5G通信技术在货运站场自动驾驶中的应用

佟 哲

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，国内拥有世界最现代化铁路网和最发达高铁网。随着路网规模的扩大、安全保障的需要和业务需求的增长，亟需研究应用5G 技术，发挥其高速率、低时延、大接入优势，实现铁路大规模车流、客流、物流产生的海量数据实时传输汇聚、深度挖掘和有效利用，促进铁路网和互联网融合发展，推动铁路智能建造、智能装备、智能运营技术的新提升和智慧出行、智慧物流、智慧平台的新发展。

国内5G核心技术和产品已实现突破，为铁路开展5G技术应用提供了良好的技术环境。其中，大规模天线技术、中低频技术等基本成熟，在产业界的共同努力下，我国5G发展取得领先优势，5G标准必要专利声明数量全球占比超过38%，位列全球首位，华为、中兴、大唐等企业已实现5G独立组网设备批量供货。目前，国内已累计建成5G基站超81.9万个，占全球比例约为70%，实现全国地级以上城市全覆盖。

2 5G通信技术的特点

5G移动通信技术结合了超密集组网、全双工通信、毫米波等关键技术，与上一代移动通信相比，性能有了巨大提高。同样的，5G的特点有低时延与高可靠性、频谱和能源高效利用、更加优越的通信质量。

5G指第五代无线电信网络。这些网络由两个主要功能区组成：无线接入网（RAN）和核心网（5GC）。

RAN： 是“通过无线电连接将单个无线设备连接到网络其他部分的电信系统的一部分”。虽然这样做的接口是开放和标准化的，但设备需要基站、无线电放大器，管理体系是封闭的，不完全遵守这些标准。RAN设备是供应商专有的，全球市场只被少数几家制造商所控制，如华为、诺基亚、爱立信等。在第四代无线通信4G中，这部分网络被称为“边缘”。

5GC：构成RAN 与互联网、有线电话系统、基于互联网协议（IP）业务之间的桥梁。核心网络控件在整个网络上运行函数，网络上的所有数据都遍历核心，它决定如何路由这些数据。

货运站场自动驾驶通信属于无线通信，其中的通信技术主要有两种，短距离视频通信和远距离的移动通信技术，前者主要是 RFID 传感设备及类似 Wi-Fi等2.4G 通信技术，后者主要是GPRS、3G、LTE、4G、5G 等移动通信技术。技术发展重点主要体现在应用上，包括机车与机车之间、机车与路下基础设施之间、机车与控制中心网络之间。

3 货运站场列车自动驾驶的发展历程

在铁路客运和城市轨道交通领域，自动驾驶技术已进行多年研究，取得了长足的发展。目前国内的高速铁路、客运专线和地铁领域，自动驾驶的研发和应用已经比较广泛。在铁路货运领域，国内也已经开始干线货运专用机车的自动驾驶研究，并取得了一些阶段性成果。本文希望提出货运站场调车机车自动驾驶的应用研究。

在国际电工委员会（IEC）发布的国际标准《城市轨道交通管理和指挥控制系统-第一部分-系统原理和基本概念（Railway Applications– Urban Guided Transport Management and Command/control Systems–Part 1：system Principles and Fundamental Concepts）》（IEC 62290-1 2014）中，将列车运行控制系统自动化分为5个等级（GOA0～GOA4）。

GOA0：视距下的列车驾驶（On-sight Train Operation）。完全由司机人工驾驶。

GOA1：非自动化的列车驾驶（Nonautomated Train Operation）。系统仅在特定位置对司机进行非连续性或连续性的监督驾驶。又可细分为a和b两个等级。

GOA2：半自动驾驶（Semi-automated Train Operation）。系统控制列车运行，并连续监督列车速度。司机在危险情况下控制列车制动停车，如ATO。

