智慧城軌交通通信技術(shù)的分析與展望

趙軍輝，張丹陽(yáng)，賀林

（1. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2. 華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 310033）

1 引言

我國(guó)城市軌道（簡(jiǎn)稱城軌）交通建設(shè)正逐漸步入信息化、智能化時(shí)代，開(kāi)始向高效、安全、可靠的智慧型城軌邁進(jìn)。隨著移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile e2ge computing，MEC）、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 等新興技術(shù)的發(fā)展，城軌交通系統(tǒng)將與新興技術(shù)逐漸融合，采用更智能化的通信技術(shù)，不斷提升城軌交通智能化水平。

城軌交通是我國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)的核心。根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2020 年12 月31 日，中國(guó)（不包括港澳臺(tái)）已有45個(gè)城市開(kāi)通軌道交通，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)7 978.19 km，其中地鐵總里程達(dá)6 302.79 km，占比79.00%。2011—2020 年，城市軌道交通新增營(yíng)業(yè)里程達(dá)7 655. 92 km，根據(jù)新增在建線路，預(yù)計(jì)到2021 年年底，我國(guó)城市軌道交通累計(jì)營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到8 728 km。近年來(lái)，北京、上海兩市城軌交通年客運(yùn)總量均已接近40 億人次，占公共交通出行總量的50%以上。從城市建設(shè)規(guī)劃的角度來(lái)看，未來(lái)人們選擇城軌交通出行方式的占比將大幅度提高，城軌交通將長(zhǎng)期保持高速發(fā)展，同時(shí)，城軌場(chǎng)景通信需求隨之大幅增長(zhǎng)。

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》是“智慧城軌”的指導(dǎo)性文件。該文件指出“智慧城軌”是城市軌道交通領(lǐng)域?yàn)轫憫?yīng)“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，與智慧城市對(duì)接的一個(gè)具有深遠(yuǎn)研究意義的課題。本文響應(yīng)“智慧城軌”發(fā)展綱要，對(duì)城軌交通系統(tǒng)中的通信技術(shù)進(jìn)行分析、闡述與總結(jié)，考慮從傳統(tǒng)的軌道通信技術(shù)向具備智能化的新型智能通信技術(shù)過(guò)渡問(wèn)題，同時(shí)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋治瞿壳耙延械挠^點(diǎn)、解決方案，指出最新的研究方向與面臨的挑戰(zhàn)，以期從通信層面對(duì)“智慧城軌”開(kāi)展研究。

2 智慧城軌通信發(fā)展需求

城軌交通安全、高效地運(yùn)營(yíng)離不開(kāi)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱列控系統(tǒng)），伴隨智慧城市發(fā)展，城市逐漸開(kāi)始沿著智能化、集群化的方向發(fā)展，市民的出行需求逐年提升。列車智能控制、海量數(shù)據(jù)監(jiān)控以及人工智能等技術(shù)的發(fā)展都促使城軌系統(tǒng)內(nèi)部的通信需求激增。

2.1 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下的通信需求

從軌道電路到無(wú)線通信，從單向通信到雙向?qū)崟r(shí)通信，列控系統(tǒng)的發(fā)展歷經(jīng)了質(zhì)的跨躍。基于通信的列控（communication-base2 train control，CBTC）系統(tǒng)采用與軌旁設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信的方式解決了列車到地面（train to groun2，T2G）的實(shí)時(shí)雙向通信問(wèn)題。早期的CBTC 系統(tǒng)采用無(wú)線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN）技術(shù)，能夠承載較大容量的傳輸信息、更為可靠的傳輸狀態(tài)和控制命令信息，在一定程度上增加列車運(yùn)行的可靠性，降低運(yùn)行中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，采用WLAN 的CBTC 系統(tǒng)存在功能子系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備繁多、各個(gè)子系統(tǒng)間耦合程度較高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差以及易受干擾等問(wèn)題，限制了整體系統(tǒng)的靈活性[1-2]。

為了更好地解決上述問(wèn)題，地鐵長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution for metro，LTE-M）技術(shù)被提出，LTE-M 技術(shù)是目前應(yīng)用于城軌交通通信系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，但該通信技術(shù)不能應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的緊急情況，并且無(wú)法提供如自動(dòng)駕駛和鐵路物聯(lián)網(wǎng)（railway internet of thing，RIoT）的大規(guī)模連接等某些潛在的鐵路服務(wù)[3]。此外，由于車地間無(wú)線資源短缺，資源利用效率較低，LTE-M 技術(shù)仍然存在傳輸時(shí)延高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，長(zhǎng)期來(lái)看也無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的城軌交通的數(shù)據(jù)傳輸要求。

