鐵路智能交通系統研究

陳天鷹 劉賀軍 胡亞峰

（北京全路通信信號研究設計院，北京 100073）

鐵路是發展中國家的主要交通工具之一。伴隨著高速鐵路的迅猛發展，安全高效、經濟舒適的鐵路交通日益獲得大眾的青睞。鐵路智能交通系統是在較完善的軌道交通設施基礎上，將道路、車輛、旅客和貨物有機結合在一起，利用先進的計算機技術、智能信息處理技術、網絡技術、通信技術及控制技術，完成對鐵路交通信息的實時采集、傳輸和分析，協同處理各種鐵路交通情況，使鐵路運輸服務和管理實現智能化。

R ITS致力于強化鐵路運輸的安全可靠性，提升對旅客服務的水平，提高鐵路企業的運營效益。R ITS的基礎是信息集成，核心是智能。從廣義上說，R ITS是一種人工智能系統，用感知軌道交通

1 RITS概述

隨著經濟的高速發展和全球化進程的加速，運輸需求不斷增長。受制于有限的運力，交通擁堵漸成常態，事故頻發，對其有效控制和管理已成為政府和公眾關注的大問題。解決這一矛盾的傳統方法是加大基礎設施投入，新建或改造道路與其他交通設施。但城市空間越來越有限，拆遷費用不斷升高，能源日漸短缺，這一方法越來越有局限性。自上世紀90年代以來，信息技術被引入運輸系統，把道路、車輛、人等眾多要素綜合起來，借助先進的計算機、通信及控制等技術管理交通，從而產生了智能交通系統(ITS)[1][2]。數據的傳感器、帶有軌道交通知識的處理器和執行軌道交通功能的執行機構來模擬人類智能，達到鐵路運輸服務和管理的智能化。在R ITS中，人、系統與服務對象以全新方式相聯并相互作用，智能貫穿于整個運輸過程，信息在系統的各成員間共享，包括旅客、貨主、司機、調度員、代理商及各級政府機構。

本文通過回顧國內外R ITS的研究進展，提出中國R ITS的基本組成、總體結構和標準體系，并在此基礎上分析中國RITS的若干關鍵技術。

2 RITS研究進展

2.1 國外RITS研究與發展現狀

美國聯邦鐵路局在2002年制定的鐵路研究、開發與示范5年戰略規劃中明確指出：智能鐵路系統(IRS)是未來鐵路的發展方向，并將其中部分關鍵系統的研究開發列入具體規劃中[3]。IRS集成傳感器、計算機和通信等技術，可實現列車運行控制、故障檢測、計劃及調度等功能，使鐵路靈活響應運輸市場的變化。

歐盟于1980年12月設立了歐洲鐵路運輸管理系統 (ERTMS) 項目，作為歐洲21世紀干線鐵路的總體解決方案[4][5]。該項目致力于建立全歐洲統一的鐵路信號標準，保證各國列車在歐洲互通運營，提高運輸管理水平。ERTM S以ETCS為列車控制標準，GSM-R為通信平臺，歐式應答器為定位手段，包括ETCS、GSM-R和運營管理3個子系統。

法國于1986年開始研發名為ASTREE的地鐵連續實時列車監控系統，作為ETCS的一個補充[6]。該系統的核心是使用最新數據處理和通信技術，對列車運行實施全面的監控，從而有效地管理線路，改善能源和車輛的利用效率。系統包括車載設備、地面數據傳輸系統及計算機控制中心3部分。

日本鐵道技術綜合研究所于2001年開始了名為Cy berRail的鐵路智能交通系統研究[7]。在CyberRail框架下，旅客、鐵路工作人員、各運輸公司可自由傳輸、收集和處理信息；旅客可隨時收到依據個人需求而定制的旅行計劃及個人導航信息；運輸公司可根據旅客需求優化運輸計劃，以提供更好的服務和更高的安全性；利用最新的信息和通信技術，鐵路運輸方式與其他運輸方式能實現無縫銜接。

2.2 中國RITS研究與發展現狀

我國自上世紀80年代即開始鐵路運輸系統的信息化基礎工程建設。如今鐵路運輸管理信息系統（TM IS）、鐵路調度指揮管理信息系統(DM IS)和鐵路客票預定和發售系統（PM IS）3大綜合信息管理系統已日益完善，并初步實現了各系統間的信息共享，為將來RITS的實施建立了良好的基礎。