GOA3：无 司 机 驾 驶（Driverless Train Operation）。驾驶室不再设置司机岗位。车上安排值乘人员以应对车门是否关闭等特殊事件。

GOA4：无人监督驾驶（Unattended train operation）。列车上不安排任何工作人员。

4 5G通信技术在货运站场自动驾驶中的应用

在轨道交通运输领域5G 网络将有效提升系统运行效率。铁路货运是交通运输系统主要的领域，对经济发展起着重要的推动作用，近年来，随着全国铁路货运量的逐步攀升以及日益提高的安全运输生产要求，货运站场列车自动驾驶的开发与研制应用非常必要。由于系统庞大计算功能和大流量数据的低时延、高可靠传输，使得原有的通信网络逐渐成为影响发展的瓶颈，难以满足未来的业务需求。恰逢其时，5G 网络的出现使得许多影响信息发展瓶颈迎刃而解。

为了实现货运自动驾驶系统的安全高效，首先需要安全可靠、畅通的5G宽带无线传输通道。最好同时与不同运营商进行商谈，尽可能争取采用不同运营商的两套独立无线通信网，实现4G/5G冗余通道传输。建设时应优先运用5G通信，在5G技术不能满足建设要求的情况下，可局部适当降低为4G。

同时考虑设置一套备用降级系统，在极端情况下，4G/5G通道故障、系统整体降级，依靠数传电台窄带通信保证系统的无线通信通道，使系统能够保持基本的安全运行，防止事故发生。待4G/5G通道故障解除，恢复系统正常运行。

在4G/5G通信模式下，保证控制数据优先传送，视频、图片等辅助信息不能跟控制数据争抢通信带宽。

5 5G应用网建设方案

5.1 5G应用网络覆盖方案

根据需求设计5G+自动驾驶列车、5G+视频安防综合解决方案，通过现场实际勘测在货运站场的适当位置架设5G基站且覆盖列车在货运站场的所有位置。当然尽可能利用附近原有的5G基站，以达到节省建设成本。

如图1所示，列车上搭载客户终端设备（CPE），该终端能够随着列车行驶过程中，通过和沿线搭建好的5G基站实时建立通信连接，进行货运站场列车无人驾驶系统信息的传输和控制命令的传递。同时，列车内、外部的视频监控信息和安装在轨旁的摄像头采集到的信息，也通过5G网络实时回传到控制中心（调度室）。

通过实际勘测方式确定5G覆盖所需的基站数量。网络覆盖后，初期在运输线路上可独享5G网络资源，满足控制信号与视频图像回传需求。未来随着应用场景的增多，可引入5G网络切片技术，将一张5G物理网络逻辑分割为多张逻辑网络，并且可保证每种业务之间逻辑隔离，可对每种业务单独作出保障。

图1 5G网络覆盖示意Fig.1 Diagram of 5G network coverage

现阶段通过CPE设备将5G信号转换为Wi-Fi信号或者通过网线传输，未来终端设备具备5G模组后可直接接入5G网络。终端侧可以通过CPE将5G信号转化为Wi-Fi或者网线进行对接，进而与控制中心控制系统交互数据。控制中心通过CPE光纤与控制中心系统设备对接。CPE的5G网络传输速度可以达到2.33 Gbit/s-1.25 Gbit/s（理论值，数据来源于华为官网）。

5.2 4G/5G公网网络拓扑

如图2所示，用网络运营公司提供的2路物理路径不同的专线通道，由用户端连接到控制中心系统机房。机房内设置2台接入路由防火墙。专线电路能够实现数据隧道加密更好的保护传输数据的私密性、安全性。

图2 地面设备接入示意Fig.2 Schematic diagram of ground equipment access

5.3 4G/5G公网无线路由器

无线路由产品基于MMIPS架构，具有一个MT7621A双核CPU，其频率为880 MHz，内存为256 MB。主板上集成了3个GE端口，及2个mini pcie 3G/LTE调制解调器及1个m2 3G/LTE调制解调器, 并且具有以太网（POE）供电功能及直流供电功能。同时在软件的开发和应用上不断的更新和发展，使其功能可以不断增强和完善。特别在无线、认证、策略路由、带宽控制和防火墙过滤等功能上有着非常突出的表现，能满足客户的各种网络要求。具体参数如表1、2所示。

