高速动车组中5G技术应用探讨
张月辉
摘 要 随着中国高速轨道交通的快速发展以及5G技术在国内的快速建设，如何更好地在高速动车组上应用5G技术，已成为当前需考虑的问题，文章将现阶段高速动车组车地通信技术应用与5G技术特点和可预见的5G技术应用结合，探究5G技術实际应用的可行性及存在问题，为后续5G技术在相关轨道车辆中的应用提供研究方向。
关键词 5G通信技术 高速动车组 车地通信
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）02-0004-02
在“八纵八横”高速铁路网的规划下及以“国之重器”为引领，塑造高速动车组国内“创新引领者”、国际“创新推动者”的品牌建设战略下，5G通信技术的发展，将成为高速动车组自主创新、协同创新，推进厂供一体化科技创新体系完善，加快新能源、新材料、环境治理、动力装置等新产业技术和产品研发，促进传感、网络传输、人工智能、信息物理融合等技术研究与应用，不断提升产品智能化水平强有力的保障和必备条件[1]。
1 5G通信技术较4G通信技术的优点
相比4G网络，作为新一代移动通信技术，5G移动通信网络具有增强移动带宽eMBB、超可靠低时延uRLLC及广覆盖大连接mMTC三大特点。5G技术的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。基于5G技术的车地通信，可以实现更高速率、更低时延的数据传输。
2 5G通信技术对高速动车组的重要性
国内轨道交通无线通信系统的迅速发展，实现了车载数据实时落地通信功能，使高速动车组具备远程监控能力，为远程技术支持及动车组健康状态监控提供了基础。而5G通信技术可以在保证数据传输可靠性的基础上，进一步缩短信息传输的时间、提高传输信息密度及信息量，从而为高速动车组的正常运行提供了更丰富且坚实的保障。
无线通信技术在保证信息传输的及时性和可靠性的同时，在一定的程度上大大地提高了动车组故障处理能力。除此之外，5G通信技术的发展，还将进一步推进物联网发展，而基于高速动车组网络信息安全的导向，可研究其装置部件单向信息联网;而5G通信技术应用推广，必将提高高速动车组的全寿命检修模式、促进轨道交通产业升级，从而推进轨道交通产业发展的深度与宽度，乃至向互联网企业转型[2]。
3 5G通信技术在高速动车组的应用
3.1高速动车组现状概况
中国高速动车组从引进吸收到现在的“八纵八横”高铁运输网络，设置并积累了各类部件、各种维度的海量数据、丰富多样的一二级检修技术、不断完善的高级修检修数据、种类多样的系统装置运行数据、动车组自身数据监测监控数据、地面实时检测技术数据、车地通信数据、CTCS2/3级列车自动保护系统、司机防猝死/监控技术等等。但是此类技术未实现数据共享及贯通，或仅实现了部分现车数据落地，同时也受限于4G通信技术的传输速度、高铁线路上的城市智能化发展和高铁站点智能配置等。
3.2 5G通信技术的应用
基于高速动车组通信技术应用现状和限制及5G技术较4G通信的优势，通过制定相同构架、数据格式统一和建立共享合作交互的数据，由国铁集团牵头数据采集、传输、存储，各企业/路局各单位共同配合，通过企业/路局各单位内网、国铁机辆平台、互联网数据、城市智能化发展等载体。不断完善企业/路局各单位重要系统部件数据采集和传输范围，充分利用互联网数据，并结合城市发展规划，实现高速动车组在制造/运营等各个环节、列车各相关部件的监控和检测数据的落地回传和地面检测异常推送、智能化列车、影音体验/高铁网与城市网协同发展等，实现动车组制造企业以检修数据、故障预测数据为依托建立的运用安全模型共享，指导保障动车组现车运用、检修预测、故障预警和数字化视情维修建议，实现依托高速动车组网络的城市智能化推广建设和依托城市智能化发展的高速动车组智能化体验;确保动车组运用安全，降低检修运用成本，支撑优化设计和修程修制改革，支持高速动车组与城市网络的智能化发展。以下是对系统功能可提升、可预见的应用进行探究。
3.2.1 提升数据落地质量
高速动车组已实现故障数据、列车运行数据、实时检测数据落地，但数据传输时间间隔长（10s乃至30s一次）、数据传输量小、数据落地稳定性不高，而5G技术应用可提高数据落地稳定性、增大数据量、缩短数据传输间隔。
3.2.2 提升乘坐体验
结合互联网产业发展，打通乘客信息、城市景点信息、互联网信息与列车影音娱乐的连接，提升乘坐体验，如身份（人脸）识别与座位提醒/到站提醒、城市景区推送及VR虚拟体验、海量互联网视讯资源、列车智能餐饮等等。同时需身份识别设备、VR设备产业等配套发展，城市旅游业等协同开发及发展。
