基于5G通信的铁路车站作业自动通知系统研究

Research on Railway Station Operations Automatic Notification System Based on 5G Communication

摘要

利用具有大带宽、低时延、高可用、可调度特性的5G网络，连接站区运输生产业务系统、现场信息采集设备和人员携带的智能终端等，构建铁路车站作业自动通知系统，替代传统的人工电话通知模式，实现作业通知的智能生成、自动触发、及时可信传达和交互过程全程自动管控，可以达到平稳生产运行、提高作业效率、保障作业质量和安全、减轻人员劳动强度等应用效果。从需求分析入手，梳理铁路车站作业人员沟通交互的4个方面内容，提炼出作业通知的3种分类和通用的业务流程，针对当前存在的问题提出建设基于5G通信的车站作业自动通知系统的技术目标，指出需要研究的关键技术，即泛在与融合的高可用网络通信技术、车站作业实时数据在线自动集成处理技术、车站生产业务事件智能检测技术和车站作业通知交互过程自动管控技术，并对系统架构与功能实现等方面进行必要阐述。

Abstract

Leveraging a 5G network with high bandwidth, low latency, high availability, and scheduling capabilities, this paper constructed a railway station operation automatic notification system. The system connected station transportation business systems, on-site information collection devices, and smart terminals carried by personnel, replacing the traditional manual telephone notification mode. It achieved intelligent generation, automatic triggering, timely and reliable conveyance of operation notifications, and full-process automatic control of the interaction, thereby ensuring stable production operations, enhancing work efficiency, ensuring work quality and safety, and reducing labor intensity. Starting with requirement analysis, this study organized four aspects of communication and interaction among railway station operation personnel and distilled three types of operation notifications and a common business process. In response to existing issues, it proposed the technical objectives for establishing an automatic notification system for station operations based on 5G communication and identified key technologies for research. These include ubiquitous and integrated high-availability network communication technology, real-time data online automatic integration and processing technology for station operations, intelligent detection technology for station production business events, and automatic control technology for the notification interaction process of station operations. The study also provides necessary elaboration on the system architecture and functional implementation.

Graphical abstract

关键词

5G通信 / 铁路车站 / 自动化 / 智能化 / 通知系统

Key words

5G Communication / Railway Station / Automation / Intelligence / Notification system

0　引言

目前在车站运输生产作业过程中人员的交互协作，除了部分计算机系统参与外，主要依靠铁路调度通信系统(FAS)和450M Hz铁路无线电台进行，通信承载能力不足，无法满足多媒体信息的传输需要。另外，由于传统电话语音携带的信息裕度不够，加上受制于人员业务素质与工作强度等因素的人工驱动方式，常常造成作业通知的遗漏、误判、错报、滞后，严重影响运输生产的质量保证、安全保障与效率提升^[1-2]。

随着5G网络技术的成熟应用，基于其大带宽、低时延、高可用、可调度特性构建车站级的作业自动通知系统，将站区运输生产业务系统、现场信息采集设备和人员携带的智能终端等连接成为一个整体信息空间，实现作业通知的智能生成、自动触发、及时可信传达和交互过程自动管控，可替代传统的人工电话通知模式，满足车站运输生产平稳运行、提升效率、保证质量、保障安全、降低人员劳动强度等需要。

1　需求分析

1.1　业务概述

车站作业是指为保证完成运输计划和技术计划，对日常运输生产进行的具体安排和过程控制，主要包括行车作业、调车作业、客货运作业，以及为保障运输生产而进行的机务作业、车辆作业、施工维修作业等^[3-6]。车站作业过程中人员的沟通交互主要有4个方面内容：①调度指挥人员与现场作业班组的沟通，包括行车安全联控、作业任务布置、作业状态报告等；②调度指挥人员与机车乘务组的沟通，包括行车安全联控、机车进出站通报、机车站内加油通报、机车与乘组状态报告等；③调度指挥人员与施工现场的沟通，包括施工安全联控、施工过程通知、施工状态报告等；④现场作业人员之间的沟通与协作、作业安全防护等。

