趙明， 于世武， 余立家， 劉光順

（1. 中國國家鐵路集團(tuán)有限公司運(yùn)輸部，北京 100844；2. 中國國家鐵路集團(tuán)有限公司調(diào)度指揮中心，北京 100844；3. 中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司運(yùn)輸部，黑龍江哈爾濱 150006；4. 中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司黨委辦公室，黑龍江哈爾濱 150006）

1 概述

隨著現(xiàn)代化計算機(jī)技術(shù)及5G 通信技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)信息化建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展和深化應(yīng)用階段，特別是大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)在領(lǐng)域廣度和應(yīng)用深度上不斷延伸，新一代信息化系統(tǒng)建設(shè)不僅以解決信息傳遞和存儲為目標(biāo)，更向著信息全面化、數(shù)據(jù)挖掘精準(zhǔn)化、輔助決策智能化的方向發(fā)展［1-3］。近年來，國家大力發(fā)展以高鐵為代表的現(xiàn)代化鐵路建設(shè)，隨著運(yùn)營里程和行車密度的不斷加大，對高鐵運(yùn)行調(diào)度的信息化水平提出了更高要求。

近年來，我國高鐵迅速發(fā)展，突發(fā)事件在高鐵運(yùn)營過程中時有發(fā)生，若不能及時正確處理，會造成巨大損失和惡劣影響。如何提升高鐵的應(yīng)急處置能力，成為高鐵運(yùn)輸工作的重中之重［4］。高鐵列車位置查詢及應(yīng)急處置輔助系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）利用5G 技術(shù)優(yōu)勢（如頻帶利用率高、通信性能好），通過信息的快速傳輸與控制，可加強(qiáng)鐵路各部門之間的合作，促進(jìn)運(yùn)輸與管理工作更加順利開展。系統(tǒng)加強(qiáng)了對多個環(huán)節(jié)的監(jiān)測與控制，在此基礎(chǔ)上完成各種數(shù)據(jù)的分析和整理，通過經(jīng)驗值算法推出相應(yīng)的分析結(jié)果以供決策。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的興起，在保障安全運(yùn)行的前提下，利用人、車、路、網(wǎng)絡(luò)等資源，對高鐵路網(wǎng)全局跨時空運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合感知，實(shí)現(xiàn)動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下多列車在線智能優(yōu)化調(diào)度和實(shí)時精準(zhǔn)控制［5-6］，打破既有高鐵運(yùn)營中運(yùn)行控制和調(diào)度的分層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制、調(diào)度指揮、應(yīng)急處置、領(lǐng)導(dǎo)決策的一體化管理。

2 高鐵通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

結(jié)合國際發(fā)展情況，以GSM-R 為主的系統(tǒng)是當(dāng)前高鐵通信系統(tǒng)的常見類型。從運(yùn)作效果來看，GSM-R基本實(shí)現(xiàn)了列車調(diào)度與監(jiān)控管理的功能要求。但隨著智能調(diào)度系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的不斷應(yīng)用，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前高鐵通信系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用需求，尤其是視頻、監(jiān)控數(shù)據(jù)等傳輸需求。一般通信系統(tǒng)需要每隔6 s自動切換1次，但在切換過程中，由于高鐵運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，穩(wěn)定性方面難以得到有效保證，如4G 通信頻率較快，再加上受到多普勒效應(yīng)的影響，很容易造成信號傳輸過程中的錯位傳輸現(xiàn)象，而5G 通信技術(shù)繼承了4G 通信技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，同時數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定、傳輸速率更高，能支持500 km/h 的終端移動速度［7-8］。5G 技術(shù)結(jié)合云計算、人工智能等移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為鐵路信息化、智能化提供了無限可能。

2019年底，組成我國“八縱八橫”高鐵網(wǎng)之一的高鐵線路——京張高鐵開通運(yùn)營，而與此同時京張高鐵5G網(wǎng)絡(luò)正式開通，自此，京張高鐵成為我國首條5G高鐵。

3 5G環(huán)境下高鐵應(yīng)用場景

3.1 語音通信

5G 網(wǎng)絡(luò)滿足超高流量密度運(yùn)用，可達(dá)到數(shù)十Tbit/s/km2流量密度，具備Gbit/s級的用戶體驗速率，滿足傳統(tǒng)行車調(diào)度語音通信的同時，可提供視頻通話功能，可運(yùn)用于站場通話、車地通信、車車通信、施工作業(yè)通信、應(yīng)急通信等多個應(yīng)用場景。

3.2 車地數(shù)據(jù)傳遞

5G 網(wǎng)絡(luò)具備超高移動性的網(wǎng)絡(luò)保障，可達(dá)到毫秒級端到端時延，并且支撐500 km/h 以上的移動速率，穩(wěn)定可靠地為下一代列控系統(tǒng)提供高帶寬傳輸通道。還可提供列車行車視頻傳遞、列車安全防護(hù)數(shù)據(jù)傳遞、機(jī)車設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