現(xiàn)如今，新一代的全自動(dòng)運(yùn)行（fully automatic operation，F(xiàn)AO）系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)踐和完善的快速發(fā)展階段。目前國(guó)內(nèi)已有北京、上海、廣州、武漢、香港5 座城市開(kāi)通7 條全自動(dòng)運(yùn)行線路（GoA3 級(jí)～GoA4 級(jí)）[4]。新一代FAO 系統(tǒng)是基于現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)、高速通信、可靠控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，以行車指揮為核心，融合集成了信號(hào)系統(tǒng)、行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，整體自動(dòng)化水平有了很大提升[5]。FAO 系統(tǒng)目前采用LTE-M 技術(shù)對(duì)一些實(shí)時(shí)性和關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，同時(shí)利用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)送和接收非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)及記錄文件。

不論是基于WLAN 還是基于LTE-M 的列控系統(tǒng)，均以T2G 通信架構(gòu)為主，傳輸時(shí)延高，抗災(zāi)與防突發(fā)事件性能較差。近年來(lái)，更多的研究開(kāi)始轉(zhuǎn)向一種新型的基于列車到列車（train to train，T2T）通信的運(yùn)行控制系統(tǒng)。該技術(shù)考慮列車間的通信需求，使得列車無(wú)須經(jīng)過(guò)地面中轉(zhuǎn)即可進(jìn)行列車到列車間的直接通信，在降低時(shí)延的同時(shí)能夠進(jìn)一步保障列車安全運(yùn)行[6]。

2.2 萬(wàn)物互聯(lián)與海量數(shù)據(jù)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)下的通信需求

萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，終端節(jié)點(diǎn)數(shù)目和數(shù)據(jù)通信量表現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，傳統(tǒng)的云計(jì)算模式雖然有較強(qiáng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，但是，隨著市民出行需求的增加，大量電子終端、傳感器數(shù)量增加以及海量數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與優(yōu)化等問(wèn)題變得尤為突出[7]。傳統(tǒng)云計(jì)算將帶來(lái)較高的傳輸時(shí)延，消耗更多的帶寬資源。為了滿足萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用的發(fā)展需求，需要一種高效的數(shù)據(jù)傳輸處理技術(shù)。與此同時(shí)，為了保障城軌列車安全可靠運(yùn)行，還需要對(duì)大量基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，保障關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)信息低時(shí)延傳輸。

城軌綜合監(jiān)控系統(tǒng)包含閉路視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、無(wú)線列調(diào)、廣播系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、互聯(lián)門(mén)禁系統(tǒng)、車輛運(yùn)維和緊急呼叫等系統(tǒng)。上述系統(tǒng)均需與外界進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，緊密依賴于城軌通信系統(tǒng)。特別是乘客信息系統(tǒng)，每輛列車最低需要支持2 路8 Mbit/s的下行帶寬，而閉路視頻監(jiān)控系統(tǒng)則需要高達(dá)30 Mbit/s 的傳輸帶寬的支持[8]。目前我國(guó)各地的城軌通信制式不一，新老線路的數(shù)據(jù)互通、跨線運(yùn)營(yíng)以及不同制式之間的互聯(lián)互通等問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)；在一定時(shí)期內(nèi)，需要寬窄帶通信進(jìn)行融合，并在業(yè)務(wù)上混合編組、統(tǒng)一編號(hào)、統(tǒng)一調(diào)度，甚至在關(guān)鍵業(yè)務(wù)傳輸上可以以冗余鏈路的形式出現(xiàn)[9]。

隨著列車智能運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展，更多的車載監(jiān)控應(yīng)用需要進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。例如，智能列車診斷、智能運(yùn)程下載、自動(dòng)弓網(wǎng)關(guān)系監(jiān)視等，這些新型智能化應(yīng)用對(duì)傳輸帶寬的需求越來(lái)越高。綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為承載列車運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，承載了除列控系統(tǒng)以外的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，作為城軌系統(tǒng)的核心之一，其將與新型通信技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。5G 的商用也為城軌系統(tǒng)迅猛增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)提供了新的研究思路和設(shè)計(jì)方向。城軌交通的快發(fā)展、高需求也將為通信技術(shù)帶來(lái)新的驅(qū)動(dòng)力。

2.3 人工智能驅(qū)動(dòng)下的通信需求

計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提升以及人工智能領(lǐng)域算法的不斷完善使機(jī)器學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理、語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器人和智能交通等領(lǐng)域中取得了較大的成功[10]。特別是深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（2eep reinforcement learning，DRL）算法的提出，其將強(qiáng)化學(xué)習(xí)（reinforcement learning，RL）和深度學(xué)習(xí)（2eep learning，DL）結(jié)合，利用RL 的決策控制能力定義目標(biāo)問(wèn)題，對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行決策與判斷，利用DL 的深層感知能力進(jìn)行復(fù)雜參數(shù)的特征提取，解決策略與決值函數(shù)之間的建模問(wèn)題，目前在通信與控制領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了相關(guān)的研究[11-14]。