根据信息的重要程度和交互方式，作业通知可分为3种类型：①广播型通知，即对作业现场进行预告性或者提示性的广播周知，不需要特定人员应答；②告知型通知，即对特定人员或班组进行信息告知，需要应答，以确保信息及时准确传达至目标对象；③任务型通知，即对特定班组或人员进行任务布置，需要应答，以确保任务及时准确传达至目标对象，并要求任务承担者及时报告执行进度，或在执行异常时上报异常情况。

一般情况下，作业通知的交互过程按照“检出业务事件”“发起通知”“下达通知”“签认通知”“任务进度汇报(如有布置任务)”主干流程进行。如果出现异常情况，作业人员会根据需要下达新的通知，来取消或者替代之前的作业通知。车站作业通知的业务流程如图1所示。

1.2　存在的问题

作业工序交接和作业人员交互是对车站运输生产具有重大影响的关键环节。联系不畅、交接疏漏、责任不明、卡控不严等交互质效问题是导致生产效率低下、成本费用虚耗和安全事故发生的根源因素。

（1）由于站区大容量、高可靠、低时延无线通信设备的缺乏，人员沟通在许多场景下只能以语音通话为媒介，缺乏直观的多媒体信息即时交换，常常因为信息表述得不充分与不及时导致接受方误解、误判，引发本可避免的事故。

（2）由于站区有线网络与无线网络的分立、多种制式通信设备不能互通，导致通信渠道的碎片化，增加了信息沟通的难度和成本。

（3）基于人工判断与驱动的交互模式，受制于人员的业务能力、劳动强度、思想意识等因素，交互信息的准确性、时效性、完整性、充分性，以及交互过程受控性、可追溯性等无法得到可靠保证。

1.3　系统需求

为了解决上述存在的问题，在泛在与融合的高可用网络基础上构建集中、统一的车站作业自动通知系统，接入业务系统与采集设备数据，运用信息化、自动化、智能化的技术手段实现作业通知的智能生成、自动触发、及时可信传达，实现作业通知交互过程自动管控和事后可追溯，可以更好地满足生产业务需求。系统的技术目标如图2所示。

为了达成上述技术目标，需要采取以下技术措施。

（1）在站区布设大容量、高可靠、低时延的无线通信设施，并实现有线网络与无线网络之间的互联互通，为大量的多媒体信息即时交换提供可能。

（2）通过与站区生产业务系统、现场采集设备等建立接口，接入生产计划与站场动态信息，通过数据集成处理形成作业写实数据集，为作业通知交互的智能化与自动化功能提供基础数据支持。

（3）研究车站生产业务事件智能检测技术，部分替代目前的人工判断业务事件方式。

（4）研究作业通知交互过程自动管控技术，部分替代目前的人工驱动通知交互方式。

2　关键技术

根据需求分析可知，车站作业自动通知系统的关键技术主要有如下4点。

2.1　泛在与融合的高可用网络通信技术

网络通信系统相当于人体的血液系统，其高效可靠运行对整个系统来说至关重要。基于成本、效益与施工难度等方面的考虑，目前铁路车站专用通信网络的覆盖往往限于核心区域与关键设备，部分现场的人员与设备处于通信盲区或死角，阻碍了很多业务对信息化、自动化与智能化技术的应用。

随着具有大带宽、低时延、高可用、可调度等特性的5G通信技术的成熟，铁路5G-R专网建设正逐步推进。因此可以考虑将车站部署为5G-R专网的一个应用节点。一种基于5G-R的车站通信系统架构如图3所示。

图3中，边缘计算MEC的部署可以使数据的路由、计算、处理和存储更加靠近现场，实现本地业务数据实时分流、快速处理，既可提高数据传输的实时性、安全性和可靠性，又可减轻数据回传对承载网的压力。另外，通过MEC还可实现本地有线网络业务与无线网络业务之间互联互通。