我國高鐵各種維護(hù)專業(yè)在線路上都存在著大量專業(yè)設(shè)備、設(shè)施。通過5G 網(wǎng)絡(luò)可方便快捷地部署億級數(shù)量的傳感器、監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)。通過對各種監(jiān)控數(shù)據(jù)的積累，建立大數(shù)據(jù)分析模式，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)維護(hù)。系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，更全面地掌握沿線設(shè)備、設(shè)施運(yùn)用狀況，能更好地保障安全。

3.4 應(yīng)急通信應(yīng)用

當(dāng)極端自然災(zāi)害發(fā)生時，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施往往也會受損，甚至發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞或癱瘓。5G 網(wǎng)絡(luò)可利用個人終端采用D2D 技術(shù)組建Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，保障終端間的無線通信暢通，為救援提供保障。救援過程中，為方便救援進(jìn)程的指揮和現(xiàn)場情況的了解，可采用VR技術(shù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)傳遞可完美復(fù)刻現(xiàn)場情景。

3.5 應(yīng)急處置流程

系統(tǒng)利用5G 的高傳輸特點(diǎn)為列車運(yùn)行過程提供實(shí)時監(jiān)控保證，通過運(yùn)用高速鐵路軌旁檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對高速鐵路線路、環(huán)境的全面監(jiān)督與管理，及時將列車運(yùn)行過程中前方1～2 km 的畫面呈現(xiàn)在高鐵駕駛室，供駕駛員遇到問題時及時做出應(yīng)急反應(yīng)，同時將涉及的數(shù)據(jù)內(nèi)容上傳到本地數(shù)據(jù)庫中。列車調(diào)度指揮人員通過該系統(tǒng)實(shí)時傳輸?shù)墓收蠄缶崾?，能夠迅速查詢故障現(xiàn)場圖像和故障設(shè)備相關(guān)信息，第一時間掌握故障情況；系統(tǒng)自動聯(lián)通設(shè)備管理單位，通知并傳輸故障信息；掌握設(shè)備管理單位搶修人員應(yīng)急處置情況；結(jié)合故障發(fā)生時間段內(nèi)列車運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)故障影響信息對內(nèi)、對外的實(shí)時發(fā)布。系統(tǒng)操作人員通過調(diào)控后臺數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析算法，針對系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的問題進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測。以接觸網(wǎng)異物應(yīng)急處置為例，利用5G/大數(shù)據(jù)/圖像檢索技術(shù)的接觸網(wǎng)異物應(yīng)急處置流程見圖1。

圖1 利用5G/大數(shù)據(jù)/圖像檢索技術(shù)的接觸網(wǎng)異物應(yīng)急處置流程

3.6 基于5G系統(tǒng)的輔助衛(wèi)星定位

高鐵沿線地形特征較為復(fù)雜，列車與地面的通信容易受到高層建筑物或樹木的影響而出現(xiàn)屏蔽現(xiàn)象。系統(tǒng)可借助5G 網(wǎng)絡(luò)獲取衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，得到列車當(dāng)前的精確位置信息并呈現(xiàn)在GIS地圖上，實(shí)現(xiàn)列車位置的實(shí)時追蹤。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 車輛實(shí)時位置顯示

基于GIS的各車站信息、列車位置信息展示：

（1）基于GIS的各車站信息、列車位置信息編輯與展示；

（2）基于GIS的列車實(shí)時數(shù)據(jù)坐標(biāo)位置繪制，通過列車顏色顯示正點(diǎn)與晚點(diǎn)，藍(lán)色為正點(diǎn)列車，紅色為晚點(diǎn)列車，并顯示車次及晚點(diǎn)時間。

車輛實(shí)時位置顯示示例見圖2。

圖2 車輛實(shí)時位置顯示示例

4.2 車次詳情及公里標(biāo)快速檢索對應(yīng)工區(qū)

（1）點(diǎn)擊列車圖標(biāo)可顯示車次、類型（高速/普速）、起止站點(diǎn)、發(fā)車時間/到達(dá)時間、本列定員及當(dāng)前總乘客數(shù)、上個經(jīng)停站點(diǎn)/下個到達(dá)站點(diǎn)、當(dāng)前正在行駛的線別與公里標(biāo)等實(shí)時數(shù)據(jù)；

（2）顯示車輛經(jīng)停各車站順序、時間、停留時間、是否晚點(diǎn)及晚點(diǎn)時間等信息數(shù)據(jù)；

（3）正點(diǎn)列車顯示綠色標(biāo)簽，晚點(diǎn)列車顯示紅色標(biāo)簽；

（4）點(diǎn)擊列車懸浮窗中的公里標(biāo)或直接輸入線別+公里標(biāo)可快速檢索顯示對應(yīng)的地理位置所屬的工務(wù)、電務(wù)、供電等維護(hù)單位信息；

（5）各維護(hù)單位自動檢索出當(dāng)前值班人員，包括工長及各工種值班成員信息及電話；

（6）顯示各維護(hù)單位的軌道車、汽車、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組等搶修設(shè)備信息及狀態(tài)。