3.2.3 丰富远程监控数据种类
高速动车组已实现车地通信的故障数据、列车运行数据、轴温检测数据和侧重于4G通信传输速率可支持的故障导向的数据。基于5G技术，可进一步建立完善高速动车组关联数据贯通，实现列车运行数据的实时接收、数据处理和数据呈现，提供列车运营监控、状态监控和历史数据查询，实时获取铁路地面检测相关数据（如THDS-红外线轴温探测系统、TFDS-车辆轮对故障/尺寸动态检测系统、TCDS-客车运行安全监控系统、TEDS-动车组运行故障动态图像检测系统）进行车底设备状态判断，列车运行数据下载、基于温度转向架故障预测和制动不足故障预测等。
一是利用5G技术解决以往网络存在的带宽及传输速率的限制的数据回传，如受电弓视频监控数据、走线部件的稳定性数据、配电柜烟雾浓度及烟火报警数据。二是丰富监控数据种类，通过监测动车组装置部件及可输入信息的监测，提升运用维护技术、全寿命周期数据收集及预测技术，如蓄电池电压监测及寿命评估、基于运行里程的检修周期智能提醒、动车组参数设置纠错提醒、线路环境信息智能提醒。三是将地面轨道铺设如TEDS、THDS等5T系统数据实时传至车辆信息，并进行异常推送系统，同时异常信息可传输至各动车组造修企业进行信息共享。
3.2.4 物联网技术与产业升级
5G技术将是智能动车组的重要应用，动车组需要监控维护的设施众多，运用秩序及运用安全、维护任务繁重，可利用物联网技术采集各类设备状态信息，回传到至地面系统监测处理。一是动车组供应商利用互联网思维，升级产品，实现动车组各系统装置软硬件信息检测，通过车地通信传输至地面系统，进行履历信息智能收集及变更管理，推送检修修程建议、精细化管理检修内容;二是实现车载设备软件远程升级，减少驻站到站升级场景，缩减人员物资成本。
3.2.5 列车运行控制车载设备
现有动车组主要采用CTCS-2/3列控系统，实施闭塞区间运行管理，可将5G通信 技术应用到了列车控制系统中。通过5G通信端到端通信技术，让列车设备间的数据通信不需要基站的传输，作为冗余通信方法。当列控系统出现故障的时候，它可以让列车直接相互通信，并相互报告各自的位置信息以及运行状态信息，辅助保障列车的安全运行。
4 存在的问题
4.1 系统性价比问题
5G系统频率高、传输衰减增加、部署更密集，在小基站、大规模天线阵列的部署上将会产生大量的设备投资。中国高铁长度长、地理范围广，5G设备基站建设及高铁线路全覆盖实现，需要国家、铁路整体规划投入。5G发展初期的投资、性价比将是重点考虑问题。
4.2 配套装置的协同发展
实现监控数据的多样性、乘坐体验升级，需要高铁产业、配套供应商产业协同发展，基于互联网思维，从整车技术、终端装置、地面数据中心、运维管理系统共同升级。
4.3 系统安全问题
监控数据多样性、更多终端装置接入、车地双向数据交互等都对系统的信息安全、服务器承载带来极大的压力，需研究设计数据防护措施和影音信息的过滤机制，乃至建立互联网信息与车载网络信息两套完全独立的通信网络，避免关键运营系统和重点设备受到威胁和攻击、消除不良公共影音资讯的传播，需要深入的研究和探讨。
5 结语
基于5G技术和下一代智能动车组发展，利用物联网技术和设备监测控制技术可以加强对高速铁路系统的信息管理和服务，促使高速轨道交通由被动维护变为智能监管、由传统乘坐变为主动体验式，可以实现动车组列车运行实时监测、走形及牵引视频监测、部件健康状态监控、运用维修维护提醒、线路环境信息管理、智能座显、途经城市景点虚拟体验等，进一步提高了动车组在线运行秩序、维护效率、娱乐体验。随着5G技术、互联网产业及智能动车组的发展，高速动车组将朝着乘坐更舒适、更绿色、更智能，运行更快速、更安全，检修更及时、更精准、更高效发展[3]。
参考文献：
[1] 艾渤，马国玉，钟章队.智能高铁中的5G技术及应用[J].中兴通信技术，2019，25（06）：42-47.
[2] 高翔.5G移動通信技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用[J].城市轨道交通研究，2018，21（02）：61-64.
[3] 陆诗钊.城市轨道交通中5G通信技术的应用探讨[J].中国新通信，2020（02）：37-38.
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛
