高速動車組中5G 技術應用探討

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

在“八縱八橫”高速鐵路網的規劃下及以“國之重器”為引領，塑造高速動車組國內“創新引領者”、國際“創新推動者”的品牌建設戰略下，5G 通信技術的發展，將成為高速動車組自主創新、協同創新，推進廠供一體化科技創新體系完善，加快新能源、新材料、環境治理、動力裝置等新產業技術和產品研發，促進傳感、網絡傳輸、人工智能、信息物理融合等技術研究與應用，不斷提升產品智能化水平強有力的保障和必備條件[1]。

1 5G 通信技術較4G 通信技術的優點

相比4G 網絡，作為新一代移動通信技術，5G 移動通信網絡具有增強移動帶寬eMBB、超可靠低時延uRLLC 及廣覆蓋大連接mMTC 三大特點。5G 技術的性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。基于5G 技術的車地通信，可以實現更高速率、更低時延的數據傳輸。

2 5G 通信技術對高速動車組的重要性

國內軌道交通無線通信系統的迅速發展，實現了車載數據實時落地通信功能，使高速動車組具備遠程監控能力，為遠程技術支持及動車組健康狀態監控提供了基礎。而5G通信技術可以在保證數據傳輸可靠性的基礎上，進一步縮短信息傳輸的時間、提高傳輸信息密度及信息量，從而為高速動車組的正常運行提供了更豐富且堅實的保障。

無線通信技術在保證信息傳輸的及時性和可靠性的同時，在一定的程度上大大地提高了動車組故障處理能力。除此之外，5G通信技術的發展，還將進一步推進物聯網發展，而基于高速動車組網絡信息安全的導向，可研究其裝置部件單向信息聯網；而5G 通信技術應用推廣，必將提高高速動車組的全壽命檢修模式、促進軌道交通產業升級，從而推進軌道交通產業發展的深度與寬度，乃至向互聯網企業轉型[2]。

3 5G 通信技術在高速動車組的應用

3.1 高速動車組現狀概況

中國高速動車組從引進吸收到現在的“八縱八橫”高鐵運輸網絡，設置并積累了各類部件、各種維度的海量數據、豐富多樣的一二級檢修技術、不斷完善的高級修檢修數據、種類多樣的系統裝置運行數據、動車組自身數據監測監控數據、地面實時檢測技術數據、車地通信數據、CTCS2/3 級列車自動保護系統、司機防猝死/監控技術等等。但是此類技術未實現數據共享及貫通，或僅實現了部分現車數據落地，同時也受限于4G 通信技術的傳輸速度、高鐵線路上的城市智能化發展和高鐵站點智能配置等。

3.2 5G 通信技術的應用

基于高速動車組通信技術應用現狀和限制及5G 技術較4G 通信的優勢，通過制定相同構架、數據格式統一和建立共享合作交互的數據，由國鐵集團牽頭數據采集、傳輸、存儲，各企業/路局各單位共同配合，通過企業/路局各單位內網、國鐵機輛平臺、互聯網數據、城市智能化發展等載體。不斷完善企業/路局各單位重要系統部件數據采集和傳輸范圍，充分利用互聯網數據，并結合城市發展規劃，實現高速動車組在制造/運營等各個環節、列車各相關部件的監控和檢測數據的落地回傳和地面檢測異常推送、智能化列車、影音體驗/高鐵網與城市網協同發展等，實現動車組制造企業以檢修數據、故障預測數據為依托建立的運用安全模型共享，指導保障動車組現車運用、檢修預測、故障預警和數字化視情維修建議，實現依托高速動車組網絡的城市智能化推廣建設和依托城市智能化發展的高速動車組智能化體驗；確保動車組運用安全，降低檢修運用成本，支撐優化設計和修程修制改革，支持高速動車組與城市網絡的智能化發展。以下是對系統功能可提升、可預見的應用進行探究。

3.2.1 提升數據落地質量

高速動車組已實現故障數據、列車運行數據、實時檢測數據落地，但數據傳輸時間間隔長（10s 乃至30s 一次）、數據傳輸量小、數據落地穩定性不高，而5G 技術應用可提高數據落地穩定性、增大數據量、縮短數據傳輸間隔。

3.2.2 提升乘坐體驗

結合互聯網產業發展，打通乘客信息、城市景點信息、互聯網信息與列車影音娛樂的連接，提升乘坐體驗，如身份（人臉）識別與座位提醒/到站提醒、城市景區推送及VR 虛擬體驗、海量互聯網視訊資源、列車智能餐飲等等。同時需身份識別設備、VR 設備產業等配套發展，城市旅游業等協同開發及發展。

