智慧城軌交通通信技術(shù)的分析與展望

趙軍輝，張丹陽，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

我國城市軌道（簡稱城軌）交通建設(shè)正逐漸步入信息化、智能化時代，開始向高效、安全、可靠的智慧型城軌邁進。隨著移動邊緣計算（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。

城軌交通是我國關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)的核心。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2020 年12 月31 日，中國（不包括港澳臺）已有45個城市開通軌道交通，運營里程達7 978.19 km，其中地鐵總里程達6 302.79 km，占比79.00%。2011—2020 年，城市軌道交通新增營業(yè)里程達7 655. 92 km，根據(jù)新增在建線路，預(yù)計到2021 年年底，我國城市軌道交通累計營業(yè)里程將達到8 728 km。近年來，北京、上海兩市城軌交通年客運總量均已接近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)劃的角度來看，未來人們選擇城軌交通出行方式的占比將大幅度提高，城軌交通將長期保持高速發(fā)展，同時，城軌場景通信需求隨之大幅增長。

中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《中國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)域為響應(yīng)“交通強國”戰(zhàn)略，與智慧城市對接的一個具有深遠研究意義的課題。本文響應(yīng)“智慧城軌”發(fā)展綱要，對城軌交通系統(tǒng)中的通信技術(shù)進行分析、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)過渡問題，同時進行橫向?qū)Ρ龋治瞿壳耙延械挠^點、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“智慧城軌”開展研究。

2 智慧城軌通信發(fā)展需求

城軌交通安全、高效地運營離不開列車運行控制系統(tǒng)（簡稱列控系統(tǒng)），伴隨智慧城市發(fā)展，城市逐漸開始沿著智能化、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 列車運行控制系統(tǒng)驅(qū)動下的通信需求

從軌道電路到無線通信，從單向通信到雙向?qū)崟r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)備進行無線通信的方式解決了列車到地面（train to groun2，T2G）的實時雙向通信問題。早期的CBTC 系統(tǒng)采用無線局域網(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行的可靠性，降低運行中存在的安全風(fēng)險。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題，地鐵長期演進（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)的先進技術(shù)，但該通信技術(shù)不能應(yīng)對較為復(fù)雜的緊急情況，并且無法提供如自動駕駛和鐵路物聯(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)仍然存在傳輸時延高、穩(wěn)定性差等缺點，長期來看也無法滿足日益增長的城軌交通的數(shù)據(jù)傳輸要求。

現(xiàn)如今，新一代的全自動運行（fully automatic operation，F(xiàn)AO）系統(tǒng)已經(jīng)進入了實踐和完善的快速發(fā)展階段。目前國內(nèi)已有北京、上海、廣州、武漢、香港5 座城市開通7 條全自動運行線路（GoA3 級～GoA4 級）[4]。新一代FAO 系統(tǒng)是基于現(xiàn)代高性能計算機、高速通信、可靠控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實現(xiàn)的，以行車指揮為核心，融合集成了信號系統(tǒng)、行車綜合自動化系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，整體自動化水平有了很大提升[5]。FAO 系統(tǒng)目前采用LTE-M 技術(shù)對一些實時性和關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)進行傳輸，同時利用無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)送和接收非實時性數(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，傳輸時延高，抗災(zāi)與防突發(fā)事件性能較差。近年來，更多的研究開始轉(zhuǎn)向一種新型的基于列車到列車（train to train，T2T）通信的運行控制系統(tǒng)。該技術(shù)考慮列車間的通信需求，使得列車無須經(jīng)過地面中轉(zhuǎn)即可進行列車到列車間的直接通信，在降低時延的同時能夠進一步保障列車安全運行[6]。

2.2 萬物互聯(lián)與海量數(shù)據(jù)監(jiān)控驅(qū)動下的通信需求

萬物互聯(lián)的時代，終端節(jié)點數(shù)目和數(shù)據(jù)通信量表現(xiàn)出爆發(fā)式增長的態(tài)勢，傳統(tǒng)的云計算模式雖然有較強的計算和存儲能力，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)化等問題變得尤為突出[7]。傳統(tǒng)云計算將帶來較高的傳輸時延，消耗更多的帶寬資源。為了滿足萬物互聯(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，為了保障城軌列車安全可靠運行，還需要對大量基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，保障關(guān)鍵運營信息低時延傳輸。