表 1 CPE设备CPU细节参数Tab.1 Detailed CPU parameters of CPE equipment

表 2 CPE设备传输速率Tab.2 Transmission rate of CPE equipment

5.4 产品功能

该款设备目前功能包括无线网络配置、策略路由、负载均衡策略、速率控制、NAT、VPN、服务质量（QoS）、防火墙配置、用户访问控制和访问记录、多出口的冗余、带宽控制、脚本编写、网络监控等功能。最大吞吐量通过30次以上的尝试确定，在64，512，1518 Byte的数据包大小中具有0.1%的数据包丢失容限，经测算该款设备的硬件和软件配置达到最优效果，可以满足多种应用环境。

5.5 信号优先级保障

网络为两个物理路径的专网， 每台车安装两台路由器，通过无线路由器优先级配置，达到信号优先指令-视频，保障车辆安全运行。

网络中存在若干种通信模式：机车与机车之间、机车与路下基础设施之间、车与控制中心网络之间。

从网络层面上讲，车载终端内部是个局域网，车载终端之间形成了车际网络，这样的网络可以实现人、车、路、云之间的信息。

5.6 控制系统信息指令

系统控制中心设置在调度室或临近调度室。

控制中心负责整个货运场站全部信息收集与指令发布，并且收集临近场站及设施的相关信息与回复，这些信息传输均以5G网络为载体，以达到信息传输的同步。

同时，在控制室部署两台CPE用于控制系统接入5G网络，为列车上的自动驾驶系统配置一台CPE，实现与控制室的实时交互。

5.6.1 控制中心向机车发送的数据

1）调机的作业指令:如机车转场。

2）机车运行速度曲线:如机车在某处进行对应作业的最高速度及最低速度，防护机车在安全驾驶速度范围内。

3）安全防护信息:如在迁出线末端、迂回线等防护机车车辆超限。

4）调度系统信息:如调车作业单的发送，站场信号联锁信息等。

5.6.2 机车向控制中心发送的数据

1）机车上的视频图像信息:如机车前向、侧向、后向的视频监控数据。

2）机车执行作业指令的反馈信息:如作业指令中各工作完成进度及完成状态。

3）机车的位置信息:主要是机车自身的定位数据，防止系统内丢车。

4）机车运行状态信息:如机车当前运行速度、柴油机转速、风管压力等。

上述场景中传送的数据可以分为两类，控制中心向机车传送的控制信息数据和机车向控制中心传送的采集数据。其中采集数据又分为视频、图像类的非结构化数据和机车位置、状态信息等结构化数据，控制信息数据要求网络的高可靠低时延性，视频、图像信息对网络的带宽要求较高，从而保障系统整体运行的流畅性，5G网络大带宽、高可靠低时延的特点正适用本场景的网络需求。同时，随着5G网的发展建设，未来可用网络切片技术隔离控制信息数据和采集信息数据，保障控制信号传递的安全性。

6 结论

随着5G SA组网的发展建设，未来可用网络切片技术隔离控制和采集信息数据，保障控制信号传递的安全性。通过建设高品质5G网络实现控制中心（调度室）与机车的实时双向通信。5G基础设施建设，应在国家的大力主导以及各级政府部门的统筹协调下推动，全面配合下进行，以摊薄单一应用项目实施的成本，提高基础设施的综合经济效益。

切实满足了现有车地通信延迟高、调车数据传输量限制大的痛点，标志着5G在铁路调车信号领域的成功应用，打造了5G+货运铁路通信信号标杆项目，为货运自动驾驶系统的实施提供有利条件，方便后续开展人工智能和更高级别的调车机车控制系统开发等应用提供了一定的参考价值，具有相当意义的应用前景。