新一代信息技術在鐵路機務系統中的應用

李 朋

1 智能交通系統是鐵路機務的必然趨勢

隨著科學技術的發展，智能科學與技術成為了近些年科學與工程領域的研究熱門，也是未來技術的發展主旋律。鐵路機務系統是鐵路中的重要組成部分，主要負責機車的運行和維護，可以說是核心組成。智能化在鐵路機務系統中的應用，可以大幅提高機務人員的工作效率，甚至改變機務人員的工作方式，智能交通系統是鐵路機務的必然趨勢。

在2000年我國就成立了國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，同時依據智能交通系統的研究成果，建立了鐵路智能運輸系統（RITS）的總體結構。鐵路智能運輸系統是基于多種新技術的新型鐵路運輸體系，綜合了集成電子技術、計算機技術、現代通信技術、智能控制技術、智能系統技術、管理與決策控制技術等，通過整理歸納并利用與鐵路運輸有關的移動、空間、時間等資源，從而完成確保機車行駛安全、提升機車運行速度、改善鐵路服務質量等目標。

實現智能化是鐵路智能運輸系統的核心，鐵路智能運輸系統可分為3個層次：初級鐵路智能運輸系統、中級鐵路智能運輸系統和高級鐵路智能運輸系統。在高級鐵路智能運輸系統的規劃中，機車可以通過系統設定完成機車運行條件下面對復雜狀況下的決策選擇，比如實現機車自動駕駛和機車綜合調度。

2 新一代信息技術在鐵路機務中的應用實例

2.1 第五代移動通信技術在鐵路機務中的應用

智能裝備和智能運營都和鐵路機務系統有直接關系。對于鐵路運輸的安全生產來說，機車的安全行駛十分依賴于其通信系統，這是由鐵路運輸特殊的運輸方式決定的。鐵路系統與海運、空運系統類似，司機和駕駛員不能隨意改變行駛路線，同時必須與總臺保持通信聯系，由總臺系統進行行駛路線的統一規劃和調度。通信系統是支撐這種統一調度的基礎，只有通信系統穩定高效的運行，才能讓鐵路運輸的安全性得到保障。

第五代移動通信技術俗稱5G，具有數據傳輸快、延遲率低、能源消耗率低、成本少的優點，應用前景非常廣闊。在鐵路系統中采用5G技術，可以進一步提升機車的通信功能和數據傳輸功能。成都機務段曾試用了基于5G的數據傳輸系統，2018年中國鐵路西安局集團有限公司西安機務段試用了基于5G技術的系統方案，測試結果都非常優異，數據轉儲的速度得到了大幅提高。這些應用結果表明，將5G技術應用于鐵路機務系統的數據傳輸，可以大大提升傳輸速率，與WLAN相比，傳輸速度提升了兩個數量級以上，性能提升效果非常明顯。

2.2 北斗衛星導航技術在鐵路機務系統中的應用

北斗衛星導航是我國自行研制的全球衛星導航系統，可以在全球范圍內提供精度高、可靠性高的定位、導航、時間服務。目前已經具有了大規模成熟應用的基礎。北斗導航系統與軌道交通是不可分割的，實現北斗導航技術在鐵路機車上的應用，是通信行業和鐵路交通行業的共同目標。通過采用北斗導航系統，可以推進機車的智能技術突破，北斗導航系統在機車運行控制系統、機車定位、機車監測等方面都非常有應用潛力。

《國家鐵路十三五規劃》中也明確指出，必須要推進鐵路系統的智能化現代化，加強信息化智能化建設，提升安全監控自動化水平，推進信息綜合集成應用。還提出要積極推動北斗衛星導航、地理信息和大數據分析技術在防災預警、應急救援等方面應用，并加快完善鐵路行業云數據中心和災備中心建設。

2.3 自動駕駛技術在鐵路機務中的應用

鐵路系統智能化的發展離不開自動駕駛技術，自動駕駛技術不僅是鐵路系統，也是所有交通系統未來的發展趨勢。列車運行控制系統是機車的“大腦”，可以依據線路的現有條件和實際情況，對機車的行駛速度和啟動、制動情況進行調整。目前機車控制系統的運行非常依賴機務人員，而自動駕駛就是進一步提高機車控制系統的自主化程度。

通過采用智能裝備，可以在機車上實現自動駕駛。舉例而言，比如調車作業是鐵路機務系統中的重要工作之一，同時也是安全事故多發的一項工作，目前調車作業的完成主要是依靠人力，在人力協調操作的過程中，任何一項出現疏忽，就可能導致安全事故。而如果在調車作業中采用自動駕駛和自動檢測技術，可以有效的提高調車效率和安全性，減少甚至避免因操作不當或協調不當引發的事故。

3 機務系統中新一代通信技術的頻段要求

2017年工信部專門針對5G技術的頻段使用出臺過相關政策，政策中明確指出5G技術的工作頻段為3300至3 600MHz頻段和4800至5 000MHz頻段，其中3 300至3 400MHz頻段是室內應用可選頻段。在這些技術要求的基礎上，3 400MHz頻段是最適合于機車內部通信的頻段。

5G技術雖然優勢眾多，但也并不是沒有缺點。5G技術有頻段高，基站范圍小，成本高等缺點，為了克服這些缺點，需要在機車系統中綜合采用Wi-Fi技術和5G技術，這就實現了雙頻段通信。雙頻段通信的基礎是具有符合應用要求的天線，不同結構的通信天線性能也各有不同，目前使用較多的天線類型是微帶縫隙天線和蝶形天線。如果能夠依據雙頻段通信的特點，來設計更適合的專用天線結構，通信性能還能得到進一步的優化。

4 鐵路系統中新一代通信技術的干擾來源

無線通信技術是通過電磁波信號的傳播特性來進行信息傳輸的通信技術，因而電磁干擾是妨礙通信技術的一個主要因素。機車上的通信設備一旦受到電磁干擾，就會影響機務系統的通信效果，而機車的正常行駛對機務系統的通信功能是非常依賴的，及時有效的通信是鐵路安全的基礎之一。

通常來說，電磁干擾是不可避免的，但其影響是可顯著降低的。首先在大自然中存在著不可消除的磁場干擾，就是地球自帶的磁場，再者就是隨著機車中電子設備越來越多，如果不能做好完善的電磁防護處理，就會出現電磁泄漏，也會對機車造成安全隱患。對于鐵路信號來說，環境也是一個重要干擾因素。環境中的溫度、濕度和風力等都會對鐵路信號的發射和接收設備產生干擾。在新一代鐵路通信系統的設計中，這些干擾因素都必須被充分考慮，才能構建出成熟可靠的通信系統。

5 新一代信息技術在鐵路中的應用必將會迅速提升機務工作效率

新一代信息技術在快速的發展之中，許多技術正在從實驗室向工程應用轉化，一些新型技術也正在從小批量試用向大批量應用發展。以5G技術為例，2019年工業與信息部正式發放了5G商用牌照，這標志著中國已經開始進入5G商用階段。

可以預見隨著新一代的信息技術在鐵路機務系統中獲得越來越多的裝機與應用，一定會為機務工作的方式和效率帶來翻天覆地的變化。機務系統是機車系統的“火車頭”，可以說決定了鐵路運輸的核心，通過技術手段的革新可以為鐵路機務系統注入“新鮮的血液”，更加驗證了“科學技術是第一生產力”。