由于軌道交通的特殊性，如列車運(yùn)行線路固定，車站位置固定，軌道列車在無(wú)人駕駛領(lǐng)域能夠發(fā)揮其巨大的優(yōu)勢(shì)。隨著城市內(nèi)出行需求的急速增加，城軌交通列車必須提升其運(yùn)輸效率，需要進(jìn)一步縮短列車追蹤間隔。傳統(tǒng)T2G 架構(gòu)下的列控系統(tǒng)由于時(shí)延、可靠性等參數(shù)無(wú)法滿足進(jìn)一步縮短行車間隔的需求，一種基于T2T 通信的新型列車編隊(duì)控制思想逐漸出現(xiàn)在相關(guān)研究領(lǐng)域，并引起了相關(guān)研究人員的注意。列車編隊(duì)旨在從系統(tǒng)層級(jí)的角度全方位感知線路中每輛列車的動(dòng)作及位置，通過(guò)全局視野，能夠在保證列車運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，將追蹤間隔縮短。列車編隊(duì)建立在T2T 通信的基礎(chǔ)上，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)駕駛與控制的基礎(chǔ)技術(shù)之一。而無(wú)人駕駛列車的核心又包含智能通信、智能控制等與人工智能結(jié)合的相關(guān)技術(shù)，因此以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化解決方案將不斷刺激城軌系統(tǒng)的發(fā)展與完善。

城軌列車在行駛中由于高速移動(dòng)狀態(tài)所導(dǎo)致的信道時(shí)變特性會(huì)使得通信傳輸性能劇烈下降,因此可以通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)管理，在動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線環(huán)境中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。這類動(dòng)態(tài)環(huán)境中的最優(yōu)決策問(wèn)題，與DRL 的設(shè)計(jì)目標(biāo)相契合[15]。DRL 也是智能無(wú)線通信的重要賦能者之一。DRL 強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和決策能力可以對(duì)城軌通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能管理，使其在復(fù)雜的通信場(chǎng)景下可以對(duì)不同應(yīng)用的服務(wù)需求進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，最終提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際傳輸承載能力。通過(guò)引入DRL算法，可以對(duì)城軌無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及列車控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化決策，可以提升整體系統(tǒng)的魯棒性與服務(wù)質(zhì)量[16-17]。基于DRL 的智能化列車控制以及通信資源管理等技術(shù)是目前突破城軌列車運(yùn)營(yíng)效率瓶頸的重要途徑之一。憑借人工智能技術(shù)強(qiáng)大的特征提取、優(yōu)化等算法，能夠極大地促進(jìn)通信資源充分利用以及控制策略性能提升，保障高效、低能耗的城軌運(yùn)營(yíng)形態(tài)。因此，人工智能技術(shù)將助力“智慧城軌”的發(fā)展。

3 智慧城軌通信關(guān)鍵技術(shù)

“智慧城軌”通信技術(shù)為各個(gè)子系統(tǒng)提供保障和技術(shù)支持，分別從承載列控的通信關(guān)鍵技術(shù)、移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)、人工智能與列車編隊(duì)技術(shù)這3個(gè)角度對(duì)城軌智慧通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，同時(shí)結(jié)合最新的研究進(jìn)展，指出未來(lái)“智慧城軌”智能通信技術(shù)的發(fā)展方向。

3.1 承載列控的通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 車?地?zé)o線通信關(guān)鍵技術(shù)

目前正在使用的CBTC 系統(tǒng)主要基于WLAN技術(shù)，該技術(shù)采用IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)接入的方式使用2.4 GHz 非授權(quán)頻段傳輸列車運(yùn)行狀態(tài)以及控制命令，具有開(kāi)放、進(jìn)步、融合的技術(shù)發(fā)展路徑。WLAN 技術(shù)共用開(kāi)放頻譜資源、方便認(rèn)證接入、支持移動(dòng)及寬帶接入等性能。其新標(biāo)準(zhǔn)融合了很多前沿技術(shù)，支持不斷提升的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

作為一種依靠車地間通信的列控系統(tǒng)，CBTC不依賴于軌道電路，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的列車定位和雙向連續(xù)、高數(shù)據(jù)容量的車地通信。該系統(tǒng)中車載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的是一種連續(xù)自動(dòng)列車控制系統(tǒng)[18]。基于WLAN 的CBTC 系統(tǒng)能夠同時(shí)承載列車運(yùn)行監(jiān)控、乘客信息、閉路視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。然而，采用WLAN 技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)并不能滿足未來(lái)城軌發(fā)展的高行駛速度、廣覆蓋、資源優(yōu)先分配以及較強(qiáng)的抗干擾能力等需求。