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)、無線列調(diào)、廣播系統(tǒng)、火災(zāi)自動警報系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、互聯(lián)門禁系統(tǒng)、車輛運維和緊急呼叫等系統(tǒng)。上述系統(tǒng)均需與外界進行聯(lián)動，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30 Mbit/s 的傳輸帶寬的支持[8]。目前我國各地的城軌通信制式不一，新老線路的數(shù)據(jù)互通、跨線運營以及不同制式之間的互聯(lián)互通等問題就會出現(xiàn)；在一定時期內(nèi)，需要寬窄帶通信進行融合，并在業(yè)務(wù)上混合編組、統(tǒng)一編號、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]。

隨著列車智能運維技術(shù)的發(fā)展，更多的車載監(jiān)控應(yīng)用需要進行無線數(shù)據(jù)傳輸。例如，智能列車診斷、智能運程下載、自動弓網(wǎng)關(guān)系監(jiān)視等，這些新型智能化應(yīng)用對傳輸帶寬的需求越來越高。綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為承載列車運營安全的關(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)迅猛增長的數(shù)據(jù)提供了新的研究思路和設(shè)計方向。城軌交通的快發(fā)展、高需求也將為通信技術(shù)帶來新的驅(qū)動力。

2.3 人工智能驅(qū)動下的通信需求

計算機計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器學(xué)習(xí)在計算機視覺、自然語言處理、語音識別、機器人和智能交通等領(lǐng)域中取得了較大的成功[10]。特別是深度強化學(xué)習(xí)（2eep reinforcement learning，DRL）算法的提出，其將強化學(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)問題，對復(fù)雜問題進行決策與判斷，利用DL 的深層感知能力進行復(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，如列車運行線路固定，車站位置固定，軌道列車在無人駕駛領(lǐng)域能夠發(fā)揮其巨大的優(yōu)勢。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輸效率，需要進一步縮短列車追蹤間隔。傳統(tǒng)T2G 架構(gòu)下的列控系統(tǒng)由于時延、可靠性等參數(shù)無法滿足進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。列車編隊旨在從系統(tǒng)層級的角度全方位感知線路中每輛列車的動作及位置，通過全局視野，能夠在保證列車運行安全的基礎(chǔ)上，將追蹤間隔縮短。列車編隊建立在T2T 通信的基礎(chǔ)上，是實現(xiàn)無人自動駕駛與控制的基礎(chǔ)技術(shù)之一。而無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狀態(tài)所導(dǎo)致的信道時變特性會使得通信傳輸性能劇烈下降,因此可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)管理，在動態(tài)變化的無線環(huán)境中對網(wǎng)絡(luò)的各個參數(shù)進行優(yōu)化。這類動態(tài)環(huán)境中的最優(yōu)決策問題，與DRL 的設(shè)計目標(biāo)相契合[15]。DRL 也是智能無線通信的重要賦能者之一。DRL 強大的學(xué)習(xí)和決策能力可以對城軌通信網(wǎng)絡(luò)進行智能管理，使其在復(fù)雜的通信場景下可以對不同應(yīng)用的服務(wù)需求進行精準(zhǔn)匹配，最終提高網(wǎng)絡(luò)的實際傳輸承載能力。通過引入DRL算法，可以對城軌無線通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及列車控制參數(shù)進行優(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營效率瓶頸的重要途徑之一。憑借人工智能技術(shù)強大的特征提取、優(yōu)化等算法，能夠極大地促進通信資源充分利用以及控制策略性能提升，保障高效、低能耗的城軌運營形態(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)、移動邊緣計算技術(shù)、人工智能與列車編隊技術(shù)這3個角度對城軌智慧通信關(guān)鍵技術(shù)進行闡述，同時結(jié)合最新的研究進展，指出未來“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)，通過競爭接入的方式使用2.4 GHz 非授權(quán)頻段傳輸列車運行狀態(tài)以及控制命令，具有開放、進步、融合的技術(shù)發(fā)展路徑。WLAN 技術(shù)共用開放頻譜資源、方便認(rèn)證接入、支持移動及寬帶接入等性能。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現(xiàn)的是一種連續(xù)自動列車控制系統(tǒng)[18]。基于WLAN 的CBTC 系統(tǒng)能夠同時承載列車運行監(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)先分配以及較強的抗干擾能力等需求。