當前，我國鐵路智能運輸正處于初級向較高級過渡的發展階段，相關單位在列車時刻表自動編制、編組站自動化作業、列車智能控制等方面已取得了一定的應用成果。鐵道部于2000年底成立《R ITS體系框架研究》項目，標志著我國對R ITS體系框架的研究正式起步[8][9][10]。隨著京津城際高速鐵路和武廣高速鐵路的開通運營，我國高速鐵路的運營速度已超過世界最高水平。到2020年，我國將建成18 000 km的高速鐵路網。為引領世界高速列車技術的發展，鐵道部與科技部于2010年初聯合設立《智慧型高速列車》項目，著力研制智能型下一代高速列車系統。

研究并開發適應我國國情的R ITS，已成為我國鐵路發展的當務之急。

3 中國RITS構想

3.1 中國RITS基本組成

鐵路運輸以為用戶提供優質服務為出發點。結合我國鐵路運輸的具體現狀，我國R ITS用戶主體可分為內部用戶、外部用戶和關聯用戶等3類，如圖1所示。

圍繞R ITS“高安全可靠性、高效率、高服務水平”的目標，結合我國鐵路運輸現狀，對各類用戶需求進行分析，可將中國R ITS劃分為智能旅客服務、智能貨物運輸、智能調度指揮、智能列車運行控制、車輛智能維護、路網智能維護及鐵路企業智能管理系統等7個子系統。

(1)智能旅客服務系統

該系統建立在完善的信息網絡基礎上，通過裝備在軌道、列車、車站的傳感器和傳輸設備，向鐵路運營控制中心提供管轄范圍內的實時交通信息；系統同時采集氣象、政務、公安及其他交通系統的實時信息，并將處理后的信息實時發布給旅客。系統向旅客提供鐵路交通信息、多式聯運信息、氣象信息及與出行相關的其他信息；旅客根據這些信息確定出行方式并選擇路線；系統對旅客出行提供輔助決策支持。系統實時分析旅客偏好，提供從出行前至到達終點站為止的全程信息服務。

(2)智能貨物運輸系統

該系統以鐵路網絡及相關鐵路信息管理系統為基礎，利用現代物流理論對貨物運輸進行智能化管理，并為貨主提供從托運前至到站的全方位信息服務。系統綜合利用衛星定位、地理信息系統、物流信息、網絡技術及多式聯運信息，有效組織貨物運輸，提高貨運效率。

(3)智能調度指揮系統

該系統面向調度指揮人員，具有計劃制定與調整、行車指揮、設備監控與維護、環境監測等功能。系統對路網交通信息實時監視，對列車運行進行控制，涵蓋了鐵路運營調度的所有關鍵業務，涉及鐵路運輸組織、通信信號、牽引供電、安全監控、綜合維護等諸多專業技術，是一個包括運營決策、過程控制、運輸信息管理、設備管理和網絡管理的綜合系統。

(4)智能列車運行控制系統

該系統包括調度集中、列車控制及聯鎖等3部分功能。系統采用先進的信息技術實現列車自動定位，對列車運行及車站作業進行智能化控制。系統具有自檢測、自診斷和自決策能力，能實現復雜工況下高效運用及全生命周期能力保持與優化。

(5)車輛智能維護系統

該系統實時采集在途與在庫機車、車輛、動車組的軸溫、速度及各部件的狀態參數等信息，綜合協調運用、作業和檢修等需求，實現檢修基地內作業計劃動態管理、過程自動控制、現存車追蹤管理、故障自動預測與防護等功能，提高車輛維護智能化水平。

(6)路網智能維護系統

該系統整合工務、電務、高壓電等部門的維修管理技術，對鐵路網固定設施進行智能化保養和維修。系統對路基完整度、風速、落物等影響行車安全的參數實時監測并預警，為路網維修人員提供遠程診斷手段及輔助決策支持。

(7)鐵路企業智能管理系統

該系統立足于中國鐵路的現狀，結合鐵道部、各路局及相關企業的已有技術和設施，對現有各信息系統進行整合，建立以鐵道部為中心的智能管理系統，并為相關運輸業務系統提供支撐平臺。系統整合各級企業資源，實現資源統一調度、流程統一優化、生產統一組織、信息集散共享，以降低業務成本，提高運行效率，提升鐵路運輸的核心競爭力。

