赵晓南

（北京京城地铁有限公司，北京 101312）

在城市轨道交通领域，互联网业务应用已经成了一个不可或缺的组成部分。随着5G技术的广泛应用，这一领域的发展取得了显著的进展。5G技术的引入成功解决了城市轨道交通中的一系列技术难题，为这一行业带来了革命性的改变。一项最显著的技术进步是全自动列车驾驶的实现。过去，列车的操作需要依赖人工驾驶员，但5G技术的高速数据传输和低延迟特性使得全自动列车驾驶成为可能。全自动列车可以更精确地控制速度和位置，从而提高了轨道交通的安全性和效率。这不仅减少了人为错误的风险，还可以更好地适应不同运营条件，提供更加可靠的服务。与此同时，5G技术也显著提升了数据信息传输的速度和距离。以前，城市轨道交通的信息传输可能受到通信环境和信号覆盖的限制，但5G技术的高速传输能力使得数据可以更快速地在列车和控制中心间传递。这不仅有助于更及时地监控列车运行状况，还提供了更好的实时决策支持，以确保交通流畅和安全。

1 轨道交通网络现状

1.1 车地通信受限

文章结合石家庄地铁LTE-M车地为研究对象，地铁车载通信在提供列车监控数据方面面临一些限制和挑战，由于不同线路采用了不同的通信技术和频谱资源，这导致了各种问题。首先，石家庄地铁的1号和3号线采用LTE 1.8GHz专网频谱，提供了一定的带宽，但每列车只能上传两路视频图像至控制中心。这限制了列车监控数据的实时传输能力，可能会导致监控数据更新不及时或丢失。另一方面，2号线采用了WLAN IEEE 802.11ac技术，虽然提供了更高的带宽，但却引发了一些问题。用户可能会经常遇到实时图像卡顿和链接不畅的情况，这可能影响到监控数据的可靠性和实时性。此外，车厢内的视频监控也存在一些限制。虽然可以实时查看2～4路视频，但录像无法实现自动回传，必须依赖人工拷贝的方式完成。这意味着如果需要保留监控数据或进行进一步分析，需要增加额外的人力成本和时间。

1.2 应急通讯难度大

在紧急情况下，应急通讯变得至关重要，特别是在处理事故、事件等紧急情况时，面临着一系列困难和挑战。石家庄地铁系统的通讯设备和基础设施需要进一步改进和升级，以应对这些挑战。首先，应急通讯需要实时监控和及时通讯，临时布置无线摄像设备和影音通讯设备可以为紧急情况的现场提供实时的视觉和声音信息，以帮助应急人员更好地了解和应对情况。然而，目前石家庄地铁的专网带宽存在不足的问题，限制了通信方式的多样性和效率。特别是在800 MHz频段上，专网带宽的限制可能导致多路终端的视频回传需求无法得到满足。这是一个需要优先解决的问题，以确保在紧急情况下，能够高效传输和接收关键信息。此外，对讲机联络虽然是一种备选的通讯方式，但存在互通差和多线路无法互通等问题。这意味着在使用对讲机时，可能会面临通讯不畅或信息传递不及时的情况。这需要更多的技术改进和升级，以提高通讯的可靠性和互通性。

1.3 智慧列车状态监测需求增大

随着5G网络的不断发展和应用，列车智慧化改造正迅速成为现实。这一趋势不仅将彻底改变列车运维的方式，还将显著提高列车运行的安全性和效率。通过在列车各个部分安装传感器，包括列车制动系统、牵引装置，以及弓网监测等，可以实现对列车状态的精确监测。这些传感器可以收集各种重要信息，如速度、温度、压力和电压等，然后通过高带宽的5G网络实时上传至后台监控系统。列车控制和管理系统可以将来自传感器的数据收集和整合，并根据这些数据进行实时决策，以确保列车的正常运行。如果发现任何异常情况，TCMS可以立即采取措施，包括制动和牵引系统的调整，以维护列车的运行安全。另外，通过对列车编组的优化，可以更好地分配列车的负载，减少能耗，提高列车的运行效率。

2 5G通信技术的优势与需求

2.1 5G通信技术的优势

5G是第五代移动通信技术，相对于4G，具有速率更高、时延更低、大连接的主要特点，移动通信历经了1G、2G、3G、4G时代的发展，从模拟技术到数字通信的进化，不断提升了数据速率和移动互联网的应用。5G作为最新一代的移动通信技术，业务数据速率达到10 Gbit/s以上，这是4G的100倍之多。这种超高速率为移动互联网用户提供了千兆级别的体验，使得下载、上传和流媒体等任务都能以前所未有的速度完成。此外，5G还支持超大连接，这意味着可以同时连接更多的设备，支持物联网和智能城市等大规模应用。最令人兴奋的是，5G的通信速率在高速移动条件下仍能保持稳定，最大支持达到500 km/h的通信速率，这将为高速列车和汽车等移动场景提供更可靠的连接。

2.2 5G通信技术的需求

5G技术相对于4G技术带来了革命性的变化，这些变化涵盖了多个关键方面，从而极大地提升了通信领域的性能和效率。以下是关于5G技术的关键特点和优势，以及它们在轨道交通等具体业务需求下如何影响通信性能指标。

