轨道交通大数据系统的应用与开发技术研究

孙桂华，杨振宇，孟凡辉

（1.南瑞轨道交通技术有限公司，江苏 南京 210031；
2.昆明地铁运营有限公司，云南 昆明 650000）

随着科学技术的不断发展与进步，轨道交通无线大数据系统也向着多元化方向发展。因此，在结合技术要点建立健全更加规范的技术运维机制、整合技术要素的同时，维持轨道交通无线大数据系统的安全运行。

轨道交通无线大数据系统旨在保证列车安全运行的同时，为乘客提供便捷化服务。利用专网无线系统建构的大数据运行控制模式，具有功能强、覆盖范围广等特点，能为轨道交通规范化的科学运营提供良好的空间，而且配合及时的调度处理工作环节和智能监控环节就能最大限度上满足实际运营需求。在轨道交通无线大数据系统中，闭路电视监控系统、移动电视、信号系统、基于通信的列车控制系统（Communication Based Train Control System，CBTC）、大数据系统以及乘客信息显示系统（Passenger Information Display System ，PIDS）等都能发挥其实际作用。从可靠性、公网无线系统等多元化因素的角度分析，轨道交通无线大数据系统要整合具体技术内容，以满足协同大数据管理的目标，更好地保障大数据质量，为综合化管理水平的优化提供支持[1]。

2.1 LTE-M 轨道交通车地综合大数据技术

主要是建立基于长期演进的物联网技术（Long Term Evolution-Machine to Machine，LTE-M），以便于能承载城市轨道交通的相关业务。LTE-M 轨道交通车地综合大数据系统如图1 所示。

图1 LTE-M 轨道交通车地综合大数据系统

（1）LTE-M 轨道交通车地综合大数据系统能满足列车运行的业务控制。系统对车辆运行速度、制动方式等予以实时性监督管理，搭配合理性的控制调整方案就能实现不同等级的管理。首先，无连续监督状态下的人工驾驶运行模式对列车进行特定位置、特定速度的实时性监督，属于点式控制；
其次，连续监督状态下的人工驾驶运行模式，列车运行系统连续监督列车的实时性速度，等同于列车自动保护系统（Automatic Train Protection，ATP）；
再次，半自动运行，相当于列车自动驾驶系统（Automatic Train Operation，ATO），自动化程度得以升级；
最后，无人监督运行模式，列车上不安排相应的工作人员。

（2）技术满足集群调度语音业务。主要支持个呼、电话互联、组呼以及广播处理等业务，并配合集群调度语音业务处理模式，更好地实现点对点短消息的控制处理，保证传输业务管理效能最优化[2]。与此同时，支持告警输出接口处理，并将系统告警信息直接关联到第三方设备。

（3）乘客紧急呼叫业务以及列车广播业务。借助无线大数据接口，能满足实时性语音业务处理需求，配合列车紧急文本完成服务指令的下发，并且能完成列车运行状态监测业务，为列车安全管理效果最优化提供支持。

例如，郑州市轨道交通就利用LTE-M 轨道交通车地综合大数据技术建立了对应的控制模式，满足高清化车地无线传输需求的同时，借助匹配轨道应用场景的增强覆盖技术实现各个区域内信息交互管理的实时性控制。另外，配合城市轨道交通自动售票（Automatic Fare Collection，AFC）频偏纠正技术满足高速运行场景下数据稳定传输的要求，在综合评估无线规划方案的同时，为轨道交通提供了20 Mb/s 的下行无线带宽服务。最后，应用LTE-M 轨道交通车地综合大数据模块，支持铁路数字通信移动系统（Global System for Mobile-Railway，GSM-R）和LTE 双模车载台并行管理[3]。

2.2 5G 技术

轨道交通智能化发展具有实践意义，利用5G 技术优势，发挥增强型移动带宽、超高可靠低时延以及大规模机器类大数据等作用，建立完整的大数据运行管理模式。5G 技术在满足基础大数据需求的同时，整合技术流程和控制标准，维持综合化智能管理控制工作的效能。

2.2.1 关键技术

（1）网络切片技术。网络切片技术如图2 所示，基于5G 面向垂直行业的要求，建立能匹配不同应用场景的网络单元，实现端对端的灵活化分配，并且虚拟出不同特性的逻辑子网，实现信号的多元化处理。不仅能满足轨道交通业务性能需求，而且能打造可靠性和安全隔离规范性运行体系[4]。

