佟 哲

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)大動脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，國內(nèi)擁有世界最現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)和最發(fā)達(dá)高鐵網(wǎng)。隨著路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、安全保障的需要和業(yè)務(wù)需求的增長，亟需研究應(yīng)用5G 技術(shù)，發(fā)揮其高速率、低時延、大接入優(yōu)勢，實現(xiàn)鐵路大規(guī)模車流、客流、物流產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)實時傳輸匯聚、深度挖掘和有效利用，促進(jìn)鐵路網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展，推動鐵路智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營技術(shù)的新提升和智慧出行、智慧物流、智慧平臺的新發(fā)展。

國內(nèi)5G核心技術(shù)和產(chǎn)品已實現(xiàn)突破，為鐵路開展5G技術(shù)應(yīng)用提供了良好的技術(shù)環(huán)境。其中，大規(guī)模天線技術(shù)、中低頻技術(shù)等基本成熟，在產(chǎn)業(yè)界的共同努力下，我國5G發(fā)展取得領(lǐng)先優(yōu)勢，5G標(biāo)準(zhǔn)必要專利聲明數(shù)量全球占比超過38%，位列全球首位，華為、中興、大唐等企業(yè)已實現(xiàn)5G獨(dú)立組網(wǎng)設(shè)備批量供貨。目前，國內(nèi)已累計建成5G基站超81.9萬個，占全球比例約為70%，實現(xiàn)全國地級以上城市全覆蓋。

2 5G通信技術(shù)的特點(diǎn)

5G移動通信技術(shù)結(jié)合了超密集組網(wǎng)、全雙工通信、毫米波等關(guān)鍵技術(shù)，與上一代移動通信相比，性能有了巨大提高。同樣的，5G的特點(diǎn)有低時延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優(yōu)越的通信質(zhì)量。

5G指第五代無線電信網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)由兩個主要功能區(qū)組成：無線接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)（5GC）。

RAN： 是“通過無線電連接將單個無線設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)其他部分的電信系統(tǒng)的一部分”。雖然這樣做的接口是開放和標(biāo)準(zhǔn)化的，但設(shè)備需要基站、無線電放大器，管理體系是封閉的，不完全遵守這些標(biāo)準(zhǔn)。RAN設(shè)備是供應(yīng)商專有的，全球市場只被少數(shù)幾家制造商所控制，如華為、諾基亞、愛立信等。在第四代無線通信4G中，這部分網(wǎng)絡(luò)被稱為“邊緣”。

5GC：構(gòu)成RAN 與互聯(lián)網(wǎng)、有線電話系統(tǒng)、基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）業(yè)務(wù)之間的橋梁。核心網(wǎng)絡(luò)控件在整個網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)都遍歷核心，它決定如何路由這些數(shù)據(jù)。

貨運(yùn)站場自動駕駛通信屬于無線通信，其中的通信技術(shù)主要有兩種，短距離視頻通信和遠(yuǎn)距離的移動通信技術(shù)，前者主要是 RFID 傳感設(shè)備及類似 Wi-Fi等2.4G 通信技術(shù)，后者主要是GPRS、3G、LTE、4G、5G 等移動通信技術(shù)。技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)主要體現(xiàn)在應(yīng)用上，包括機(jī)車與機(jī)車之間、機(jī)車與路下基礎(chǔ)設(shè)施之間、機(jī)車與控制中心網(wǎng)絡(luò)之間。

3 貨運(yùn)站場列車自動駕駛的發(fā)展歷程

在鐵路客運(yùn)和城市軌道交通領(lǐng)域，自動駕駛技術(shù)已進(jìn)行多年研究，取得了長足的發(fā)展。目前國內(nèi)的高速鐵路、客運(yùn)專線和地鐵領(lǐng)域，自動駕駛的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛。在鐵路貨運(yùn)領(lǐng)域，國內(nèi)也已經(jīng)開始干線貨運(yùn)專用機(jī)車的自動駕駛研究，并取得了一些階段性成果。本文希望提出貨運(yùn)站場調(diào)車機(jī)車自動駕駛的應(yīng)用研究。