基于通信的列控技術(shù)會隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展進行演變和更替。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的發(fā)展需求，不斷推動其向智能化、信息化發(fā)展。目前已經(jīng)投入運營的基于WLAN 的列控系統(tǒng)，其性能受非授權(quán)頻段干擾，列車緊急制動事件時有發(fā)生。為了解決這一問題并提升CBTC 系統(tǒng)性能，城市軌道交通協(xié)會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）保障機制，針對系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)選擇具有不同QoS 性能保障的數(shù)據(jù)鏈路并分別進行任務(wù)承載，一定程度上能夠為乘客提供安全可靠的服務(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)對于可靠性和實時性的需求，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)承載的重點研究對象。參考文獻[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題，提升頻譜效率。5G系統(tǒng)的目標(biāo)是實現(xiàn)無縫、可靠的全球互聯(lián)互通，解決網(wǎng)絡(luò)發(fā)展困境，滿足未來社會的大數(shù)據(jù)需求[21]。城軌交通列車乘客流量大、換乘頻率高、運行速度快等特點對承載數(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)用場景：增強移動寬帶（enhance2 mobile broa2ban2，eMBB）、超高可靠低時延通信（ultra-reliable low-latency communications，uRLLC）以及海量機器型通信（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)，例如軌道沿線的實時視頻監(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)，無須再進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，通過列車間的交互、軌旁資源的控制等方法實現(xiàn)列車的自主安全運行控制[23]。

基于T2T 通信的CBTC 系統(tǒng)是更高層級的信號控制系統(tǒng)，它使得城軌交通網(wǎng)絡(luò)中“左右、前后”多個列車之間互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)運行，是新一代具有更高可靠性、更高運行效率、更節(jié)省時間、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[24]提出了一種基于T2T 通信的CBTC 系統(tǒng)，并且對該系統(tǒng)的核心功能進行了介紹與分析。參考文獻[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，增強系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性。由此看來，城軌列車之間直接通信能夠保障列車更加可靠穩(wěn)定運行，提升運營效率，是未來發(fā)展和研究的趨勢。

T2T 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖2 所示，通過T2T通信，每輛列車都可以獲取其相鄰列車的狀態(tài)信息，自主計算并生成移動權(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)備得到了簡化，其僅包含自動測試系統(tǒng)（automatic test supervision，ATS）、列車管理中心（train manage center，MC）、對象控制器（object controller，OC）以及軌旁信號基礎(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，例如列車的注冊與取消、列車信息存儲和轉(zhuǎn)發(fā)等。OC 作為簡單的對象狀態(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)獲取信號燈和開關(guān)等基礎(chǔ)信號設(shè)備的狀態(tài)，并傳達相關(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，通信資源（如信道資源）會出現(xiàn)搶占問題，同時也會出現(xiàn)資源分配沖突問題，從而導(dǎo)致編隊列車控制問題的出現(xiàn)。

圖2 T2T 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

3.2 移動邊緣計算技術(shù)

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)場景下，無線傳輸空口資源有限，系統(tǒng)帶寬以及時延等指標(biāo)依然無法滿足當(dāng)前城軌交通運營的業(yè)務(wù)場景需求，存在鏈路資源短缺、吞吐量低、傳輸時延高等問題。為了進一步對城軌無線通信系統(tǒng)進行優(yōu)化，滿足超大帶寬、海量鏈接、超低時延、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)器自身具備的計算、存儲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)時延，提高了通信資源使用效率，優(yōu)化現(xiàn)有通信系統(tǒng)，實現(xiàn)通信、計算與存儲資源的高效融合以及彈性分配。參考文獻[27]提出在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中部署MEC 服務(wù)器，并通過實際網(wǎng)絡(luò)試驗結(jié)果顯示該部署方案能夠有效提升傳輸速率、減小傳輸時延。盡管該文獻是從高速鐵路的角度進行分析的，但提出的架構(gòu)和相關(guān)策略只要進行適當(dāng)調(diào)整也可為其他場景（例如城市軌道交通場景）提供支持。

