景 亮，趙 程，燕 玲，陳燕靜

（1. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315010；2. 中國(guó)工商銀行股份有限公司，北京 100140）

截至2019年12月31日，國(guó)內(nèi)包括北京、上海、廣州、南京、武漢、重慶等40個(gè)城市開通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路共計(jì)208條，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)6 736.2 km，車站3 982座。其中，地鐵線路占比76.9%，運(yùn)營(yíng)人員達(dá)幾十萬人，巨大的運(yùn)營(yíng)規(guī)模帶來大量的運(yùn)營(yíng)人力成本和設(shè)備成本。而且，由于地鐵屬于公共交通工具，巨大的運(yùn)營(yíng)成本限制了其建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營(yíng)使用。本文基于5G通信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)，探索5G通信在地鐵運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用，推動(dòng)地鐵運(yùn)營(yíng)進(jìn)一步智能化、無人化，加速智慧地鐵發(fā)展，減少運(yùn)營(yíng)人員數(shù)量，降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)智慧地鐵運(yùn)營(yíng)可持續(xù)發(fā)展。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 地鐵運(yùn)營(yíng)發(fā)展現(xiàn)狀

地鐵作為一種城市公共交通運(yùn)輸工具，具有運(yùn)輸量大、方便準(zhǔn)時(shí)、安全快捷等特點(diǎn)，各機(jī)電系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，并統(tǒng)一由中央運(yùn)輸調(diào)度中心指揮，平均每公里配置運(yùn)營(yíng)管理人員達(dá)70人左右，對(duì)地鐵各系統(tǒng)進(jìn)行管理、維修、服務(wù)等工作，人工、設(shè)備設(shè)施維護(hù)、能源等運(yùn)營(yíng)成本巨大，導(dǎo)致每個(gè)城市的財(cái)政系統(tǒng)需要對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)進(jìn)行巨額的財(cái)政補(bǔ)貼。近年來，隨著地鐵開通運(yùn)營(yíng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，運(yùn)營(yíng)成本直線升高，各城市為降低地鐵運(yùn)營(yíng)成本，不斷探索使用新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、綜合監(jiān)控、自動(dòng)售檢票等系統(tǒng)智能化轉(zhuǎn)型。地鐵智能化系統(tǒng)是以電力/電氣化、信號(hào)、通信以及信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的綜合平臺(tái)，運(yùn)營(yíng)模式逐步向多專業(yè)運(yùn)維服務(wù)、線路整包、長(zhǎng)合同周期運(yùn)維服務(wù)轉(zhuǎn)變，可明顯降低每公里運(yùn)營(yíng)管理人員的數(shù)量，提高系統(tǒng)的智能化水平。目前國(guó)內(nèi)地鐵智能化系統(tǒng)產(chǎn)值構(gòu)成比例如圖1所示。

圖1 國(guó)內(nèi)地鐵智能化系統(tǒng)產(chǎn)值構(gòu)成

1.2 5G 發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

2019年6月6日，中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部正式向中國(guó)電信集團(tuán)有限公司、中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司、中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司、中國(guó)廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G商用時(shí)代。5G通信技術(shù)作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，為整個(gè)信息基礎(chǔ)設(shè)施帶來革命性升級(jí)，與人工智能（AI）、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，用于收集和處理海量連接產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，其最具潛力的應(yīng)用特征有3個(gè)：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（即高帶寬）、海量機(jī)器類通信（即廣連接）和超可靠低延遲通信（即低時(shí)延）。

從本質(zhì)上講，高帶寬可提供更加出色的移動(dòng)數(shù)據(jù)無線連接，無線通信帶寬大幅增加，上傳和下載速度翻倍提升；廣連接可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)交易和計(jì)算，以及大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)挖掘；低時(shí)延可實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)無線通信延遲控制在100 ms內(nèi)，傳輸效率更快，能夠滿足大型海量數(shù)據(jù)的快速無線傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)性能特點(diǎn)具體如表1所示。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)性能特點(diǎn)

2 5G 網(wǎng)絡(luò)在智慧地鐵運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用

在智慧地鐵運(yùn)營(yíng)中，依托5G網(wǎng)絡(luò)的性能特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）基于5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬技術(shù)，建立車-地通信高速通路，實(shí)現(xiàn)車載信號(hào)數(shù)據(jù)下載、車載視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用；

（2）依托5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性，對(duì)信號(hào)、通信、機(jī)電、供電、車輛、工務(wù)等多專業(yè)設(shè)備統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)的故障診斷、數(shù)據(jù)分析管理等創(chuàng)新應(yīng)用；

（3）引入5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延技術(shù)，將AI和計(jì)算能力前置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、列車控制的實(shí)時(shí)處理，為地鐵列車無人駕駛等應(yīng)用提供支持。

