身份认证，提高售检票、乘车的效率和智能化水平；基于视频监控、生物识别、人工智能等技术的结合应用，可以探索与轨道交通客流相适应的智慧票检、安检合一的新模式，实现“人”“票”“物”以及异常行为四合一核验，提高效率、安全和服务品质；基于实名制、个人信用体系等认证机制，扩大可信乘车凭证的互联互通范围，推进跨平台、跨场景的乘车票务服务，提高城市间乘车便捷度；票务系统的充分数字化使得管理部门能够更加精细的掌握客流数据，从而促进客流数据运用智慧化水平的提升。

3.8 智慧接驳

在多种交通方式网络化运营的大背景下，中转、换乘环节的有效、便利衔接能够大大增强交通的通达性，也可极大地改善乘客体验。随着5G 等新一代通信信息技术的应用，整个交通行业的数字化水平不断提升，将建立平台化的服务模式，乘客、各类交通资源、管理部门的信息能够打破壁垒形成一个整体，为乘客创造顺畅、无缝、灵活的出行体验，例如，轨道交通枢纽车站与出租车、网约车、公共交通实时共享客流情况、协调交通资源，从而减少乘客滞留等待的时间；整合实时城市天气、路面交通拥挤度信息，为乘客提供室内交通路径参考；中转联程环节通过深度合作机制提升换乘效率，如机场、车站实现安检互认、行李直达等服务，减少重复环节、节省乘客换乘时间。

4 5G+智慧轨道交通面临的关键技术挑战

5G 移动通信技术的目标是提高数据速率、减少延迟、节省能源、提高系统容量和实现大规模设备连接。轨道交通智能化需求有其自身的特点，包括单一场景下的差异化业务服务需求、高安全性和高可靠性，其应用场景也具有高速移动等典型特征。因此，利用5G 技术支撑轨道交通智能化发展仍然面临多方面的技术挑战，包括信道与天线技术、物联网技术、边缘计算技术和网络切片技术。

4.1 多天线技术

多天线技术是5G 无线通信系统能够实现高系统容量和大规模设备连接的关键技术。然而列车高速移动场景下信道会同时发生时域和频域的选择性衰落，多天线技术需要能够通过快速对波束进行调整从而跟踪信道的变化，因此需进一步关注轨道交通应用场景波束管理的相关研究，研究重点包括：高速移动场景下鲁棒的、低开销的波束对准方法，太赫兹无线回传网波束管理技术，可减少干扰并最大化网络性能的波束管理策略，面向高速移动用户的大规模多入多出（MIMO）高增益波束成型算法等关键问题。

4.2 物联网

物联网可以全面感知交通运输基础设施、工具的使用状况，监控交通运行情况，因此，物联网技术的不断发展将为智慧轨道交通系统的进一步发展和完善注入了新的动力。物联网的技术挑战主要是以下2 方面：①物联网技术需要与轨道交通行业信息化需求紧密结合，在智慧轨道交通物联网中关键技术、标准化、产业化等方面亟待突破；②亟需具备更精确、更全面的感知能力，解决低功耗、小型化和低成本的问题。

4.3 边缘计算

利用物联网自主收集数据只是基础任务，而智慧轨道交通更高的挑战是自主决策。边缘计算技术采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务，以实现低时延的精准决策为目标。轨道交通领域中边缘计算应用场景众多且差异化较大，针对多样化需求，存在巨大的性能及功能差异性。面向智慧轨道交通的边缘计算系统需要能够针对不同工作负载，设置指标的权重和优先级，以便系统选择最优分配策略。此外，当前边缘计算产品缺乏通用技术标准，现有边缘计算设备接口、数据的标准不一致，相互之间无法互认，跨厂商的互联互通和互操作存在巨大挑战，需要在智能交通领域针对接口、数据协议、网络能力等方面建立统一的技术要求。轨道交通系统要求的高可靠性和高安全性也对边缘计算的安全提出了严峻挑战，边缘计算的分布式架构增加了攻击向量的维度，智慧交通客户端越智能，越容易受到恶意软件感染和安全漏洞攻击，车辆高度动态的环境也会使网络更加易受攻击和难以保护。