基于通信的列控技術(shù)會(huì)隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行演變和更替。新興通信技術(shù)和列控技術(shù)的融合可以滿足城市軌道交通目前以及未來(lái)的發(fā)展需求，不斷推動(dòng)其向智能化、信息化發(fā)展。目前已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的基于WLAN 的列控系統(tǒng)，其性能受非授權(quán)頻段干擾，列車緊急制動(dòng)事件時(shí)有發(fā)生。為了解決這一問(wèn)題并提升CBTC 系統(tǒng)性能，城市軌道交通協(xié)會(huì)提出了一種利用專用授權(quán)頻段部署基于LTE-M 的解決方案。LTE 是基于正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency 2ivision multiple，OFDM）的第四代移動(dòng)通信技術(shù)，該技術(shù)采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，依靠20 MHz 的無(wú)線帶寬，支持下行100 Mbit/s 以及上行50 Mbit/s 的傳輸速率，在全球得到了廣泛應(yīng)用。此外LTE-M 系統(tǒng)有嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）保障機(jī)制，針對(duì)系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)選擇具有不同QoS 性能保障的數(shù)據(jù)鏈路并分別進(jìn)行任務(wù)承載，一定程度上能夠?yàn)槌丝吞峁┌踩煽康姆?wù)，提高鐵路網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率[19]。基于LTE-M 的CBTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其在接入架構(gòu)以及地面設(shè)備方面有所簡(jiǎn)化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與WLAN 系統(tǒng)相比更加扁平化。

然而，由于授權(quán)頻段資源稀缺，現(xiàn)有城軌交通通信網(wǎng)絡(luò)的可用授權(quán)頻段緊張，因此授權(quán)頻段將無(wú)法滿足綜合承載LTE-M 系統(tǒng)業(yè)務(wù)的要求。與現(xiàn)有傳統(tǒng)的城軌通信系統(tǒng)相比，LTE-M 采用頻段為1 785～1 805 MHz 的授權(quán)頻段，基本能夠提供較為全面的鐵路信息服務(wù)。考慮到LTE-M 頻譜資源仍存在一部分交叉不可用帶寬以及城軌交通業(yè)務(wù)對(duì)于可靠性和實(shí)時(shí)性的需求，目前已經(jīng)商用的5G 系統(tǒng)成為解決城軌交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)承載的重點(diǎn)研究對(duì)象。參考文獻(xiàn)[20]提出了一種基于毫米波的列控系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效解決列車傳輸頻譜資源短缺的問(wèn)題，提升頻譜效率。5G系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、可靠的全球互聯(lián)互通，解決網(wǎng)絡(luò)發(fā)展困境，滿足未來(lái)社會(huì)的大數(shù)據(jù)需求[21]。城軌交通列車乘客流量大、換乘頻率高、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)對(duì)承載數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)提出了極為嚴(yán)格的要求，這也符合5G 提出的三大典型應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhance2 mobile broa2ban2，eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable low-latency communications，uRLLC）以及海量機(jī)器型通信（massive machine type communications，mMTC）。作為異構(gòu)集成網(wǎng)絡(luò)，5G 將向后兼容現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)。這意味著在5G-M 能夠支持現(xiàn)有的鐵路服務(wù)的情形下，還能提供各種新興的鐵路服務(wù)，例如軌道沿線的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視、多媒體調(diào)度以及大規(guī)模連接的RIoT 業(yè)務(wù)，這將為“智慧城軌”發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

圖1 基于LTE-M 的CBTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.2 車?車無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)參考設(shè)備到設(shè)備（2evice to 2evice，D2D）通信的思想，實(shí)現(xiàn)列車之間的信息交互。在早期，T2T 通信被當(dāng)作避撞的冗余手段，例如2007 年德國(guó)宇航研究中心（Deutsches Zentrum für Luft- un2 Raumfahrt, DLR）An2reas 等[22]提出了鐵路避撞系統(tǒng)（railway collision avoi2ance system，RCAS），該系統(tǒng)獲取的速度、位置等信息能夠以列車間廣播的形式發(fā)送給鄰近區(qū)域內(nèi)的其他列車。采用T2T 通信的列控系統(tǒng)，無(wú)須再進(jìn)行集中式的地面控制，因而可以降低車地間的信息交互頻次，減小傳輸系統(tǒng)載荷，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。基于T2T 通信的列控系統(tǒng)以列車為核心，通過(guò)列車間的交互、軌旁資源的控制等方法實(shí)現(xiàn)列車的自主安全運(yùn)行控制[23]。

基于T2T 通信的CBTC 系統(tǒng)是更高層級(jí)的信號(hào)控制系統(tǒng)，它使得城軌交通網(wǎng)絡(luò)中“左右、前后”多個(gè)列車之間互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)運(yùn)行，是新一代具有更高可靠性、更高運(yùn)行效率、更節(jié)省時(shí)間、更低成本的列控系統(tǒng)。基于T2T 通信的新型列控系統(tǒng)目前已經(jīng)引起了較為廣泛的關(guān)注。參考文獻(xiàn)[24]提出了一種基于T2T 通信的CBTC 系統(tǒng)，并且對(duì)該系統(tǒng)的核心功能進(jìn)行了介紹與分析。參考文獻(xiàn)[25]提出了一種基于T2T 通信的列車防碰撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的地面部分功能移植到車載設(shè)備上，以此降低地面設(shè)備的復(fù)雜度，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性。由此看來(lái)，城軌列車之間直接通信能夠保障列車更加可靠穩(wěn)定運(yùn)行，提升運(yùn)營(yíng)效率，是未來(lái)發(fā)展和研究的趨勢(shì)。