需要指出的是，各系統間業務數據與工作流程互相交叉，是一個有機整體，共同服務于中國鐵路交通智能化這一目標。

3.2 中國RITS總體結構

確保每一列運行列車的安全可靠、提升每一位旅客和貨主的滿意度是R ITS系統成功的關鍵。因此，研究R ITS結構必須以信息集成與智能決策為核心，統一考慮列車、線路、車站、供電、通信和信號等要素，整體設計和規劃。

中國R ITS通過各種數據中心實現列車、基地、車站、鐵路局及鐵道部等相關單位間的信息共享與交換。配合各數據中心，建立相應的數據庫和數據倉庫，實現分布式海量數據的采集、交換、存儲及智能化處理。中國RITS的信息流轉關系如圖2所示。

系統包含車載數據交互中心、交換站點和主數據交互中心等3類數據中心。車載數據交互中心負責統一獲取和管理從車載傳感器及旅客終端獲得的各類數據，經預處理后將這些數據上傳到交換站點；交換站點是連接列車和主數據交互中心的紐帶，能有效提高實時性，降低主數據交互中心的數據傳輸負荷；主數據交互中心是所有數據的集散地，存儲R ITS的所有數據，對數據進行集中式、一體化存儲和管理。

基于數據流轉過程，可按層次將中國R ITS劃分為5個平臺，如圖3所示。

實時信息采集與傳輸平臺：完成對車站、路網等地面設施的實時信息采集，通過車站終端獲取旅客及貨主的實際需求，通過車-地通信系統實現對列車運行數據的實時獲取，通過骨干網與數據交換中心進行信息交互。

數據交換與處理平臺：在物理架構、數據交換容量、數據庫級別等方面滿足海量數據處理需要，完成數據的交換、存儲和處理，保證數據的實時性、穩定性、可靠性和安全性。

應用管理平臺：從管理、設計及運行維護等層面對各類信息進行處理；建立具有模擬、預警和展示等功能的監控中心，使列車與路網的每一關鍵狀態都可被監測、評判和預警；能給出各類故障的維修方案，對各類運營實況給出應對策略。

智能決策平臺：應用各類智能技術為旅客和貨主提供決策支持，為調度指揮人員提供優化方案，完成對鐵路交通系統的安全、服役性能、維修的評估與決策。

系統管理與維護平臺：具有自監測和自診斷功能，對RITS的各平臺進行維護，包括RITS設備維護、交互平臺維護、數據庫維護及系統安全保障等。

3.3 中國RITS標準體系

標準化是R ITS大范圍應用的基礎，同時也會大力促進R ITS的實施。建立中國R ITS標準體系，需要從系統框架的邏輯和物理結構出發，明確R ITS需制定標準的領域；從互操作性出發，對各子系統間交換的數據流進行抽象，確定系統總體架構，并將之分為若干組成部分；對每一部分進行分解與細化，確定數據接口規范。

R ITS標準可以多種形式的規范文件存在，包括組件規則、材料設備的功能定義與技術規格、數據協議、運行條件及系統操作規程等。根據功能層級，可將R ITS標準劃分為通用標準與分系統標準兩層。通用標準層包括術語及定義、基礎信息分類編碼及表述兩部分。分系統標準包括7部分，即專用數據通信標準、旅客服務、貨運服務、調度指揮、列車運行控制、車輛檢修及路網維護。

在R ITS標準體系里，所含標準并不一定都是新制定的標準，可直接借用已成熟的鐵路技術標準，也可借用其他國家或其他行業的成熟標準。當國內標準與國際標準范圍一致時，應盡量把國內標準轉化為國際標準，把中國RITS推向世界。

4 RITS關鍵技術分析

4.1 面向旅客服務的智能技術

（1）旅客出行前信息提示

系統充分利用廣播、電視、報紙、互聯網等媒體及固定電話、移動電話等通信工具，為旅客出行提供準確、及時的信息服務。系統通過互聯網為旅客提供各類客運信息的發布與查詢，并及時獲取反饋意見；為旅客提供電話、短信等聲訊服務；通過公共媒體提供旅客信息服務；與其他公共服務系統互通，為旅客提供關聯查詢服務；為旅客出行時間、方式、線路選擇提供輔助決策支持。