图2 网络切片技术

（2）大规模多天线技术。利用多用户波束成形的基本应用原理，借助空间信号隔离操作，更好地完成同一频率资源结构上不同信号的传输处理，充分发挥频带资源优势，实现空间复用的灵活性发展。最关键的是，为轨道交通环境下无线信号的覆盖提供技术支持[5]。

（3）超密集组网技术。配合5G 应用要求，满足轨道交通线状覆盖的基本需求，避免信号在高速运行中频繁切换造成损耗。一般是在轨道交通车辆段、停车场或者是大型车站采取此项技术，为无线系统容量提供扩展管理[6]。

5G 技术在实际应用环境中，利用宏网覆盖处理机制，配合载波聚合处理环节，更好地解决传统技术体系中覆盖率和速度受限等问题；
整合具体应用模式，打造更加可控的运行管理机制，配合使用链路预算分析流程，提高业务信道控制的基本水平，实现信号增强化管理。整合具体的应用内容，满足实时性控制标准，真正意义上促进轨道交通的可持续发展。

2.2.2 业务内容

基于5G 技术的优势作用，建立更加可控化的轨道交通业务管理体系，实现多元化管理目标，维持综合业务监管控制的平衡。

第一，能实现可视化行车管理。配合5G 技术的应用环节，实现高清视频回传操作。借助列车上安装的高清视频监控设备及时采集相关信息数据，维持轨道交通管理流程的可视化水平，并打造更加可控且科学的运行监管平台，快速发现问题并及时纠正[7]。

第二，智慧安检模式，多数轨道交通采取的是单站处理模式，安检数据一般支持本地查询，而安检集中判图平台能发挥5G 技术优势。打造数据和视频实时性回传数据中心的目标，进一步实现数据共享、联网管理以及快速联动响应等目标。

第三，智慧出行。借助5G 技术就能建立人脸识别和物联网感知模块，乘客利用刷脸的方式过闸通行，并且配合技术流程实现大客流预测、列车车箱拥挤度查询以及站内商铺定位管理等，打造更加智能化和科学化的轨道交通联动控制体系[8]。

第四，智能运维。因为轨道交通结构涵盖的内容较多，并且车站内含有大量不同类型的设备，运维管理工作难度和强度较大，所以借助5G 技术能进行大数据的集中管理，配合物联网运行要求，打造设备数据库，及时采集设备设施的相关数据，回传到设备管理维护平台。依据数据预警和预防性维护管理要求开展相关工作，最大化提升资源利用率[9]。

第五，应急调度。该业务功能利用5G 技术中视频分析功能、智能传感功能等，对出现的安全隐患问题予以及时触发报警，联系车站内工作人员开展相应的救援工作，确保紧急疏散等流程顺利展开，更好地实现应急调度管控目标。

2.3 CBTC 系统

为保证轨道交通列车运行安全，CBTC 系统一般分为车载设备控制技术体系和轨旁设备控制体系，借助无线大数据的方式建立相应的数据交互模式，共同打造可控化数据监管运行平台，从而维持城市轨道交通无线大数据系统的综合应用效能。其中，CBTC 系统支持列车行驶路径安全性检查，并能完成列车移动授权处理工作，实现车地信息双向传输处理的同时，按照子系统功能处理标准更好地维持自动监督管理的可控性和合理性。

在CBTC 系统运行环境中，能打造列车自动监督子模块、列车自动防护子模块、列车自动驾驶子模块、计算机联锁模块、大数据模块以及控制器模块等，配合子系统运行管理的基本需求，共同实现轨道交通无线大数据管理的目标。与此同时，轨道交通中CBTC系统的应用过程要依据故障和安全设计原则落实具体工作，针对涉及的安全数据利用大数据协议和安全通道等措施维持防护认证的可控性，更好地满足模块化处理的基本需求，建立闭塞制式状态下列车运行的控制管理方案，配合完善的冗余处理机制，就能满足系统的可用性管理需求[10]。

总而言之，轨道交通无线大数据系统的应用和管理具有重要的研究意义，要结合实际应用要求和规范选取适配技术内容，发挥5G 技术的控制优势，共同打造更加科学可靠的无线大数据管理模型，为轨道交通的可持续健康发展奠定坚实基础。

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