3.2.3 豐富遠程監控數據種類

高速動車組已實現車地通信的故障數據、列車運行數據、軸溫檢測數據和側重于4G 通信傳輸速率可支持的故障導向的數據。基于5G 技術，可進一步建立完善高速動車組關聯數據貫通，實現列車運行數據的實時接收、數據處理和數據呈現，提供列車運營監控、狀態監控和歷史數據查詢，實時獲取鐵路地面檢測相關數據（如THDS-紅外線軸溫探測系統、TFDS-車輛輪對故障/尺寸動態檢測系統、TCDS-客車運行安全監控系統、TEDS-動車組運行故障動態圖像檢測系統）進行車底設備狀態判斷，列車運行數據下載、基于溫度轉向架故障預測和制動不足故障預測等。

一是利用5G 技術解決以往網絡存在的帶寬及傳輸速率的限制的數據回傳，如受電弓視頻監控數據、走線部件的穩定性數據、配電柜煙霧濃度及煙火報警數據。二是豐富監控數據種類，通過監測動車組裝置部件及可輸入信息的監測，提升運用維護技術、全壽命周期數據收集及預測技術，如蓄電池電壓監測及壽命評估、基于運行里程的檢修周期智能提醒、動車組參數設置糾錯提醒、線路環境信息智能提醒。三是將地面軌道鋪設如TEDS、THDS 等5T 系統數據實時傳至車輛信息，并進行異常推送系統，同時異常信息可傳輸至各動車組造修企業進行信息共享。

3.2.4 物聯網技術與產業升級

5G 技術將是智能動車組的重要應用，動車組需要監控維護的設施眾多，運用秩序及運用安全、維護任務繁重，可利用物聯網技術采集各類設備狀態信息，回傳到至地面系統監測處理。一是動車組供應商利用互聯網思維，升級產品，實現動車組各系統裝置軟硬件信息檢測，通過車地通信傳輸至地面系統，進行履歷信息智能收集及變更管理，推送檢修修程建議、精細化管理檢修內容；二是實現車載設備軟件遠程升級，減少駐站到站升級場景，縮減人員物資成本。

圖高速動車組上5G 技術應用及存在問題

3.2.5 列車運行控制車載設備

現有動車組主要采用CTCS-2/3 列控系統，實施閉塞區間運行管理，可將5G 通信 技術應用到了列車控制系統中。通過5G 通信端到端通信技術，讓列車設備間的數據通信不需要基站的傳輸，作為冗余通信方法。當列控系統出現故障的時候，它可以讓列車直接相互通信，并相互報告各自的位置信息以及運行狀態信息，輔助保障列車的安全運行。

4 存在的問題

4.1 系統性價比問題

5G 系統頻率高、傳輸衰減增加、部署更密集，在小基站、大規模天線陣列的部署上將會產生大量的設備投資。中國高鐵長度長、地理范圍廣，5G 設備基站建設及高鐵線路全覆蓋實現，需要國家、鐵路整體規劃投入。5G 發展初期的投資、性價比將是重點考慮問題。

4.2 配套裝置的協同發展

實現監控數據的多樣性、乘坐體驗升級，需要高鐵產業、配套供應商產業協同發展，基于互聯網思維，從整車技術、終端裝置、地面數據中心、運維管理系統共同升級。

4.3 系統安全問題

監控數據多樣性、更多終端裝置接入、車地雙向數據交互等都對系統的信息安全、服務器承載帶來極大的壓力，需研究設計數據防護措施和影音信息的過濾機制，乃至建立互聯網信息與車載網絡信息兩套完全獨立的通信網絡，避免關鍵運營系統和重點設備受到威脅和攻擊、消除不良公共影音資訊的傳播，需要深入的研究和探討。

5 結語

基于5G 技術和下一代智能動車組發展，利用物聯網技術和設備監測控制技術可以加強對高速鐵路系統的信息管理和服務，促使高速軌道交通由被動維護變為智能監管、由傳統乘坐變為主動體驗式，可以實現動車組列車運行實時監測、走形及牽引視頻監測、部件健康狀態監控、運用維修維護提醒、線路環境信息管理、智能座顯、途經城市景點虛擬體驗等，進一步提高了動車組在線運行秩序、維護效率、娛樂體驗。隨著5G 技術、互聯網產業及智能動車組的發展，高速動車組將朝著乘坐更舒適、更綠色、更智能，運行更快速、更安全，檢修更及時、更精準、更高效發展[3]。