在國際電工委員會（IEC）發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通管理和指揮控制系統(tǒng)-第一部分-系統(tǒng)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，將列車運(yùn)行控制系統(tǒng)自動化分為5個等級（GOA0～GOA4）。

GOA0：視距下的列車駕駛（On-sight Train Operation）。完全由司機(jī)人工駕駛。

GOA1：非自動化的列車駕駛（Nonautomated Train Operation）。系統(tǒng)僅在特定位置對司機(jī)進(jìn)行非連續(xù)性或連續(xù)性的監(jiān)督駕駛。又可細(xì)分為a和b兩個等級。

GOA2：半自動駕駛（Semi-automated Train Operation）。系統(tǒng)控制列車運(yùn)行，并連續(xù)監(jiān)督列車速度。司機(jī)在危險情況下控制列車制動停車，如ATO。

GOA3：無 司 機(jī) 駕 駛（Driverless Train Operation）。駕駛室不再設(shè)置司機(jī)崗位。車上安排值乘人員以應(yīng)對車門是否關(guān)閉等特殊事件。

GOA4：無人監(jiān)督駕駛（Unattended train operation）。列車上不安排任何工作人員。

4 5G通信技術(shù)在貨運(yùn)站場自動駕駛中的應(yīng)用

在軌道交通運(yùn)輸領(lǐng)域5G 網(wǎng)絡(luò)將有效提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。鐵路貨運(yùn)是交通運(yùn)輸系統(tǒng)主要的領(lǐng)域，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的推動作用，近年來，隨著全國鐵路貨運(yùn)量的逐步攀升以及日益提高的安全運(yùn)輸生產(chǎn)要求，貨運(yùn)站場列車自動駕駛的開發(fā)與研制應(yīng)用非常必要。由于系統(tǒng)龐大計算功能和大流量數(shù)據(jù)的低時延、高可靠傳輸，使得原有的通信網(wǎng)絡(luò)逐漸成為影響發(fā)展的瓶頸，難以滿足未來的業(yè)務(wù)需求。恰逢其時，5G 網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得許多影響信息發(fā)展瓶頸迎刃而解。

為了實現(xiàn)貨運(yùn)自動駕駛系統(tǒng)的安全高效，首先需要安全可靠、暢通的5G寬帶無線傳輸通道。最好同時與不同運(yùn)營商進(jìn)行商談，盡可能爭取采用不同運(yùn)營商的兩套獨(dú)立無線通信網(wǎng)，實現(xiàn)4G/5G冗余通道傳輸。建設(shè)時應(yīng)優(yōu)先運(yùn)用5G通信，在5G技術(shù)不能滿足建設(shè)要求的情況下，可局部適當(dāng)降低為4G。

同時考慮設(shè)置一套備用降級系統(tǒng)，在極端情況下，4G/5G通道故障、系統(tǒng)整體降級，依靠數(shù)傳電臺窄帶通信保證系統(tǒng)的無線通信通道，使系統(tǒng)能夠保持基本的安全運(yùn)行，防止事故發(fā)生。待4G/5G通道故障解除，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在4G/5G通信模式下，保證控制數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送，視頻、圖片等輔助信息不能跟控制數(shù)據(jù)爭搶通信帶寬。

5 5G應(yīng)用網(wǎng)建設(shè)方案

5.1 5G應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

根據(jù)需求設(shè)計5G+自動駕駛列車、5G+視頻安防綜合解決方案，通過現(xiàn)場實際勘測在貨運(yùn)站場的適當(dāng)位置架設(shè)5G基站且覆蓋列車在貨運(yùn)站場的所有位置。當(dāng)然盡可能利用附近原有的5G基站，以達(dá)到節(jié)省建設(shè)成本。

如圖1所示，列車上搭載客戶終端設(shè)備（CPE），該終端能夠隨著列車行駛過程中，通過和沿線搭建好的5G基站實時建立通信連接，進(jìn)行貨運(yùn)站場列車無人駕駛系統(tǒng)信息的傳輸和控制命令的傳遞。同時，列車內(nèi)、外部的視頻監(jiān)控信息和安裝在軌旁的攝像頭采集到的信息，也通過5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳到控制中心（調(diào)度室）。