T2T 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖2 所示，通過(guò)T2T通信，每輛列車都可以獲取其相鄰列車的狀態(tài)信息，自主計(jì)算并生成移動(dòng)權(quán)限（movement authority，MA），不再需要地面設(shè)備的相關(guān)控制權(quán)限。在此系統(tǒng)下，地面設(shè)備得到了簡(jiǎn)化，其僅包含自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（automatic test supervision，ATS）、列車管理中心（train manage center，MC）、對(duì)象控制器（object controller，OC）以及軌旁信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備（道岔）。TMC 具有傳統(tǒng)區(qū)域控制器（zone controller，ZC）的安全功能，例如列車的注冊(cè)與取消、列車信息存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)等。OC 作為簡(jiǎn)單的對(duì)象狀態(tài)采集和控制單元，本身不具有復(fù)雜的邏輯處理功能，它負(fù)責(zé)獲取信號(hào)燈和開(kāi)關(guān)等基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)，并傳達(dá)相關(guān)控制指令。作為一種新型列控系統(tǒng)，當(dāng)車地間通信與車車間通信并存時(shí)，通信資源（如信道資源）會(huì)出現(xiàn)搶占問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)資源分配沖突問(wèn)題，從而導(dǎo)致編隊(duì)列車控制問(wèn)題的出現(xiàn)。

圖2 T2T 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

3.2 移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，無(wú)線傳輸空口資源有限，系統(tǒng)帶寬以及時(shí)延等指標(biāo)依然無(wú)法滿足當(dāng)前城軌交通運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，存在鏈路資源短缺、吞吐量低、傳輸時(shí)延高等問(wèn)題。為了進(jìn)一步對(duì)城軌無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，滿足超大帶寬、海量鏈接、超低時(shí)延、高可靠、高能效的城軌通信需求，相關(guān)研究人員將目光轉(zhuǎn)向MEC 技術(shù)。在現(xiàn)有通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合MEC 技術(shù)，在列車、基站、車站等地分別部署MEC 服務(wù)器[26]，利用MEC 服務(wù)器自身具備的計(jì)算、存儲(chǔ)等能力提供智能服務(wù)，使得原本需要在城軌專網(wǎng)或者外部云平臺(tái)處理的業(yè)務(wù)下沉至列車或車站等邊緣側(cè)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)時(shí)延，提高了通信資源使用效率，優(yōu)化現(xiàn)有通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通信、計(jì)算與存儲(chǔ)資源的高效融合以及彈性分配。參考文獻(xiàn)[27]提出在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中部署MEC 服務(wù)器，并通過(guò)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果顯示該部署方案能夠有效提升傳輸速率、減小傳輸時(shí)延。盡管該文獻(xiàn)是從高速鐵路的角度進(jìn)行分析的，但提出的架構(gòu)和相關(guān)策略只要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整也可為其他場(chǎng)景（例如城市軌道交通場(chǎng)景）提供支持。

未來(lái)軌道移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示，采用MEC 技術(shù)優(yōu)化城軌交通通信系統(tǒng)，其主要思想是在鐵路沿線部署MEC 服務(wù)器，使列車通信數(shù)據(jù)在源頭附近就能得到及時(shí)有效的處理，達(dá)到提升無(wú)線傳輸穩(wěn)定性和降低時(shí)延的目的，并最終提升用戶體驗(yàn)。另外，基于MEC 技術(shù)的城市軌道交通系統(tǒng)中，列車實(shí)時(shí)感知的道路狀況、障礙物和周圍環(huán)境等信息可通過(guò)MEC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算和傳輸，從而預(yù)測(cè)下一步該如何行駛，進(jìn)而提升列車全自動(dòng)駕駛的可靠性。采用MEC 輔助的城軌通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以在通信、娛樂(lè)、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)維護(hù)和RIoT等多個(gè)方面給予支持，為相關(guān)業(yè)務(wù)提供低時(shí)延、高帶寬的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

圖3 未來(lái)軌道移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3 人工智能與列車編隊(duì)技術(shù)

與人工智能技術(shù)結(jié)合的智慧城軌交通系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化列車與地面之間復(fù)雜的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而得到運(yùn)營(yíng)效率高、資源利用率高的優(yōu)化方案。采用T2T 通信的列控系統(tǒng)，增加了列車與列車之間的直接通信技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)部的T2G 鏈路和T2T 鏈路之間可能會(huì)出現(xiàn)資源復(fù)用的問(wèn)題，使得頻譜資源更加緊缺，給城軌通信系統(tǒng)帶來(lái)了更大的壓力。