車次詳情及公里標(biāo)快速檢索對應(yīng)工區(qū)示例見圖3。

圖3 車次詳情及公里標(biāo)快速檢索對應(yīng)工區(qū)示例

4.3 接觸網(wǎng)故障與封鎖顯示

（1）自動實(shí)時關(guān)聯(lián)調(diào)度指揮管理系統(tǒng)（TDMS）、供電SCADA 系統(tǒng)中的施工、維修、跳閘等作業(yè)計劃信息數(shù)據(jù)，并自動解析作業(yè)計劃中的線別、公里標(biāo)、行別、停電區(qū)段、封鎖區(qū)段、封鎖時間、作業(yè)單位、作業(yè)內(nèi)容等數(shù)據(jù)，并在地圖上實(shí)時繪制提醒區(qū)域；

（2）停電封鎖區(qū)段自動標(biāo)紅及自動閃爍提醒，點(diǎn)擊封鎖區(qū)域顯示封鎖詳情及作業(yè)計劃簡略信息；

（3）作業(yè)完畢后系統(tǒng)自動關(guān)閉封鎖提醒與顯示區(qū)域；

（4）自動獲取供電SCADA 系統(tǒng)中的跳閘數(shù)據(jù)并在地圖上標(biāo)注位置，同時提醒重合成功/重合失敗，自動根據(jù)應(yīng)急處置方案彈出人機(jī)交互流程界面。

接觸網(wǎng)故障與封鎖顯示示例見圖4。

圖4 接觸網(wǎng)故障與封鎖顯示示例

4.4 故障/跳閘搶修路徑

（1）自動實(shí)時關(guān)聯(lián)供電SCADA 系統(tǒng)中的故障/跳閘等數(shù)據(jù)，并自動解析線別、公里標(biāo)、行別、跳閘時間、作業(yè)單位、作業(yè)內(nèi)容等數(shù)據(jù)，并在地圖上實(shí)時繪制位置提醒顯示；

（2）故障/跳閘位置自動標(biāo)紅色嘆號圖標(biāo)并自動閃爍提醒，點(diǎn)擊故障地點(diǎn)圖標(biāo)顯示故障/跳閘詳細(xì)信息；

（3）自動根據(jù)故障/跳閘坐標(biāo)位置查找檢索系統(tǒng)內(nèi)最近的維管工區(qū)，并計算最短搶修路徑及路徑最短行走時間；

（4）如需軌道車搶修，自動檢索最近的軌道車及對應(yīng)供電工區(qū)；

（5）自動查找離故障點(diǎn)最近的上道口及人工步行路線。

故障/跳閘搶修路徑示例見圖5。

圖5 故障/跳閘搶修路徑示例

4.5 自然災(zāi)害預(yù)警

系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收天氣預(yù)報、地質(zhì)災(zāi)害報警等信息。通過高效的信息分析，結(jié)合自然災(zāi)害應(yīng)急處置的相關(guān)規(guī)定，第一時間預(yù)警提示，并提供限速值、限速區(qū)段、封鎖區(qū)段等輔助決策信息。充分發(fā)揮系統(tǒng)5G 信息傳輸高速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，有效提高高鐵自然災(zāi)害應(yīng)對能力。

4.6 智能輔助決策

系統(tǒng)通過研究應(yīng)急處置輔助決策關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)事故案例存儲管理與分析、基于規(guī)則推理的事故處置方法生成、應(yīng)急方案可視化、基于預(yù)案模板和事故案例的預(yù)案生成，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鐵路應(yīng)急處置方案的自動生成?；跀?shù)據(jù)庫中已有的大量數(shù)據(jù)，按照各類“經(jīng)驗值”算法模塊，通過數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，在應(yīng)急處置中為用戶智能推出處置方案以供決策。

5 結(jié)束語

目前我國鐵路通信系統(tǒng)存在業(yè)務(wù)功能少、傳輸速度慢、傳輸效果差、信息實(shí)時性差等問題，對高鐵應(yīng)急搶險指揮效率存在一定影響。5G 技術(shù)雖然還未正式商業(yè)化，但其發(fā)展進(jìn)程是全球關(guān)注的焦點(diǎn)。面向未來，移動數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆發(fā)式增長，新一代無線通信技術(shù)將實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，智能設(shè)備與信息流無處不在。雖然鐵路建設(shè)5G 網(wǎng)絡(luò)還有諸多困難需要克服，如頻點(diǎn)發(fā)放、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定、長大隧道覆蓋方案、高額投資等。但5G 通信技術(shù)將給鐵路管理、生產(chǎn)、運(yùn)營模式帶來革命性變化，助力智能高鐵和智慧交通的發(fā)展?；?G技術(shù)的高鐵列車位置查詢及應(yīng)急處置輔助系統(tǒng)正是把握當(dāng)前需求和面向未來趨勢，是對中國高鐵智能化的有益拓展。