车站通信系统的另一个可行方案是利用5G公网，以网络切片、边缘计算等技术为依托，为车站生产业务提供承载能力。一种基于5G公网的车站通信系统架构如图4所示。

相较前一方案，本方案的优点是不受5G-R专网建设进度制约，可利用5G公网资源并通过MEC下沉至车站提供“公网专用”般的优质QoS体验，缺点是通信质量不如5G-R专网可控，而且更加需要增强网络安全防护，防止来自移动互联网的攻击^[7-12]。

2.2　车站作业实时数据在线自动集成处理技术

接入车站业务系统和现场采集设备的主要目的是为业务事件智能检测提供源数据。由于车站作业过程中产生的数据分散在众多系统中，有着实时性强、数据海量、格式多样、关系繁复、质量参差不齐等特点，依靠人工方式进行数据采集、清洗、转换、稽核、融合等操作不具现实可行性，需要运用现代数据集成技术实现数据集成处理的自动化，形成一套车站作业实时数据在线自动集成处理框架如图5所示。

图5中最终的运算结果是数据场集合，亦即所谓的事实库。事实库中包含站场内所有作业相关实体全面而精确的写实数据。例如对一个列车对象来说，写实数据包括有关该对象的列车计划、调车计划、接发车预告、运行进路、经停线路、技检作业、调车作业、客货运作业、机务作业、车辆作业等。

2.3　车站生产业务事件智能检测技术

车站生产业务事件智能检测的实质，是根据车站生产过程中产生的诸多事实，按照业务逻辑自动推导某一事件是否发生。在时效性有严格要求的系统中进行专业性较强的事件检测，并且其检测结果还需参与系统的后续运算，那么在算法设计上则必须考量准确性、健壮性和收敛性要求，在算法原理上则需要考虑人类知识的指导^[13-14]。基于规则的专家系统能够有效运用专家经验和专业知识，通过模拟专家的思维过程，解决需要较多专业知识处理的问题，结合车站生产业务事件有限的状态空间，无疑是较为适宜的智能算法。基于规则的车站生产业务事件检测专家系统如图6所示。

2.4　车站作业通知交互过程自动管控技术

确保交互信息准确、完整、充分、及时、有效，并确保交互过程受控、完整，是车站作业通知交互过程管控自动化的目标^[15-16]。根据面向对象建模思想，一次作业通知可以看作一个对象，该通知对象具有生成、下达、签认、任务汇报、完成、中止等有限个状态，这些状态根据可知的条件和逻辑迁移至另一个确定的状态，十分符合有限状态机模型(FSM，Finite State Machine)的特征。因此可以基于FSM构建一种车站作业通知交互过程自动管控引擎，通过该引擎的不间断运转，将所有作业通知的交互过程纳入自动化管控。基于FSM的车站作业通知交互过程自动管控引擎如图7所示。

3　系统设计

3.1　系统架构

总体上，系统由通信网络、外接系统、服务器群组、用户终端4部分组成。系统总体架构如图8所示。

从应用的角度，系统分为本体与支撑2个层次，本体层包括后端服务和用户终端2个模块，支撑层主要为数据源系统与网络通信系统。系统应用架构如图9所示。

（1）网络通信，包括有线网络和无线网络，承载系统之间以及系统内部设备之间的通信服务。

（2）信息安全保障，部署于应用系统与网络系统之间，满足国家铁路信息安全标准的要求，纳入相关安全管理体系。

（3）周边系统，主要包括调度指挥、信号联锁、机车监控、驼峰自动化、道口自动化、TDCS/CTC等，为系统提供信号、进路、车次、邻站透明、调度计划等信息。

（5）采集设备，主要包括视频监控、卫星定位、智能穿戴等，为系统提供列车、机车、车辆、人员等的定位和图像信息。

（6）后端服务，包括数据接入模块、数据运算模块、信息发布模块、数据库、规则库。接入模块负责接入所需数据并存入数据库。运算模块负责数据和规则的复合运算，检测业务事件的发生，生成作业通知并存入数据库。发布模块负责发布作业通知，监控作业通知的交互过程，并将交互过程数据存入数据库。