2.1 高帶寬特性應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬特性可以快速為智能運(yùn)營(yíng)提供大量的移動(dòng)數(shù)據(jù)無線傳輸，具體包括以下應(yīng)用。

（1）車載視頻系統(tǒng)利用5G的高帶寬特性進(jìn)行無線傳輸?shù)母咚倬W(wǎng)絡(luò)接入，并進(jìn)行車-地通信實(shí)時(shí)高速視頻數(shù)據(jù)存取。

（2）邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻和列車運(yùn)行數(shù)據(jù)的快速處理，以及對(duì)車載信號(hào)數(shù)據(jù)的全量下載、車載視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

（3）地鐵智慧運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)可提供深入分析處理、管理控制和可視化展示等功能。

5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬特性的具體應(yīng)用示例如圖2所示。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬特性的具體應(yīng)用示例

2.2 廣連接特性應(yīng)用

物聯(lián)采集平臺(tái)利用5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性能夠?qū)崿F(xiàn)全專業(yè)設(shè)備狀態(tài)視圖統(tǒng)一管理，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)全專業(yè)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)知識(shí)圖譜，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）視角、網(wǎng)絡(luò)視角、線網(wǎng)圖視角、建筑信息模型（BIM）視角呈現(xiàn)路網(wǎng)全專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)及指標(biāo)。地鐵智慧運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)利用5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性，對(duì)全專業(yè)融合的大數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行分析，梳理信號(hào)車輛結(jié)合部、信號(hào)工務(wù)結(jié)合部、信號(hào)供電結(jié)合部、通信供電結(jié)合部、通信車輛結(jié)合部、機(jī)電供電結(jié)合部、車輛工務(wù)結(jié)合部的設(shè)備及數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)結(jié)合部的故障診斷及預(yù)警分析，并建立設(shè)備全生命周期健康管理，為設(shè)備維護(hù)計(jì)劃及決策提供依據(jù)。5G網(wǎng)絡(luò)廣連接特性的具體應(yīng)用示例如圖3所示。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)廣連接特性的具體應(yīng)用示例

2.3 5G 低時(shí)延特性應(yīng)用

車控連接平臺(tái)利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性實(shí)現(xiàn)AI能力前置，對(duì)車輛、線路運(yùn)營(yíng)運(yùn)維聯(lián)動(dòng)管理提供支持，并建立一套根據(jù)運(yùn)維數(shù)據(jù)對(duì)列車運(yùn)行及故障處理事態(tài)可預(yù)測(cè)、可快速自動(dòng)決策執(zhí)行的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)動(dòng)態(tài)生成應(yīng)急預(yù)案、預(yù)測(cè)故障延時(shí)、影響范圍等運(yùn)維數(shù)據(jù)的智能分析。地鐵智慧運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性，將AI和計(jì)算能力前置，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)處理、列車控制的實(shí)時(shí)處理。5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延特性的具體應(yīng)用示例如圖4所示。

圖4 5G低時(shí)延特性的應(yīng)用示例

3 智慧地鐵運(yùn)營(yíng)模式設(shè)計(jì)

采用5G 通信技術(shù)構(gòu)建智慧地鐵運(yùn)營(yíng)體系的無線網(wǎng)絡(luò)通道，建設(shè)從基礎(chǔ)設(shè)施層、能力平臺(tái)層到智慧應(yīng)用層的一體化平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能感知、智能聯(lián)動(dòng)、智能分析的能力，支撐運(yùn)營(yíng)、服務(wù)、維保三大智慧運(yùn)營(yíng)模式，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)安全、效率、效益和服務(wù)的提升。智慧運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于5G網(wǎng)絡(luò)的地鐵智慧運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)總體架構(gòu)

3.1 智慧地鐵運(yùn)營(yíng)模式設(shè)計(jì)

智慧地鐵運(yùn)營(yíng)模式設(shè)計(jì)綜合地鐵列車信號(hào)數(shù)據(jù)、列車稱重?cái)?shù)據(jù)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）清分?jǐn)?shù)據(jù)、電信信令數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)和移動(dòng)高清視頻數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源，通過5G高帶寬網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，基于數(shù)據(jù)中臺(tái)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵站廳、站臺(tái)的客流感知預(yù)警等態(tài)勢(shì)分析應(yīng)用。具體包括以下內(nèi)容。

（1）指揮控制中心運(yùn)用BIM技術(shù)結(jié)合每個(gè)站的站廳、站臺(tái)客流實(shí)時(shí)熱力圖，反映客流擁擠情況，高效地進(jìn)行大客流的疏散，實(shí)現(xiàn)客流與列車的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（2）指揮控制中心根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行常態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)全天客流趨勢(shì)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，賦能地鐵運(yùn)營(yíng)公司執(zhí)行大客流應(yīng)急預(yù)案。若發(fā)現(xiàn)客流和運(yùn)營(yíng)策略不匹配的情況，應(yīng)及時(shí)預(yù)警并給出相應(yīng)的調(diào)整建議，供網(wǎng)調(diào)決策后下發(fā)線路調(diào)度執(zhí)行。