為了解決T2G 與T2T 之間同頻干擾問(wèn)題，針對(duì)T2T 通信資源分配問(wèn)題，提出了一種基于多智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（multi-agent 2eep reinforcement learning，MADRL）算法，該算法將每輛行駛中的列車看作一個(gè)智能體，智能體與環(huán)境進(jìn)行交互后獨(dú)立地選擇下一步的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)信道資源的有效分配。與參考文獻(xiàn)[14]模型類似，假設(shè)如圖2 所示的T2T 通信場(chǎng)景，仿真所需的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

T2T 架構(gòu)系統(tǒng)中的列車數(shù)量與系統(tǒng)的總吞吐量之間的關(guān)系如圖4 所示，與隨機(jī)方案相比，所提方案可以有效地提高系統(tǒng)的總吞吐量，并且隨著列車數(shù)量的增加，所提方案的優(yōu)勢(shì)更加明顯。隨著列車數(shù)量的不斷增加，系統(tǒng)的總吞吐量也隨之增加。然而，隨之增加的T2T 鏈路和T2W 鏈路數(shù)量會(huì)帶來(lái)更多的同頻干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的增加速率變慢。仿真結(jié)果驗(yàn)證了MADRL 算法在通信資源分配場(chǎng)景的優(yōu)越性，該方案可以有效解決頻率資源緊張、同頻干擾等問(wèn)題。

在類似于T2T 通信架構(gòu)的系統(tǒng)中，編隊(duì)控制是一種能夠提升系統(tǒng)效率的有效控制手段，在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)有了非常多的應(yīng)用實(shí)例，例如艦艇編隊(duì)、戰(zhàn)機(jī)編隊(duì)等。通過(guò)編隊(duì)技術(shù)可以發(fā)揮系統(tǒng)內(nèi)各組成部分的最大優(yōu)勢(shì)，提升系統(tǒng)整體性能。早在2014 年“Shift2Rail”項(xiàng)目問(wèn)世以來(lái)，歐洲便將研究方向聚焦于虛擬耦合列車[28]。虛擬耦合列車編組技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的列車編組控制。列車協(xié)同編隊(duì)以T2T 通信為技術(shù)基礎(chǔ)，以自動(dòng)控制和駕駛為操作手段。T2T 通信架構(gòu)下的列車協(xié)同編隊(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，在列車協(xié)同編隊(duì)系統(tǒng)中，每輛列車在高精度定位技術(shù)下，可以知道自己所運(yùn)行的準(zhǔn)確位置。通過(guò)T2T 通信，相鄰列車周期性地獲取彼此的位置和速度，基于這些信息進(jìn)行列車追蹤，可以進(jìn)一步縮短列車行車間隔，提升城軌運(yùn)營(yíng)效率。

表1 仿真所需的詳細(xì)參數(shù)

圖4 系統(tǒng)總吞吐量與列車數(shù)量之間的關(guān)系

圖5 T2T 通信架構(gòu)下的列車協(xié)同編隊(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著我國(guó)城軌交通的快速發(fā)展，行業(yè)信息化建設(shè)也已進(jìn)入快速發(fā)展階段，高速、穩(wěn)定的通信業(yè)務(wù)需求不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展，自動(dòng)駕駛、RIoT、高清視頻監(jiān)控、列車信息實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、智能列車、智能化旅客服務(wù)等多種新型智能化業(yè)務(wù)需求不斷地涌現(xiàn)。然而，全國(guó)城軌交通發(fā)展條件、起步時(shí)間、基礎(chǔ)建設(shè)水平和目前所處的階段均存在差異。伴隨一系列先進(jìn)新興信息技術(shù)的高速發(fā)展，城軌交通智能化水平將在現(xiàn)有發(fā)展的基礎(chǔ)上大大提升。以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的與人工智能技術(shù)相結(jié)合的新型通信、控制解決方案將為城軌交通系統(tǒng)的發(fā)展注入新鮮血液，推動(dòng)“智慧城軌”的發(fā)展與完善。

4 技術(shù)與挑戰(zhàn)

本節(jié)首先對(duì)采用不同技術(shù)架構(gòu)下的通信系統(tǒng)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?jiàn)表2。接著分析、討論并提出了一種未來(lái)城軌通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及可能面臨的挑戰(zhàn)，為后續(xù)“智慧城軌”交通的發(fā)展奠定了研究基礎(chǔ)。