（7）用户终端，包括室内终端、车载终端、便携终端、室外广播等。室内终端主要配予室内作业人员，车载终端配予机车司乘人员，便携终端主要配予室外作业人员。室外广播主要用于室外人员密集或环境嘈杂场所、道口、隧道等。

3.2　功能实现

（1）业务事件检测。系统自动对生产过程中发生的业务事件进行检测。

（2）发起通知。通知发起方式有2种，一是人工根据需要发起，一是系统检测到相关业务事件后自动发起。发起时通知者与接收者可以是一对一，也可以是一对多。系统应该为每个接收者生成对应通知，并分配同一个通知组号。人工发起的通知，通知者填写为其发起者；系统自动发起的通知，通知者填写为规则指定的监管者。

（3）下达通知。系统自动将已生成的通知纳入监控进程，并适时下达通知至接收者终端。通知的下达同样有人工与自动2种触发方式。

（4）签认通知。广播型通知由指定的广播点后台系统自动签收。指定了接收人的通知，只能由该接收人签认。对于未指定接收人的通知，特别是任务型通知，可设置为由作业班组长指定组内某一成员签认，或设置为组内任一成员自愿签认。

（5）任务进度汇报。在通知中布置了作业任务的，通知签认人需要进行任务进度或异常情况汇报。

（6）中止通知效力。需要中止通知效力一般发生在2种情况下：一是通知签认人鉴于某种状况发生导致通知中要执行的任务无法执行或者无法完成，报告了任务异常；二是通知发起者发现某种状况发生导致通知中要执行的任务需要取消，或者无法完成。

（7）通知展示与交互操作。对于广播型通知，实现通知的自动缓存、排序、播放。对于告知型和任务型通知，实现通知接收的文字和语音提示，实现通知内容的文字展示或语音播报，实现通知签收、当前任务切换、当前任务进度报告、当前任务异常报告等交互操作。

（8）通知信息查阅。有权限的工作人员能够按时序、班次、进度、是否终止、车次、股道、发起者、签收者等关联信息进行复合查阅。

4　应用效果分析

系统的应用对车站运输生产的运行、效率、质量、安全以及人员劳动强度等方面有着非常积极的影响。

（1）基于5G的高可用网络通信可覆盖站区所有作业场所，可将所有设备和人员纳入监控范围，能够避免意外的突发事故影响运输生产平稳运行。

（2）作业通知交互过程的自动管控和交互信息的高质量传递可尽量缩短交互过程耗时，减少交互频次，从而起到压缩作业时间、提高作业效率的作用。

（3）作业通知的智能生成与自动触发，以及交互过程的自动管控能够确保作业工序交接和作业人员交互处于高度可控状态，有效防止通知遗漏、误判、错报、滞后等现象发生，为作业质量与安全提供有力保证。

（4）作业通知的智能生成与自动触发，以及交互过程的自动管控能够给予作业人员便捷、无缝的交互体验，可以减轻人员劳动强度。

基于5G的铁路车站作业自动通知系统已在朔黄铁路黄骅港站的科研项目中试用。站场内的室外作业岗位和调机驾乘岗位均配备了智能终端，系统功能覆盖列车接发、列车技检、调车联控、道口通知等方面共180余种场景，通知的自动化率达90%以上，产生了良好的应用效果。

5　结束语

在5G通信基础上采用信息化、自动化、智能化等技术手段构建铁路车站作业自动通知系统，可以实现作业通知的智能生成、自动触发、及时可信传达，以及通知交互过程自动管控和事后可追溯，相较人工电话模式能够更好地满足业务需要。其关键技术包括泛在与融合的高可用网络通信、车站作业实时数据在线自动集成处理、车站生产业务事件智能检测和车站作业通知交互过程自动管控4个方面。系统可以达到平稳生产运行、提高作业效率、保障作业质量和安全、减轻人员劳动强度等应用效果。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2022YJ217)