5G 技术与铁路技术站作业的融合应用探讨

李博宇，刘启钢，孙文桥，王东君，黄 婷

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；3.中国铁路南宁局集团有限公司 钦州车务段，广西 钦州 535099；4.中国铁路南宁局集团有限公司 柳州车站，广西 柳州 545007)

在“交通强国、铁路先行”背景下，铁路技术站向智能化发展的方向不断迈进。近年来，5G 通信、人工智能、物联网等相关技术开始进入高速发展阶段，为建设铁路智能化技术站提供了基础性技术条件[1]。铁路技术站智能化建设借助先进的现代铁路管理理念，以现代化设施设备为基础，以5G 移动通信、智能控制等新一代信息技术与技术站业务深度融合为核心，实现技术站作业最优化配置，满足多层次、高效、经济、快速、安全的技术站作业要求，形成作业高效、管理先进、安全保障有力的智能化铁路技术站。

1 铁路技术站作业需求及问题分析

铁路技术站设有较为完备的调车、机务、车辆等设备，主要生产活动是为邻近的铁路区段供应机车和办理货物列车的解体、编组作业[2]，以及办理规定的技术作业。列车到达、解编、出发是技术站的核心技术作业过程，在专门的调度机构指挥下，车务、机务、电务、工务、车辆、货运各专业相互配合，有效地开展各种活动来完成技术站的整体作业。基于技术站的核心作业过程，将作业内容按专业进行划分，梳理技术站作业要求、未来发展及通信需求，得到铁路技术站作业要求如表1 所示。

表1 铁路技术站作业要求Tab.1 Current and future operation requirements of technical stations

目前技术站的主要作业内容要求人工操控，属于粗放式的作业模式，根本原因是信息传输不畅和信息不对称，使得信息的可用性较低，导致技术作业效率、安全保障水平偏低、人员成本偏高。未来技术站作业将进入机械化、自动化作业模式时代，具备全面感知、资源共享、协同联动等特征。要实现智能化、精细化的作业模式，需大量传感器对站场信息进行全面感知和可靠的实时传输。虽然目前铁路数字移动通信网络(GSM-R)，4G 移动数据网络(4G-LTE)与WIFI 等通信网络已实现部分作业场景信息的传输需求，但在带宽、连接密度、时延可靠性方面都存在着一定改进空间[3]，导致信息实时可靠传输率低、信息源点连接数量受限、信息传输量受限等问题。

（1）信息实时可靠传输率低。技术站的作业过程，需掌握作业现场实时数据信息，有些作业对时间的精确性要求高，这就需要网络的延时处于较低水平，一般情况下小于20 ms，特定需求要小于10 ms 的时延，且不可断点续传[4]，如调车顶送作业智能辅助控制，目前既有移动通信网络在实时性和可靠性等方面存在限制。

（2）信息源点连接数量受限。技术站站场面积大，业务分布范围广，作业过程、站场环境相对复杂，需要对作业过程与站场环境进行动态实时监控和完整的信息数据传输。目前站场采集的信息不全面，传输方式仅采用点对点传输方式，为了实现完整的信息传输就需要掌握技术站内多种设备、设施、人员等终端状态的信息，同时需满足人与人、人与物、物与物点对多点的实时互联互通，只有接收到完整的信息，才能有效地对作业过程进行分析与管控，如将站场内分布的大量基础设施、设备状态和人员位置等各方面信息通过控制中心集中管控并在云端进行综合判断分析。既有移动通信方式无法满足泛在互联的连接密度与点对多点的传输需求，导致信息传输不完整。

（3）信息传输量受限。在技术站作业的过程中，会产生大量的信息，大部分信息基本是无损语音、高清图像，其均对通信网络带宽有一定要求。目前作业产生的图像、视频需要进行压缩传输，4G 网络的20 ~ 30 Mbps 带宽可满足，但大量高清图像与超高清视频无压缩、无损稳定传输时，所需带宽要求为40 Mbps 以上[4]，如对调车作业前方和线路、环境状况高清视频回传，列检、货检、巡检作业高清视频回传。目前既有移动通信网络在带宽方面尚无法支撑，造成信息传输量受限。

2 5G 技术与铁路技术站融合应用设计

2.1 融合业务设计

5G 技术的低延时、高可靠、大带宽的特性与铁路技术站作业的融合，已渗透到技术站作业场景的各个环节，并且可以向下兼容目前铁路技术站使用的通信方式。从业务类型上看，根据5G 高可靠低时延通信、大规模机器类通信、增强型移动宽带(eMBB)的三大特点和相应的作业需求进行划分[5]，可将其与铁路技术站融合的相关作业，划分为3 个方面的业务，具体设计如下。

（1）控制类业务，主要包括调车顶送作业智能辅助控制、装卸设备远控等，这类业务涉及技术站安全与稳定的运营，其特征表现为低时延、高可靠，时延要求为10 ~ 50 ms，在苛刻条件下可满足时延小于3 ms 的要求，5G 技术在超可靠低延迟通信(uRLLC)场景可为技术站控制类业务提供毫秒级的低时延有力保障。