表2 城軌交通通信技術(shù)對(duì)比

4.1 無(wú)線通信覆蓋

毫米波頻段和5G-M 系統(tǒng)的提出，在給城市軌道交通系統(tǒng)提供大帶寬和高數(shù)據(jù)速率傳輸能力的同時(shí)，也帶來(lái)了無(wú)線覆蓋的問(wèn)題。得益于大規(guī)模天線陣列的使用，集中式的大規(guī)模多輸入多輸出與波束成形技術(shù)相結(jié)合，能夠形成方向性佳、增益大的窄波束，從而追蹤移動(dòng)中的列車，同時(shí)大幅提升系統(tǒng)容量[29]。雖然聯(lián)合波束成形可以將輻射的能量集中在預(yù)期的方向上，以最大限度地減少干擾并大大提高用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率。但列車較高的移動(dòng)速度給波束搜索帶來(lái)一定的阻礙，波束可能無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整、對(duì)齊[30]，這極大地影響了通信傳輸?shù)馁|(zhì)量，需要對(duì)波束、列車移動(dòng)性進(jìn)行聯(lián)合管理。其次，5G 的高頻帶傳輸和較低的覆蓋能力，意味著5G 高頻基站的部署將更加密集，由此引發(fā)的頻繁切換問(wèn)題也將更加嚴(yán)峻[31]。由于城軌場(chǎng)景較高的復(fù)雜性，毫米波頻段帶來(lái)豐富帶寬資源的同時(shí)，可能會(huì)因?yàn)槟承┱趽醯匦苇h(huán)境帶來(lái)短時(shí)的鏈路中斷，從而造成巨大的安全隱患以及經(jīng)濟(jì)影響[32]。

5G-M 高低頻組網(wǎng)架構(gòu)如圖6 所示，5G-M 系統(tǒng)以低頻段基站部署宏小區(qū)覆蓋，保障高速移動(dòng)條件下的關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)可靠傳輸，提供高魯棒性廣覆蓋；以高頻段基站進(jìn)行微小區(qū)部署，提高非安全類數(shù)據(jù)的傳輸速率。另外，在新的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，T2T 通信以及邊緣計(jì)算設(shè)備可以保證一些時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)的需求，提升無(wú)線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，但勢(shì)必也會(huì)引入邊緣設(shè)備的覆蓋和切換問(wèn)題。在5G 通信系統(tǒng)架構(gòu)下，可以考慮基于毫米波的T2T 傳輸方案。盡管T2T 通信用于城軌列車盲點(diǎn)警告和碰撞預(yù)警時(shí)可能不需要很高的帶寬，但預(yù)計(jì)未來(lái)其他應(yīng)用可能需要系統(tǒng)具備較高的傳輸速率，如列車自動(dòng)駕駛所需的自動(dòng)巡航控制。此外，列車毫米波通信系統(tǒng)在圖像和高速數(shù)字通信等大容量傳送信息方面也能發(fā)揮作用。由毫米波多天線技術(shù)所帶來(lái)的接收信號(hào)信噪比的大幅度提升，可以保障T2T 通信的可靠性，這進(jìn)一步促進(jìn)了城市軌道交通系統(tǒng)中毫米波T2T 通信的應(yīng)用。相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳播測(cè)量在參考文獻(xiàn)[33]中也得到了驗(yàn)證。

近期較多的研究將目光轉(zhuǎn)向了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（heterogeneous network，HetNet）的研究[34-35]。在軌道通信系統(tǒng)中，通過(guò)將相互重疊的不同類型網(wǎng)絡(luò)融合，可以滿足未來(lái)城軌交通的業(yè)務(wù)多樣性需求。目前存在一個(gè)服務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的現(xiàn)象；為了能夠同時(shí)接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)終端應(yīng)當(dāng)具備可以接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的接口，這便涉及在不同網(wǎng)絡(luò)之間的切換問(wèn)題。這種為各類業(yè)務(wù)建立不同獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)城軌交通系統(tǒng)下多業(yè)務(wù)的綜合承載，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和建設(shè)維護(hù)成本，同時(shí)也不利于未來(lái)城軌交通業(yè)務(wù)的靈活發(fā)展。

圖6 5G-M 高低頻組網(wǎng)架構(gòu)

4.2 協(xié)同控制與互聯(lián)互通

當(dāng)前城市軌道交通通信系統(tǒng)采用T2G 雙向通信結(jié)構(gòu)，距離未來(lái)可能使用的基于T2T 通信的列控系統(tǒng)還有很長(zhǎng)一段路。在這一演進(jìn)過(guò)程中，必然會(huì)存在T2G 和T2T 通信共存的局面。此時(shí)，T2G和T2T 通信的協(xié)同問(wèn)題影響著列控系統(tǒng)的效率和安全。考慮到資源和能耗的有效利用，以及不同業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和可靠性等性能的需求，應(yīng)設(shè)計(jì)出一個(gè)恰當(dāng)?shù)膮f(xié)同通信方案，而不僅是將其中一種通信方式作為另一種的冗余手段。隨著設(shè)備計(jì)算和通信能力的提高以及分布式或者非集中式思想的發(fā)展，多系統(tǒng)合作能夠以更小的代價(jià)完成更復(fù)雜的任務(wù)這一理念開(kāi)始被人們普遍認(rèn)同。與單個(gè)系統(tǒng)相比，多系統(tǒng)架構(gòu)，尤其是分布式多系統(tǒng)，具有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)。因此在T2T 通信場(chǎng)景下，可對(duì)多輛行駛方向、運(yùn)行狀態(tài)和路線一致的列車進(jìn)行編隊(duì)控制，從而更加有效安全地完成行駛?cè)蝿?wù)。在完成多列車根據(jù)需求的分層式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)之后，多列車編隊(duì)控制問(wèn)題便轉(zhuǎn)化為多輛列車之間行為的相互協(xié)作問(wèn)題，即多列車之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制問(wèn)題的研究。而如何選擇多列車之間的協(xié)同控制方案，也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

