軌道交通大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應用與開發(fā)技術研究

孫桂華，楊振宇，孟凡輝

（1.南瑞軌道交通技術有限公司，江蘇 南京 210031；2.昆明地鐵運營有限公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發(fā)展與進步，軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)也向著多元化方向發(fā)展。因此，在結合技術要點建立健全更加規(guī)范的技術運維機制、整合技術要素的同時，維持軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的安全運行。

1 軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)概述

軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)旨在保證列車安全運行的同時，為乘客提供便捷化服務。利用專網(wǎng)無線系統(tǒng)建構的大數(shù)據(jù)運行控制模式，具有功能強、覆蓋范圍廣等特點，能為軌道交通規(guī)范化的科學運營提供良好的空間，而且配合及時的調(diào)度處理工作環(huán)節(jié)和智能監(jiān)控環(huán)節(jié)就能最大限度上滿足實際運營需求。在軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、移動電視、信號系統(tǒng)、基于通信的列車控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control System，CBTC）、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及乘客信息顯示系統(tǒng)（Passenger Information Display System ，PIDS）等都能發(fā)揮其實際作用。從可靠性、公網(wǎng)無線系統(tǒng)等多元化因素的角度分析，軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)要整合具體技術內(nèi)容，以滿足協(xié)同大數(shù)據(jù)管理的目標，更好地保障大數(shù)據(jù)質(zhì)量，為綜合化管理水平的優(yōu)化提供支持[1]。

2 軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術應用

2.1 LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)技術

主要是建立基于長期演進的物聯(lián)網(wǎng)技術（Long Term Evolution-Machine to Machine，LTE-M），以便于能承載城市軌道交通的相關業(yè)務。LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

（1）LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能滿足列車運行的業(yè)務控制。系統(tǒng)對車輛運行速度、制動方式等予以實時性監(jiān)督管理，搭配合理性的控制調(diào)整方案就能實現(xiàn)不同等級的管理。首先，無連續(xù)監(jiān)督狀態(tài)下的人工駕駛運行模式對列車進行特定位置、特定速度的實時性監(jiān)督，屬于點式控制；其次，連續(xù)監(jiān)督狀態(tài)下的人工駕駛運行模式，列車運行系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)督列車的實時性速度，等同于列車自動保護系統(tǒng)（Automatic Train Protection，ATP）；再次，半自動運行，相當于列車自動駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO），自動化程度得以升級；最后，無人監(jiān)督運行模式，列車上不安排相應的工作人員。

（2）技術滿足集群調(diào)度語音業(yè)務。主要支持個呼、電話互聯(lián)、組呼以及廣播處理等業(yè)務，并配合集群調(diào)度語音業(yè)務處理模式，更好地實現(xiàn)點對點短消息的控制處理，保證傳輸業(yè)務管理效能最優(yōu)化[2]。與此同時，支持告警輸出接口處理，并將系統(tǒng)告警信息直接關聯(lián)到第三方設備。

（3）乘客緊急呼叫業(yè)務以及列車廣播業(yè)務。借助無線大數(shù)據(jù)接口，能滿足實時性語音業(yè)務處理需求，配合列車緊急文本完成服務指令的下發(fā)，并且能完成列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務，為列車安全管理效果最優(yōu)化提供支持。

例如，鄭州市軌道交通就利用LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)技術建立了對應的控制模式，滿足高清化車地無線傳輸需求的同時，借助匹配軌道應用場景的增強覆蓋技術實現(xiàn)各個區(qū)域內(nèi)信息交互管理的實時性控制。另外，配合城市軌道交通自動售票（Automatic Fare Collection，AFC）頻偏糾正技術滿足高速運行場景下數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)囊螅诰C合評估無線規(guī)劃方案的同時，為軌道交通提供了20 Mb/s 的下行無線帶寬服務。最后，應用LTE-M 軌道交通車地綜合大數(shù)據(jù)模塊，支持鐵路數(shù)字通信移動系統(tǒng)（Global System for Mobile-Railway，GSM-R）和LTE 雙模車載臺并行管理[3]。

2.2 5G 技術

軌道交通智能化發(fā)展具有實踐意義，利用5G 技術優(yōu)勢，發(fā)揮增強型移動帶寬、超高可靠低時延以及大規(guī)模機器類大數(shù)據(jù)等作用，建立完整的大數(shù)據(jù)運行管理模式。5G 技術在滿足基礎大數(shù)據(jù)需求的同時，整合技術流程和控制標準，維持綜合化智能管理控制工作的效能。

2.2.1 關鍵技術

（1）網(wǎng)絡切片技術。網(wǎng)絡切片技術如圖2 所示，基于5G 面向垂直行業(yè)的要求，建立能匹配不同應用場景的網(wǎng)絡單元，實現(xiàn)端對端的靈活化分配，并且虛擬出不同特性的邏輯子網(wǎng)，實現(xiàn)信號的多元化處理。不僅能滿足軌道交通業(yè)務性能需求，而且能打造可靠性和安全隔離規(guī)范性運行體系[4]。

圖2 網(wǎng)絡切片技術

（2）大規(guī)模多天線技術。利用多用戶波束成形的基本應用原理，借助空間信號隔離操作，更好地完成同一頻率資源結構上不同信號的傳輸處理，充分發(fā)揮頻帶資源優(yōu)勢，實現(xiàn)空間復用的靈活性發(fā)展。最關鍵的是，為軌道交通環(huán)境下無線信號的覆蓋提供技術支持[5]。