4.4 网络切片

网络切片技术是在同一个物理网络上构建端到端、按需定制和隔离的逻辑网络，提供不同的功能、性能、成本、连接关系的组合，支持独立运维，为不同的业务和用户群体提供差异化的网络服务。智慧轨道交通拥有丰富的应用业务场景，各个场景对于网络性能的需求存在差异性。由于网络切片技术可根据特定网络能力和网络特性提供组建逻辑网络的能力，因此，网络切片技术可以为不同业务场景的智慧交通业务提供端到端的大带宽、低时延、高可靠性的灵活定制化服务，实现业务的快速上线和更极致的用户体验。然而，智慧交通领域业务场景丰富，要实现端到端服务质量（quality of service，QoS）和确定性时延的保障方法则需要进一步研究。

5 智慧轨道交通技术架构

未来智慧轨道交通技术架构是诸多新思路、新技术的融合，将从感知层、网络层、平台层、应用层多个层面进行重构整合。以5G 技术为代表的新一代信息通信技术将促成一系列行业信息通信（information and communications，ICT）技术架构的变革：促成网络、存储、计算等资源的集中管控和使用；促成数据资源的集中管理、分享以及安全保护；促成无线制式的多样式发展，融合专用宽带通信网络、公众移动通信网络、窄带大连接物联网络为行业所用；促成人工智能技术对行业应用的升级和改造，催生出新业务、新模态。

智慧轨道交通技术架构的发展将遵循“大智移云物”的技术路线，综合采用大数据、人工智能、移动通信、云计算、物联网等技术，具体架构如图1 所示。

图1 智慧轨道交通技术架构

（1）智能感知层作为构建智慧轨道交通的基础，是感知真实世界的触手，也是融合物理世界和信息世界的纽带。智能感知层的功能是采集信息，包括通过传感网、摄像头、检测设备、作业设备等多种手段，自动化获取设备设施健康状况、外部环境条件、人员作业信息等数据，全方位了解整个轨道交通运输系统的运行情况，为上层的精细化管理提供支撑。智能感知层包括传感器、摄像头、监测检测设备、作业终端等设备。智能感知层获得的信息包括设备设施信息、人员信息、作业过程信息、环境信息等。

（2）宽带与泛在的通信网络既包括有线传输网络、数据网，也包括各类无线网络；既包括轨道交通专网，也包括运营商公网、WLAN 网络等；既包括地面网络，也包括卫星系统，目标为构建空天地一体、公专融合的通信网络。

（3）平台方面，云计算平台可为数据共享及应用集成基础平台提供统一、可弹性扩容、便于实现数据集成的集约弹性基础设施，可避免烟囱式建设问题，并有效降低软硬件投资及运维成本；大数据平台等提供大数据处理、智能分析、融合运用功能，通过人工智能服务提供智能分析及辅助决策能力，支撑上层各类主题应用。

6 总结与展望

智慧轨道交通是传统基建与新基建的融合，是物理基建与数字基建的和谐统一。5G 移动通信系统作为新基建的核心技术，是轨道交通智慧化建设的重要支撑。为实现轨道交通系统的智慧建造、智能调度、智能组织、智能作业、智慧物流、智慧车站、智慧票务和智慧接驳等八大应用，5G 移动通信技术还面临着多天线、物联网、边缘计算和网络切片等方面技术的挑战，需要根据轨道交通的应用特征和需求特征进行深入研究和技术创新。本文提出的基于“大智移云物”技术路线的智慧轨道交通技术架构，可为未来以5G 技术为代表的新一代通信信息技术将为智慧轨道交通建设提供有力支撑。