未來軌道移動通信網(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有效的處理，達到提升無線傳輸穩(wěn)定性和降低時延的目的，并最終提升用戶體驗。另外，基于MEC 技術(shù)的城市軌道交通系統(tǒng)中，列車實時感知的道路狀況、障礙物和周圍環(huán)境等信息可通過MEC 技術(shù)實現(xiàn)快速計算和傳輸，從而預(yù)測下一步該如何行駛，進而提升列車全自動駕駛的可靠性。采用MEC 輔助的城軌通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以在通信、娛樂、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)維護和RIoT等多個方面給予支持，為相關(guān)業(yè)務(wù)提供低時延、高帶寬的運營環(huán)境。

圖3 未來軌道移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3 人工智能與列車編隊技術(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)，從而得到運營效率高、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 鏈路之間可能會出現(xiàn)資源復(fù)用的問題，使得頻譜資源更加緊缺，給城軌通信系統(tǒng)帶來了更大的壓力。

為了解決T2G 與T2T 之間同頻干擾問題，針對T2T 通信資源分配問題，提出了一種基于多智能體深度強化學(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智能體，智能體與環(huán)境進行交互后獨立地選擇下一步的動作，實現(xiàn)信道資源的有效分配。與參考文獻[14]模型類似，假設(shè)如圖2 所示的T2T 通信場景，仿真所需的詳細(xì)參數(shù)見表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)量會帶來更多的同頻干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的增加速率變慢。仿真結(jié)果驗證了MADRL 算法在通信資源分配場景的優(yōu)越性，該方案可以有效解決頻率資源緊張、同頻干擾等問題。

在類似于T2T 通信架構(gòu)的系統(tǒng)中，編隊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)用實例，例如艦艇編隊、戰(zhàn)機編隊等。通過編隊技術(shù)可以發(fā)揮系統(tǒng)內(nèi)各組成部分的最大優(yōu)勢，提升系統(tǒng)整體性能。早在2014 年“Shift2Rail”項目問世以來，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)可以實現(xiàn)更加靈活的列車編組控制。列車協(xié)同編隊以T2T 通信為技術(shù)基礎(chǔ)，以自動控制和駕駛為操作手段。T2T 通信架構(gòu)下的列車協(xié)同編隊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，在列車協(xié)同編隊系統(tǒng)中，每輛列車在高精度定位技術(shù)下，可以知道自己所運行的準(zhǔn)確位置。通過T2T 通信，相鄰列車周期性地獲取彼此的位置和速度，基于這些信息進行列車追蹤，可以進一步縮短列車行車間隔，提升城軌運營效率。

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)同編隊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著我國城軌交通的快速發(fā)展，行業(yè)信息化建設(shè)也已進入快速發(fā)展階段，高速、穩(wěn)定的通信業(yè)務(wù)需求不斷產(chǎn)生和擴展，自動駕駛、RIoT、高清視頻監(jiān)控、列車信息實時遠程監(jiān)測、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，全國城軌交通發(fā)展條件、起步時間、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“智慧城軌”的發(fā)展與完善。

4 技術(shù)與挑戰(zhàn)

本節(jié)首先對采用不同技術(shù)架構(gòu)下的通信系統(tǒng)進行橫向?qū)Ρ龋姳?。接著分析、討論并提出了一種未來城軌通信網(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)對比

4.1 無線通信覆蓋

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，也帶來了無線覆蓋的問題。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，從而追蹤移動中的列車，同時大幅提升系統(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。但列車較高的移動速度給波束搜索帶來一定的阻礙，波束可能無法實時進行調(diào)整、對齊[30]，這極大地影響了通信傳輸?shù)馁|(zhì)量，需要對波束、列車移動性進行聯(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)的頻繁切換問題也將更加嚴(yán)峻[31]。由于城軌場景較高的復(fù)雜性，毫米波頻段帶來豐富帶寬資源的同時，可能會因為某些遮擋地形環(huán)境帶來短時的鏈路中斷，從而造成巨大的安全隱患以及經(jīng)濟影響[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，在新的移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，T2T 通信以及邊緣計算設(shè)備可以保證一些時延敏感型業(yè)務(wù)的需求，提升無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，但勢必也會引入邊緣設(shè)備的覆蓋和切換問題。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警告和碰撞預(yù)警時可能不需要很高的帶寬，但預(yù)計未來其他應(yīng)用可能需要系統(tǒng)具備較高的傳輸速率，如列車自動駕駛所需的自動巡航控制。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)所帶來的接收信號信噪比的大幅度提升，可以保障T2T 通信的可靠性，這進一步促進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)計和傳播測量在參考文獻[33]中也得到了驗證。

