近年来，在“交通强国”政策的指引下，我国铁路基础设施建设在全国范围内加速开展。目前，我国在铁路，尤其是在高速铁路和重载铁路等领域的技术实力已处于全球领先水平。《新时代交通强国铁路先行规划纲要》明确提出，“铁路自主创新能力和产业链现代化水平全面提升，铁路科技创新体系健全完善，关键核心技术装备自主可控、先进适用、安全高效，智能高铁率先建成，智慧铁路加快实现。”
随着5G技术的发展，5G的大带宽、低时延、广连接等优势充分体现在铁路的建设运营中。在新一代铁路移动通信系统建设中，5G、大数据、物联网等新兴技术加速融合，结合边缘计算和网络切片等技术，助力中国铁路实现数字化转型，推动中国铁路智慧发展进入全新阶段。
铁路通信网络的现状和未来发展预期
目前，铁路建设部门通过3GPP所拟定的GSM或LTE网络的子协议，构建了面向铁路的专用网络(GSM-R和LTE-R网络)，并取得了良好的应用成效。但随着业务的增长，GSM-R已无法满足日益增长的铁路通信需求。GSM-R作为第二代移动通信技术，属于窄频通信系统，主要承载语音业务和少量数据业务，数据传输速率较低，且不支持视频、图片的传输，目前在现有的GSM-R平台上很难再开拓新业务。而这些“不足”也加速了5G在铁路行业的应用，5G的大带宽、低时延、广连接等特点可以完美地解决以上问题。在5G时代，铁路在网络层面的规划主要聚焦在四个方面。第一，适时引入5G技术，对铁路专网进行升级，形成5G-R网络;第二，使用卫星网络打造“空地一体”无缝覆盖网络，保障运输全程重点数据传输连续不中断，车辆位置监控到位;第三，在基础电信运营商提供的网络(包括5G定制网)与内部专网实现一体化融合的基础上，进行有效分工，使得不同密级的数据承载在不同的网络上;第四，引入量子通信等先进网络技术，保障铁路通信的安全。
智慧铁路技术研究
智慧铁路的发展，需要有三大核心技术的支持：一是北斗导航，二是5G技术，三是自动驾驶。北斗导航为智慧铁路提供精准定位、自主导航等基础支撑;5G为铁路联网、车路协同、人车交流等提供重要支撑;自动驾驶则更为直观地推动铁路智能化发展进程。其中，5G在铁路上应用的技术核心点可以概括为以下几个方面。一是面向超高速的5G公共网络服务技术，核心场景是乘客在高速列车上能够获得相对较好的网络服务体验;二是面向火车站等室内超大客流场景下的技术支持;三是面向应急保障的服务体系建设;四是面向各类站场的5G定制网场景落地;五是面向运营商5G定制网与铁路专用5G-R网络的融合发展。
智慧铁路应用案例
智慧铁路的建设是当前铁路信息化的重点发展方向，近年来已经产生了一些应用案例，特别是与5G融合的智慧铁路应用案例。
案例1：北京铁路局的5G智慧车站
智慧车站利用新型室分基站和大数据平台，实现室内外定位、人流轨迹分析、票务数据汇总、实时监控等功能，可为客流分析、应急管理、候车大厅商业价值分析、广告精准投放等贡献价值。通过室内蜂窝网络、大数据、人工智能、可视化等技术应用，5G智慧车站能够让车站的运营管理工作变得更加智能化、数据化，以可视化的画面、可量化的数字帮助车站进行运营决策支撑、信息化改造以及客流价值转换。基于5G与终端的结合，实现对车站内客流的全方位数据采集，实现大客流预警、精准营销支撑等功能。
智慧车站系统通过“5G+MEC”专网与车站内的各业务系统进行数据交换，利用“5G+MEC”专网的高带宽、低时延传输特性并结合大数据，可提高车站旅客服务质量、扩展车站服务场景、逐步降低车站运营成本。在安检环节，利用5G将人脸识别数据上传至AI云平台进行匹配对比，从而实现“秒”进站，提高安检效率。此外，安检工作人员可以通过佩戴AR眼镜，实现红外体温检测和可视化融合指挥调度等。车站内的5G服务机器人还可以为旅客提供余票查询、最优路径选择等互动式旅客服务;车站内的VR娱乐设备也可以为旅客提供云游戏等娱乐服务，满足旅客多样化的娱乐需求。
案例2：西安铁路局基于“5G+AI”的火车头“医生”
对于司机的监管：通过5G技术进行视频的平台转储，当火车头缓慢进入列车段时，车载终端自动与轨旁基站建立千兆以上的高速通道，转储速率最大可达1.5Gbit/s以上。火车头执行一次任务产生的近30GB数据，在3分钟之内即可自动完成转储。全量司机视频录像数据采用5G技术回传，通过高速缓存设备进入智能分析中心后，可借助AI技术自动识别司机的违规行为。该方案还可根据实际场景，进行视频行为分析算法的定制开发，目前已实现了11个违章项的自动智能识别，如未比手势、玩手机、未握大闸、瞌睡等，并通过构建司机智能评价模型规范其行为。
对于火车头机械设备健康的监管：基于走行部车载传感器数据以及地面运安、整备、检修等数据，结合合作伙伴长期在走行部领域积累的大量专家经验和故障样本，构建火车头走行部故障预测及健康管理模型，实现走行部的健康评估、寿命预测等功能，推进火车头从“计划修”向“预测修”的转型。
案例3：广州铁路局的5G高铁智能运维
将预设在动车走行线路的电务车载悬挂设备防松脱检测站所拍摄的高清外观检测图片，通过5G网络上传至铁路局数据处理中心进行智能分析，形成检测报告，用以排除设备隐患，防止危险发生，为安全出行扫清障碍。该检测站拍摄角度更精准，清晰度更高，可实现精度和效率的双提升。
5G海量车地数据自动下载转储是基于5G的巨量车载行车数据及视频数据转储业务，实现列车运行中的数据传输，大幅提升了传输效率，简化了传统有线传输、移动硬盘拷贝等繁琐的人工操作环节，实现无感知、无人工干预的数据传输，以达到10倍以上效率的提升。
5G高铁超视距预警“千里眼”是在高铁沿线开展“视频上车”业务，可将视距外的路况高清视频通过5G网络实时回传到动车组司机室的监控预视屏上，为司机提供“千里眼”功能;同时将前方的安全告警视频实时传输上车，并给出预视提示，便于司机及时作出应急决策并采取相应处理措施，提升行车安全，为人民群众生命财产安全保驾护航。
结束语
综上，5G在铁路运输智慧车站、智能运维、车地通信和高清监控视频传输等场景的应用，不仅增强了铁路运输的安全性、提高了运输效率和线路巡检效率，还节约了大量的人力成本。5G技术的应用为中国铁路智能化建设提供了自主创新能力，使中国铁路不仅在速度上，更在技术上领先于世界。