通過實際勘測方式確定5G覆蓋所需的基站數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)覆蓋后，初期在運(yùn)輸線路上可獨(dú)享5G網(wǎng)絡(luò)資源，滿足控制信號與視頻圖像回傳需求。未來隨著應(yīng)用場景的增多，可引入5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將一張5G物理網(wǎng)絡(luò)邏輯分割為多張邏輯網(wǎng)絡(luò)，并且可保證每種業(yè)務(wù)之間邏輯隔離，可對每種業(yè)務(wù)單獨(dú)作出保障。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋示意Fig.1 Diagram of 5G network coverage

現(xiàn)階段通過CPE設(shè)備將5G信號轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號或者通過網(wǎng)線傳輸，未來終端設(shè)備具備5G模組后可直接接入5G網(wǎng)絡(luò)。終端側(cè)可以通過CPE將5G信號轉(zhuǎn)化為Wi-Fi或者網(wǎng)線進(jìn)行對接，進(jìn)而與控制中心控制系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)?？刂浦行耐ㄟ^CPE光纖與控制中心系統(tǒng)設(shè)備對接。CPE的5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度可以達(dá)到2.33 Gbit/s-1.25 Gbit/s（理論值，數(shù)據(jù)來源于華為官網(wǎng)）。

5.2 4G/5G公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

如圖2所示，用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營公司提供的2路物理路徑不同的專線通道，由用戶端連接到控制中心系統(tǒng)機(jī)房。機(jī)房內(nèi)設(shè)置2臺接入路由防火墻。專線電路能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)隧道加密更好的保護(hù)傳輸數(shù)據(jù)的私密性、安全性。

圖2 地面設(shè)備接入示意Fig.2 Schematic diagram of ground equipment access

5.3 4G/5G公網(wǎng)無線路由器

無線路由產(chǎn)品基于MMIPS架構(gòu)，具有一個MT7621A雙核CPU，其頻率為880 MHz，內(nèi)存為256 MB。主板上集成了3個GE端口，及2個mini pcie 3G/LTE調(diào)制解調(diào)器及1個m2 3G/LTE調(diào)制解調(diào)器, 并且具有以太網(wǎng)（POE）供電功能及直流供電功能。同時在軟件的開發(fā)和應(yīng)用上不斷的更新和發(fā)展，使其功能可以不斷增強(qiáng)和完善。特別在無線、認(rèn)證、策略路由、帶寬控制和防火墻過濾等功能上有著非常突出的表現(xiàn)，能滿足客戶的各種網(wǎng)絡(luò)要求。具體參數(shù)如表1、2所示。

表 1 CPE設(shè)備CPU細(xì)節(jié)參數(shù)Tab.1 Detailed CPU parameters of CPE equipment

表 2 CPE設(shè)備傳輸速率Tab.2 Transmission rate of CPE equipment

5.4 產(chǎn)品功能

該款設(shè)備目前功能包括無線網(wǎng)絡(luò)配置、策略路由、負(fù)載均衡策略、速率控制、NAT、VPN、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、防火墻配置、用戶訪問控制和訪問記錄、多出口的冗余、帶寬控制、腳本編寫、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能。最大吞吐量通過30次以上的嘗試確定，在64，512，1518 Byte的數(shù)據(jù)包大小中具有0.1%的數(shù)據(jù)包丟失容限，經(jīng)測算該款設(shè)備的硬件和軟件配置達(dá)到最優(yōu)效果，可以滿足多種應(yīng)用環(huán)境。

5.5 信號優(yōu)先級保障

網(wǎng)絡(luò)為兩個物理路徑的專網(wǎng)， 每臺車安裝兩臺路由器，通過無線路由器優(yōu)先級配置，達(dá)到信號優(yōu)先指令-視頻，保障車輛安全運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)中存在若干種通信模式：機(jī)車與機(jī)車之間、機(jī)車與路下基礎(chǔ)設(shè)施之間、車與控制中心網(wǎng)絡(luò)之間。