（2）信息采集类业务，主要包括站场内各作业人员、设备等互联互通，全面感知信息采集等，其业务是智能化技术站建设的基础，对应的终端数量多，分布广泛，连接密度大、连接类型复杂。在未来的发展中，5G 将有力支持技术站信息采集类业务中大量终端汇聚后的大颗粒业务承载。

（3）移动应用类业务，主要包括技术站作业的智能货检、列检机器人、智能领车等相关作业。此类业务对通信带宽和延时有较高的要求，且表现出灵活接入特征，一般情况下要求带宽至少为40 Mbps。5G 技术在eMBB 场景下的高速移动宽带特性，将为技术站此类业务提供高效可靠的技术支撑。

2.2 融合架构

技术站的主要业务场景表现为控制类业务、信息采集类业务与移动应用类业务，其整个作业环节涉及多个参与主体。基于技术站的业务种类，利用人工智能、物联网(IoT)、边缘计算(MEC)、设备与设备通信(D2D)、前端服务(CPE)、虚拟影像等相关技术，结合机器人、摄像头、传感器等多种设备的支持，实现5G 技术与技术站的融合框架，技术站业务的融合架构主要包括所运用的技术、作业中产生的信息2 个方面，5G 技术与技术站作业融合架构如图1 所示。

图1 5G 技术与技术站作业融合架构Fig.1 Integration architecture of 5G technology and technology station operation

2.3 典型应用场景设计

基于5G 技术与铁路技术站作业的融合思路，设计调车顶送作业智能辅助控制、装卸设备远控、智能列检机器人、智能技术站4 个典型应用场景。

（1）调车顶送作业智能辅助控制。调车顶送作业智能辅助控制由5G 无线通信、摄像机和激光雷达、安全防护等设备组成，可解决作业人工成本高、调车作业安全、效率水平低等一系列问题，实现顶送作业过程中调机完成启动、停止、正常行驶等传统人工驾驶行为，并在紧急情况下支持人工远程接管驾驶任务。作业人员可以在线路上部署感知设备对线路环境、调车作业信息(视频、位置、目标距离、异物距离、入侵人员距离)进行辅助感知，并进行环境建模，将调机位置和驾驶人员动作等信息通过5G 通信发送到调机上做感知融合，传送到驾驶室的机车操控系统，实现既有STP 监控、调机前方瞭望显示、控车模式曲线动态运算等功能[6]。在调机驾驶过程中，调机出现严重异常行为时，控制中心人员能在控制台上进行远程指导，控制台需能接收车内、车外视角产生的现场视频等信息，实现对调机驾驶的远程监控。

（2）装卸设备远控。装卸设备部署在技术站的货场区域，装卸设备远控可改善作业环境，提升装卸作业效率，降低投资成本、工作强度、人工作业安全隐患，实现机械化、自动化作业。在设备运行范围内设置高清摄像头，采集装卸设备主要运行机构、吊具等关键运行、状态参数，回传至中控台，由控制中心人员进行判定操作，并下发控制命令，实现对装卸设备准确的远程灵活控制。

（3）智能列检机器人。智能列检主要解决列检效率低、劳动强度大等相关问题，实现智能化作业。在传统的列检基础上增设机器人等相关技术的检测设备，机器人携带红外热像仪和可见光摄像机、蜂鸣报警装置等检测装置，可将列检产生的各种信息传输至远端监控系统。同时增加监测风险隐患和故障先兆功能，可进行自动判定和报警，报警后通过AR 终端，与控制中心的人员进行实时的双向音视频通话，控制机器人对列车关键部位信息进行深度采集后，指派作业人员到现场处理。

（4）智能技术站。利用5G 技术，技术站内的人员、设备等生产要素信息可以进行有效的互联互通，提高资源利用水平和效率。在生产周期内可进行设备、人员、资源等各方面的实时信息采集，更好地进行追踪，实时监督和记录作业人员的活动轨迹、设备使用情况、资源配置与布局情况，并将实时产生的信息在云平台进行大数据智能化分析决策，由相关系统智能推荐作业方案，完成技术站的作业优化，实现生产作业的高度精细化、智能化，从而提升技术站行车、调车、货检、列检、巡检等作业智能化水平，为技术站提质增效、安全生产提供重要支撑[7]。

3 结束语

铁路技术站智能化对高效的运输起着举足轻重的作用。5G 无线通信技术在技术站中的应用，以铁路智能化技术站业务需求为导向，以提高技术站作业效率、保障作业安全、创新技术装备、降低技术站智能化建设和运营维护成本、促进减员增效为目标，构建装备现代化、泛在互联、作业高度协同的智能化技术站。下一步尝试建立技术站的5G 无线通信技术实际应用场景，开展具体方案研究与开发，紧跟铁路5G移动通信设施的建设步伐，争取尽快实现典型应用的落地实施[8]，为技术站高质量发展打造智能化的动力引擎。