（1）毫米波。毫米波频段的使用得到更大的带宽，从而支持更高速的数据传输。这对于轨道交通系统中需要大量数据传输的场景非常重要，如高清监控和实时地图更新。

（2）小基站。5G网络依赖于小型基站，这些基站可以更紧密地布置在城市和交通枢纽中，提供更稳定的连接。这在地下轨道或高速列车等特殊环境下尤其重要。

（3）新式天线。5G采用了智能天线技术，可以更好地定向信号，提高了网络效率，同时减少了电磁辐射。这有助于在轨道交通系统中提供更好的信号覆盖和质量。

（4）网络新型架构。5G引入了虚拟化和切片技术，使网络更加灵活，可以根据不同应用的需求进行定制。这有助于轨道交通系统满足多样化的通信需求。详情如表1所示。

表1 5G系统新能指标

3 轨道交通 5G 应用分析

3.1 无线高速通信

无线高速通信在轨道交通车地无线通信领域扮演着至关重要的角色。这一技术的应用范围广泛，主要涵盖列车运行控制、列车运行状态监测、车载视频监控以及乘客信息系统等方面。具体来说，石家庄地铁采用了LTE-M车地无线通信系统，其频段为1.8 GHz，频谱带宽达到10 MHz，这为数据传输提供了坚实的基础。

在数据吞吐量方面，LTE-M系统可以实现每秒2～8 Mbps的数据传输速率，这意味着在不同业务需求下，带宽需求可以在40～70 Mbps之间灵活调整，以满足各种列车运行和监测任务的要求。引入5G技术将为轨道交通车地无线通信带来巨大的创新潜力，由于5G技术不仅能够提高数据量，还能大幅提高数据传输速率，因此能够支持更多大数据传输和实时监测功能。此外，5G技术还能够提供更高的通信速率，从而支持可视化语音通信和超高清视频流等高要求程序的应用。

3.2 运营维护优化

石家庄地铁正在积极采用物联网（IoT）技术和5G网络，以优化运营维护工作。这一创新性举措旨在提升地铁系统的整体性能，从而实现更高水平的列车管理和监视。其中，5G网络在这个过程中发挥了关键作用，为列车提供了高速、低延迟的连接，使得实时数据的采集和传输变得更为高效。具体而言，石家庄地铁的5G试点改造优化工作涵盖了多个方面。首先，列车车辆数据的采集得以大幅改善，这归功于事件采集模块（ERM）的引入。这些ERM设备接口与5G天线相连接，确保了数据的快速传输。这一举措有助于实时采集列车上的状态和故障信息，从而提高了地铁系统的故障诊断能力。此外，TCMS业务定制开发也是关键的一环，通过这项工作，地铁系统能够更好地管理列车工况，包括牵引、制动等关键参数。这种高度个性化的数据分析有助于提高列车的可靠性，减少了潜在故障的风险，从而提高了运行的稳定性。5G专用网络通道的引入进一步巩固了这一系统，它们为数据传输提供了可靠的通道，确保了信息的安全性和稳定性。视频监控在地铁系统中扮演了关键角色，不仅有助于提高安全性，还可以用于事故调查和管理。通过实时监控和远程诊断，地铁系统可以更加精确地计划维护工作，减少了不必要的停机时间和维修费用，列车运行状态监测连接示意图如图1所示。

图1 列车运行状态监测连接示意图

3.3 物联通信提升体验

物联通信在现代交通系统中扮演着至关重要的角色，特别是在轨道交通网络中。随着5G技术的快速发展和广泛应用，乘客的智能出行体验将得到极大改善。这种改善体现在以下几个方面。

首先，乘客可以利用5G技术进行购票。通过手机或其他智能设备，他们可以轻松地购买地铁票，避免了排队等候的麻烦。这种便利性不仅节省了时间，还提高了出行的效率。其次，乘客可以实时查询列车信息。5G网络的高速性能使得乘客可以随时随地获取列车时刻表、车站信息以及列车运行状态等数据。这有助于他们更好地计划行程，并减少了不必要的等待时间。另外，5G技术还使得乘客能够了解车站的拥挤情况。利用物联通信和大数据统计，地铁运营部门可以实时监测车站人流量，从而提前警示乘客哪些车站可能会拥挤，以便他们可以采取措施来避开高峰时段或选择其他交通方式。

地铁运营部门也会受益于5G技术的应用。通过大数据统计，他们可以实时分析乘客的出行习惯和需求，进一步改善地铁服务水平。此外，地铁车站内的分区疏散可以更加精确地进行，确保乘客的安全和出行顺畅。轨道交通5G的创新应用情况如表2所示。

表2 5G 创新应用分析

4 结语

综上所述，5G通信技术引入在城市轨道交通领域具有巨大的潜力和重要作用，这一技术的特点之一是具备大带宽，它能够传输大量数据，为轨道交通系统提供更广泛的连接和信息传输能力。同时，5G技术还有低时延为特点，可以实现信息传输的极速响应，这对于提高轨道交通的运行效率至关重要。5G通信技术为轨道交通的自动化、智能化、系统化和绿色化发展提供了关键支持，要积极研究和应用这一技术，以便城市轨道交通系统更好地满足未来的需求，为城市可持续发展做出贡献。