3.2 智慧地鐵服務(wù)模式設(shè)計(jì)

智慧地鐵服務(wù)模式設(shè)計(jì)在車站建立基于5G網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)的乘客體驗(yàn)區(qū)，提供包括高速網(wǎng)絡(luò)下載體驗(yàn)、高清視頻現(xiàn)場(chǎng)直播等服務(wù)，在5G覆蓋區(qū)域內(nèi)布設(shè)地鐵客服機(jī)器人，基于人臉識(shí)別、AI等技術(shù)，結(jié)合5G高速網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵乘客的交互式智能化服務(wù)。具體包括：

（1）地鐵客服機(jī)器人通過5G網(wǎng)絡(luò)獲取互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，支持與地鐵乘客的交互應(yīng)用；

（2）地鐵客服機(jī)器人通過5G網(wǎng)絡(luò)獲取云端的人臉識(shí)別、AI等分析能力，支持與地鐵乘客的智能化服務(wù)；

（3）AFC系統(tǒng)構(gòu)建基于語音識(shí)別購票、視頻問詢查詢、人臉識(shí)別和跟蹤過閘等全套智能系統(tǒng)，客服中心不再設(shè)置地鐵客服人員，通過人工智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)乘客與地鐵之間的無線實(shí)時(shí)交互；

（4）5G無線通信網(wǎng)絡(luò)為地鐵大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析決策提供技術(shù)支持，通過分析乘客的運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)其通行時(shí)間，并推薦最佳路線。

3.3 智慧地鐵維保模式設(shè)計(jì)

利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延特性，車站工作人員通過配戴5G-AR眼鏡，對(duì)車站進(jìn)行巡檢工作。5G-AR眼鏡將第一視角高清視頻信息發(fā)送至指揮中心，指揮中心對(duì)收到的信息進(jìn)行分析處理后，推送AR信息幫助工作人員進(jìn)行故障診斷和處理，以實(shí)時(shí)對(duì)講的方式指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)診斷和處理疑難問題，提高運(yùn)營(yíng)工作效率。

巡檢機(jī)器人通過一個(gè)自主運(yùn)行的機(jī)動(dòng)平臺(tái)，搭載多組高性能監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行全覆蓋監(jiān)控，可大幅減少“智能化巡檢”所需的固定式傳感器和其他儀器的安裝數(shù)量，無需大量布線和改造現(xiàn)有開關(guān)柜，在降低綜合運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)提高運(yùn)營(yíng)管理水平。5G高帶寬網(wǎng)絡(luò)支持機(jī)器人對(duì)地鐵線路、地鐵隧道、供電設(shè)備和其他設(shè)備的自動(dòng)巡檢。具體包括：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人巡檢的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)回傳，提升自動(dòng)巡檢的工作效率和后臺(tái)分析能力；

（2）針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，分析判斷某些間隔需要重點(diǎn)巡視的應(yīng)進(jìn)行特殊巡檢。

5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬賦能車-地通信，提升地鐵運(yùn)營(yíng)安全。智慧地鐵維保模式設(shè)計(jì)通過5G高帶寬網(wǎng)絡(luò)建立車-地通信高速通路，實(shí)現(xiàn)列車視頻高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)和實(shí)時(shí)監(jiān)控；基于5G車-地視頻轉(zhuǎn)存方案依托5G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)車載視頻監(jiān)控的車-地轉(zhuǎn)存需求；基于可視化管理界面支持存儲(chǔ)統(tǒng)一管理功能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)存視頻的統(tǒng)一管理，從而降低管理成本，提高管控效率。具體包括：

（1）地鐵控制中心通過5G網(wǎng)絡(luò)，對(duì)地鐵車廂進(jìn)行實(shí)時(shí)高清視頻監(jiān)控，針對(duì)車廂內(nèi)的各種突發(fā)事件、違法行為進(jìn)行即時(shí)響應(yīng)，提升地鐵的公共安全性；

（2）在地鐵場(chǎng)站內(nèi)，通過5G網(wǎng)絡(luò)高速下載完整的列車監(jiān)控視頻，供地面視頻管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理。

4 展望

未來，5G通信網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)地鐵系統(tǒng)的全面建設(shè)和覆蓋會(huì)加速地鐵運(yùn)營(yíng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，為智慧出行和智慧運(yùn)營(yíng)提供海量數(shù)據(jù)協(xié)同、實(shí)時(shí)智能分析、精準(zhǔn)定位等功能，并將打破既有運(yùn)營(yíng)建制瓶頸，實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)營(yíng)一崗多能、減員增效、節(jié)能降耗的目標(biāo)，降低運(yùn)營(yíng)成本，助力地鐵運(yùn)營(yíng)朝著智慧化、無人化方向發(fā)展。