關鍵技術包括旅客出行輔助決策、旅客個性化服務信息提取與推送。

（2）旅客站內信息服務

系統充分利用車站內的信息終端，為旅客提供全方位服務。系統以電話、觸摸屏等方式提供交互式的列車狀態、旅程和行包位置查詢；以大屏幕方式提供列車正晚點預告及原因通告、列車到發時刻和站臺信息；設立電子引導裝置，為旅客提供便捷的站內向導；實時收集旅客的語音及文字反饋意見，并上報給相關部門。

關鍵技術包括車站信息通道設計、客服系統與調度系統信息交互。

（3）旅客在途信息服務

車載信息系統獲取旅客偏好及需求信息，為旅客提供個性化的信息服務。車載信息系統利用滾動式電子顯示裝置，提供列車速度、位置、前方到站、預計到達時間等運行信息，同時可提供天氣、新聞等外部信息；利用旅客信息終端為旅客提供音樂、電視、電影等多媒體點播服務；為旅客提供電話、互聯網等通信服務。

關鍵技術包括大容量車-地信息傳輸、用戶偏好分析、個性化服務設計等。

（4）自動售檢票技術

該技術包括自動售票與自動檢票。系統提供現金、銀行卡、信用卡等多種支付手段；旅客可在車站自動售票機或服務窗口購票，也可通過互聯網遠程購票；系統提供紙質和電子式的檢票方式，也提供基于旅客個人身份和生物特征的驗票方式；系統同時提供各次列車的乘客統計功能。

關鍵技術包括售票系統的網絡安全、貨幣自動識別、車票防偽技術。

（5）多式聯運服務

旅客多式聯運指通過多種運輸方式，將旅客從出發地運至目標地。多式聯運可降低旅客出行成本，提高運輸效率，進而解決交通擁擠等社會問題。系統提供旅客多式聯運一票制服務；系統與公路運輸、航空運輸等系統交互，動態分析客流，設計并優化多式聯運線路。

關鍵技術包括多式聯運線路優化、各運輸方式協作、各運輸方式成本定價。

4.2 面向貨物運輸的智能技術

（1）貨主托運前服務

系統通過互聯網為貨主提供各類貨運信息的發布與查詢；為貨主提供電話、短信等聲訊服務；為貨主提供車輛預定與取消服務；提供面向貨主的輔助決策支持；提供貨主輸入信息的挖掘功能，實現貨運量的預測。

關鍵技術包括貨運輔助決策、貨運量預測。

（2）智能化編組

智能化編組主要是應用先進的智能技術，綜合考慮各站場設備條件與貨源分布，合理組織貨物列車解體和編組，以最優路徑和最快速度完成貨物運輸任務。

關鍵技術包括編組計劃優化、解編作業優化、配流方案優化、到發線與調機的合理運用。

（3）貨物在途信息查詢

系統為每一件貨物都配件電子標簽，實時監測貨物運輸的運行狀況，并對偏離計劃時刻進行報警。貨主能通過互聯網查詢貨物的實時位置與狀況。

關鍵技術包括軌旁無線傳感器網絡、貨車車輛定位。

（4）貨運費用結算平臺

貨主在該平臺上進行運費結算。系統提供現金、銀行卡、信用卡等多種支付手段，支持站內支付及互聯網遠程支付；支持根據季節和貨運量靈活定價的機制。

關鍵技術包括結算平臺的網絡安全、貨幣自動識別技術。

（5）貨物多式聯運服務

貨物多式聯運指采用多種運輸方式，將貨物從接收貨物的地點運送到交付貨物的地點。貨物多式聯運具有責任統一、手續簡單和安全迅速等優點。系統與公路、航海、航空等運輸系統交互，動態分析貨流，規劃并優化多式聯運線路。

關鍵技術包括多式聯運線路優化、各運輸方式協作、各運輸方式成本定價。

4.3 智能調度指揮系統

中國R ITS調度指揮系統包括7個子系統：計劃調度，列車調度，機車、車輛、動車組調度，供電調度，客運調度，綜合維修調度和綜合監控調度。智能調度指揮系統依靠先進的智能技術，實現各子系統的深度集成，采用集中控制方式來指揮列車運行，以計劃為龍頭，以行車指揮為核心，提升列車調度指揮的自動化和智能化水平。