此外，由于城軌交通線路主要采用單線建設(shè)，運(yùn)營(yíng)的方式、設(shè)備供應(yīng)商數(shù)目繁多，通信信號(hào)制式和接口種類并非統(tǒng)一，資源無(wú)法進(jìn)行共享，各線路列車無(wú)法互聯(lián)互通，城軌通信系統(tǒng)設(shè)備的種類、制式等都不盡相同。這給城軌系統(tǒng)帶來(lái)了極高的維護(hù)成本與培訓(xùn)成本，無(wú)法為乘客帶來(lái)良好的乘坐體驗(yàn)。互聯(lián)互通能夠?qū)崿F(xiàn)城軌列車跨線路運(yùn)行，對(duì)應(yīng)列車的通信、信號(hào)、運(yùn)營(yíng)商等解決方案能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一。但是互聯(lián)互通意味著，設(shè)備廠商需要進(jìn)行協(xié)調(diào)一致，但這種協(xié)調(diào)非常困難，近乎不可能。另一種方案是在城軌系統(tǒng)內(nèi)加裝多套通信以及信號(hào)設(shè)備，但由于成本過(guò)于高昂，可實(shí)施性較低。統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的通信信號(hào)互聯(lián)互通設(shè)備是未來(lái)發(fā)展的方向；基于統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，不但可以保護(hù)各個(gè)廠商的核心技術(shù)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)，還可以形成良性循環(huán)的產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

4.3 安全與效率

軌道交通安全運(yùn)營(yíng)是軌道交通發(fā)展的重中之重，其永恒不變的主題包含綠色、安全和高效，但是軌道交通運(yùn)營(yíng)效率與安全本質(zhì)上存在著一定程度的沖突。隨著無(wú)線通信以及列車控制技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)復(fù)雜度也不斷提高。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)可預(yù)期的龐大客流，城軌交通列車也將不斷提速，行車密度將不斷增加，追蹤間隔變短，因此對(duì)其運(yùn)營(yíng)效率提出了極高的發(fā)展要求，安全隱患也隨之上升。由于任何系統(tǒng)出現(xiàn)非正常的情況都會(huì)導(dǎo)致全線列車的混亂甚至癱瘓，因此需要整個(gè)系統(tǒng)各子功能模塊高度協(xié)作，這就要求在各類技術(shù)發(fā)展的同時(shí)加大安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)力度并對(duì)其協(xié)作方式進(jìn)行優(yōu)化。

隨著通信技術(shù)以及配套列控技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，城軌交通系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)部分線路的全自動(dòng)駕駛，未來(lái)智能城軌交通系統(tǒng)也將更大程度地采用自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控的駕駛模式。與此同時(shí)，故障監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)也將隨之不斷提升，這就要求承載城軌列車數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)與時(shí)俱進(jìn)，共同營(yíng)造一種安全、可靠、智慧、互聯(lián)的城軌交通系統(tǒng)。然而隨著列車智能化、信息化的發(fā)展，信息安全方面的隱患也浮現(xiàn)；不法分子利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)漏洞進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊，因此需要構(gòu)筑一種信息安全防御體系，設(shè)置緊急恢復(fù)系統(tǒng)與安全冗余裝置，將信息安全隱患造成的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，這對(duì)智能化、信息化城軌交通系統(tǒng)的發(fā)展也提出了一定的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型通信技術(shù)的快速發(fā)展，為城市軌道交通開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)的智慧軌道交通時(shí)代提供了重要的基礎(chǔ)建設(shè)支撐。在此應(yīng)用背景下，本文從城軌通信需求的多個(gè)角度出發(fā)，介紹了不同驅(qū)動(dòng)因素下城軌通信技術(shù)的發(fā)展以及未來(lái)的演變趨勢(shì)。同時(shí)分析了一些具有挑戰(zhàn)性的可與“智慧城軌”結(jié)合的研究方向，包括T2T 通信技術(shù)、MEC 技術(shù)、基于MADRL 的通信資源分配技術(shù)和列車編隊(duì)技術(shù)。通過(guò)采用新型通信技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)算法優(yōu)化城軌通信系統(tǒng)，在合理的理論分析前提下，實(shí)現(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)傳輸與更高效的列車控制；在滿足一些未來(lái)潛在軌道交通業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，保持高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)。此外，也對(duì)未來(lái)城軌交通發(fā)展的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析與討論。基于新型通信技術(shù)與人工智能等技術(shù)的“智慧城軌”交通系統(tǒng)，將助力“智慧城市”的打造，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)換代升級(jí)。我國(guó)城軌交通向智能化發(fā)展勢(shì)在必行。