（3）超密集組網(wǎng)技術。配合5G 應用要求，滿足軌道交通線狀覆蓋的基本需求，避免信號在高速運行中頻繁切換造成損耗。一般是在軌道交通車輛段、停車場或者是大型車站采取此項技術，為無線系統(tǒng)容量提供擴展管理[6]。

5G 技術在實際應用環(huán)境中，利用宏網(wǎng)覆蓋處理機制，配合載波聚合處理環(huán)節(jié)，更好地解決傳統(tǒng)技術體系中覆蓋率和速度受限等問題；整合具體應用模式，打造更加可控的運行管理機制，配合使用鏈路預算分析流程，提高業(yè)務信道控制的基本水平，實現(xiàn)信號增強化管理。整合具體的應用內(nèi)容，滿足實時性控制標準，真正意義上促進軌道交通的可持續(xù)發(fā)展。

2.2.2 業(yè)務內(nèi)容

基于5G 技術的優(yōu)勢作用，建立更加可控化的軌道交通業(yè)務管理體系，實現(xiàn)多元化管理目標，維持綜合業(yè)務監(jiān)管控制的平衡。

第一，能實現(xiàn)可視化行車管理。配合5G 技術的應用環(huán)節(jié)，實現(xiàn)高清視頻回傳操作。借助列車上安裝的高清視頻監(jiān)控設備及時采集相關信息數(shù)據(jù)，維持軌道交通管理流程的可視化水平，并打造更加可控且科學的運行監(jiān)管平臺，快速發(fā)現(xiàn)問題并及時糾正[7]。

第二，智慧安檢模式，多數(shù)軌道交通采取的是單站處理模式，安檢數(shù)據(jù)一般支持本地查詢，而安檢集中判圖平臺能發(fā)揮5G 技術優(yōu)勢。打造數(shù)據(jù)和視頻實時性回傳數(shù)據(jù)中心的目標，進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、聯(lián)網(wǎng)管理以及快速聯(lián)動響應等目標。

第三，智慧出行。借助5G 技術就能建立人臉識別和物聯(lián)網(wǎng)感知模塊，乘客利用刷臉的方式過閘通行，并且配合技術流程實現(xiàn)大客流預測、列車車箱擁擠度查詢以及站內(nèi)商鋪定位管理等，打造更加智能化和科學化的軌道交通聯(lián)動控制體系[8]。

第四，智能運維。因為軌道交通結構涵蓋的內(nèi)容較多，并且車站內(nèi)含有大量不同類型的設備，運維管理工作難度和強度較大，所以借助5G 技術能進行大數(shù)據(jù)的集中管理，配合物聯(lián)網(wǎng)運行要求，打造設備數(shù)據(jù)庫，及時采集設備設施的相關數(shù)據(jù)，回傳到設備管理維護平臺。依據(jù)數(shù)據(jù)預警和預防性維護管理要求開展相關工作，最大化提升資源利用率[9]。

第五，應急調(diào)度。該業(yè)務功能利用5G 技術中視頻分析功能、智能傳感功能等，對出現(xiàn)的安全隱患問題予以及時觸發(fā)報警，聯(lián)系車站內(nèi)工作人員開展相應的救援工作，確保緊急疏散等流程順利展開，更好地實現(xiàn)應急調(diào)度管控目標。

2.3 CBTC 系統(tǒng)

為保證軌道交通列車運行安全，CBTC 系統(tǒng)一般分為車載設備控制技術體系和軌旁設備控制體系，借助無線大數(shù)據(jù)的方式建立相應的數(shù)據(jù)交互模式，共同打造可控化數(shù)據(jù)監(jiān)管運行平臺，從而維持城市軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的綜合應用效能。其中，CBTC 系統(tǒng)支持列車行駛路徑安全性檢查，并能完成列車移動授權處理工作，實現(xiàn)車地信息雙向傳輸處理的同時，按照子系統(tǒng)功能處理標準更好地維持自動監(jiān)督管理的可控性和合理性。

在CBTC 系統(tǒng)運行環(huán)境中，能打造列車自動監(jiān)督子模塊、列車自動防護子模塊、列車自動駕駛子模塊、計算機聯(lián)鎖模塊、大數(shù)據(jù)模塊以及控制器模塊等，配合子系統(tǒng)運行管理的基本需求，共同實現(xiàn)軌道交通無線大數(shù)據(jù)管理的目標。與此同時，軌道交通中CBTC系統(tǒng)的應用過程要依據(jù)故障和安全設計原則落實具體工作，針對涉及的安全數(shù)據(jù)利用大數(shù)據(jù)協(xié)議和安全通道等措施維持防護認證的可控性，更好地滿足模塊化處理的基本需求，建立閉塞制式狀態(tài)下列車運行的控制管理方案，配合完善的冗余處理機制，就能滿足系統(tǒng)的可用性管理需求[10]。

3 結 論

總而言之，軌道交通無線大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應用和管理具有重要的研究意義，要結合實際應用要求和規(guī)范選取適配技術內(nèi)容，發(fā)揮5G 技術的控制優(yōu)勢，共同打造更加科學可靠的無線大數(shù)據(jù)管理模型，為軌道交通的可持續(xù)健康發(fā)展奠定堅實基礎。