從網(wǎng)絡(luò)層面上講，車載終端內(nèi)部是個局域網(wǎng)，車載終端之間形成了車際網(wǎng)絡(luò)，這樣的網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)人、車、路、云之間的信息。

5.6 控制系統(tǒng)信息指令

系統(tǒng)控制中心設(shè)置在調(diào)度室或臨近調(diào)度室。

控制中心負(fù)責(zé)整個貨運(yùn)場站全部信息收集與指令發(fā)布，并且收集臨近場站及設(shè)施的相關(guān)信息與回復(fù)，這些信息傳輸均以5G網(wǎng)絡(luò)為載體，以達(dá)到信息傳輸?shù)耐健?/p>

同時，在控制室部署兩臺CPE用于控制系統(tǒng)接入5G網(wǎng)絡(luò)，為列車上的自動駕駛系統(tǒng)配置一臺CPE，實現(xiàn)與控制室的實時交互。

5.6.1 控制中心向機(jī)車發(fā)送的數(shù)據(jù)

1）調(diào)機(jī)的作業(yè)指令:如機(jī)車轉(zhuǎn)場。

2）機(jī)車運(yùn)行速度曲線:如機(jī)車在某處進(jìn)行對應(yīng)作業(yè)的最高速度及最低速度，防護(hù)機(jī)車在安全駕駛速度范圍內(nèi)。

3）安全防護(hù)信息:如在遷出線末端、迂回線等防護(hù)機(jī)車車輛超限。

4）調(diào)度系統(tǒng)信息:如調(diào)車作業(yè)單的發(fā)送，站場信號聯(lián)鎖信息等。

5.6.2 機(jī)車向控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)

1）機(jī)車上的視頻圖像信息:如機(jī)車前向、側(cè)向、后向的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2）機(jī)車執(zhí)行作業(yè)指令的反饋信息:如作業(yè)指令中各工作完成進(jìn)度及完成狀態(tài)。

3）機(jī)車的位置信息:主要是機(jī)車自身的定位數(shù)據(jù)，防止系統(tǒng)內(nèi)丟車。

4）機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息:如機(jī)車當(dāng)前運(yùn)行速度、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)管壓力等。

上述場景中傳送的數(shù)據(jù)可以分為兩類，控制中心向機(jī)車傳送的控制信息數(shù)據(jù)和機(jī)車向控制中心傳送的采集數(shù)據(jù)。其中采集數(shù)據(jù)又分為視頻、圖像類的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和機(jī)車位置、狀態(tài)信息等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，控制信息數(shù)據(jù)要求網(wǎng)絡(luò)的高可靠低時延性，視頻、圖像信息對網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求較高，從而保障系統(tǒng)整體運(yùn)行的流暢性，5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠低時延的特點(diǎn)正適用本場景的網(wǎng)絡(luò)需求。同時，隨著5G網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)，未來可用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)隔離控制信息數(shù)據(jù)和采集信息數(shù)據(jù)，保障控制信號傳遞的安全性。

6 結(jié)論

隨著5G SA組網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)，未來可用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)隔離控制和采集信息數(shù)據(jù)，保障控制信號傳遞的安全性。通過建設(shè)高品質(zhì)5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)控制中心（調(diào)度室）與機(jī)車的實時雙向通信。5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，應(yīng)在國家的大力主導(dǎo)以及各級政府部門的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下推動，全面配合下進(jìn)行，以攤薄單一應(yīng)用項目實施的成本，提高基礎(chǔ)設(shè)施的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

切實滿足了現(xiàn)有車地通信延遲高、調(diào)車數(shù)據(jù)傳輸量限制大的痛點(diǎn)，標(biāo)志著5G在鐵路調(diào)車信號領(lǐng)域的成功應(yīng)用，打造了5G+貨運(yùn)鐵路通信信號標(biāo)桿項目，為貨運(yùn)自動駕駛系統(tǒng)的實施提供有利條件，方便后續(xù)開展人工智能和更高級別的調(diào)車機(jī)車控制系統(tǒng)開發(fā)等應(yīng)用提供了一定的參考價值，具有相當(dāng)意義的應(yīng)用前景。