關鍵技術包括運輸計劃優化、列車運行自動調整、進路自動控制、系統可靠性保障。

4.4 列車運行智能控制技術

（1）列車運行控制系統

該系統能根據列車運行情況及外界環境的變化，實現自動或半自動的列車運行和道岔控制，使列車以更高的速度和更短的間隔安全運行。該系統包括車載計算機控制、地面控制、聯鎖及調度集中系統。

關鍵技術包括列車控制、高速的車地雙向通信技術、故障-安全設計。

（2）列車運行安全評估與輔助決策技術

安全評估與輔助決策技術是列車運行控制系統的關鍵技術，是實現列車控制系統自評估、自診斷和輔助決策的核心。其功能是應用先進的仿真技術和智能技術，處理列車運行控制系統數據，完成系統安全性、服役性能和運行狀態的評估，為各級管理部門提供輔助決策支持。

關鍵技術包括數字化建模、數據自動識別與分析、專家系統、輔助決策。

4.5 車輛智能維修技術

（1）基于物聯網技術的車輛狀態感知技術

該技術根據列車運行實際需求，確定車載感知對象并布置傳感器和電子標簽，實現列車工作狀態的自動感知；將感知對象劃分為列車安全、列車運行狀態、旅客舒適度及煙火報警等類別，分析各類的重要性差異，為車輛智能維修提供數據支撐。

關鍵技術包括敏感點優化技術、無線傳感器網絡技術。

（2）車輛維修的智能決策支持技術

該技術基于專家系統，建立車輛工況模型庫，定量評估車輛安全性和服役性能，將仿真結果與實測信息對比分析，結合履歷數據，提供個性化維修方案，并對修竣結果進行分析與評估。

關鍵技術包括車輛工況建模、專家系統、輔助決策。

4.6 路網智能維護技術

（1）基于物聯網技術的路網設備管理

該技術為軌道、路基、橋梁、隧道和站場等路網設施配備電子標簽及傳感器，實時感知這些設施的工作狀態；同時將這些設施進行數字化集成。維修人員可通過數字化平臺查詢關鍵設備的實時狀態與履歷信息。

關鍵技術包括海量數據處理、數字化建模、可視化技術。

（2）路網維護的智能決策支持技術

該技術基于專家系統，建立路網設備工況模型庫，辨識高壓供電故障、軌道結構疲勞、軌道變形、坡體坍塌等信息，定量評估路網設備安全性和服役性能，將仿真結果與實測信息對比分析，結合履歷數據，提供個性化維護方案，并對維護結果進行分析與評估。

關鍵技術包括路網工況建模、專家系統、輔助決策。

4.7 鐵路企業智能管理技術

實現鐵路交通智能化，鐵路企業管理智能化是其中一個重要和基礎的環節，包括基礎數據管理、運輸資源管理與優化及企業電子商務平臺搭建。

基礎數據的有效管理是R ITS的基礎，包括各企業運營生產所需的各類靜態數據和動態數據。對這些基礎數據應規范編碼、統一命名并降低冗余度，同時通過相應的管理制度確保數據錄入的準確性。

運輸資源管理和優化是中國R ITS的重要組成部分。運輸資源包括鐵路運輸生產所需要的各種技術、設備、人員和資金等要素。通過對運輸資源的有效管理和優化，可提高設備、人員和資金等要素的配置效率，提高鐵路生產效率。

企業電子商務平臺通過互聯網實現企業—企業和企業—消費者兩種商務活動，是客票系統及貨運費用支付系統的有力支撐。該平臺通過整合網絡導航、內容、鏈接等要素，對用戶數據進行挖掘，優化用戶體驗，提升鐵路企業的營銷能力。

關鍵技術包括資源優化配置、數據挖掘、網絡安全。

5 結束語

智能鐵路的發展方向影響著我國鐵路的整體發展方向和水平，對我國傳統的運輸組織模式和觀念都將產生深遠的影響。R ITS建設周期長，涉及面廣，需整體規劃，分步發展。我國R ITS的實施應充分利用現有各鐵路信息系統，加強R ITS的基礎研究和關鍵技術研究，及時將研究成果轉化為產品并推廣到鐵路運輸的各個領域。

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