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，通過將相互重疊的不同類型網(wǎng)絡(luò)融合，可以滿足未來城軌交通的業(yè)務(wù)多樣性需求。目前存在一個服務(wù)對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的現(xiàn)象；為了能夠同時接入多個網(wǎng)絡(luò)，移動終端應(yīng)當(dāng)具備可以接入多個網(wǎng)絡(luò)的接口，這便涉及在不同網(wǎng)絡(luò)之間的切換問題。這種為各類業(yè)務(wù)建立不同獨立網(wǎng)絡(luò)的方式，無法實現(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)維護成本，同時也不利于未來城軌交通業(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)，距離未來可能使用的基于T2T 通信的列控系統(tǒng)還有很長一段路。在這一演進過程中，必然會存在T2G 和T2T 通信共存的局面。此時，T2G和T2T 通信的協(xié)同問題影響著列控系統(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)對時延和可靠性等性能的需求，應(yīng)設(shè)計出一個恰當(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完成更復(fù)雜的任務(wù)這一理念開始被人們普遍認(rèn)同。與單個系統(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。因此在T2T 通信場景下，可對多輛行駛方向、運行狀態(tài)和路線一致的列車進行編隊控制，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)計任務(wù)之后，多列車編隊控制問題便轉(zhuǎn)化為多輛列車之間行為的相互協(xié)作問題，即多列車之間相對運動狀態(tài)控制問題的研究。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)，運營的方式、設(shè)備供應(yīng)商數(shù)目繁多，通信信號制式和接口種類并非統(tǒng)一，資源無法進行共享，各線路列車無法互聯(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)帶來了極高的維護成本與培訓(xùn)成本，無法為乘客帶來良好的乘坐體驗。互聯(lián)互通能夠?qū)崿F(xiàn)城軌列車跨線路運行，對應(yīng)列車的通信、信號、運營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設(shè)備，但由于成本過于高昂，可實施性較低。統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的通信信號互聯(lián)互通設(shè)備是未來發(fā)展的方向；基于統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，不但可以保護各個廠商的核心技術(shù)與知識產(chǎn)權(quán)，還可以形成良性循環(huán)的產(chǎn)業(yè)鏈，促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

4.3 安全與效率

軌道交通安全運營是軌道交通發(fā)展的重中之重，其永恒不變的主題包含綠色、安全和高效，但是軌道交通運營效率與安全本質(zhì)上存在著一定程度的沖突。隨著無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)對未來可預(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，因此對其運營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)非正常的情況都會導(dǎo)致全線列車的混亂甚至癱瘓，因此需要整個系統(tǒng)各子功能模塊高度協(xié)作，這就要求在各類技術(shù)發(fā)展的同時加大安全系統(tǒng)設(shè)計力度并對其協(xié)作方式進行優(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)實現(xiàn)部分線路的全自動駕駛，未來智能城軌交通系統(tǒng)也將更大程度地采用自動控制、遠程監(jiān)控的駕駛模式。與此同時，故障監(jiān)測和診斷技術(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)與時俱進，共同營造一種安全、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)險降至最低，這對智能化、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

新型通信技術(shù)的快速發(fā)展，為城市軌道交通開啟萬物互聯(lián)的智慧軌道交通時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角度出發(fā)，介紹了不同驅(qū)動因素下城軌通信技術(shù)的發(fā)展以及未來的演變趨勢。同時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)和列車編隊技術(shù)。通過采用新型通信技術(shù)與機器學(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；在滿足一些未來潛在軌道交通業(yè)務(wù)需求的同時，保持高質(zhì)量的用戶體驗。此外，也對未來城軌交通發(fā)展的挑戰(zhàn)進行了分析與討論。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，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)換代升級。我國城軌交通向智能化發(fā)展勢在必行。