基于數字化驅動的鐵路運輸調度系統研究與應用

徐正昊 中國鐵路上海局集團有限公司鎮江站

1 引言

隨著鐵路和高新科技的迅速發展，我國鐵路的覆蓋網迅速擴大規模，鐵路中的運輸調度與管理也呈現出越來越復雜的局面。我國鐵路的里程發展尤為迅速，從2000年的6.8萬km增長到2020年的14.14萬km，高鐵里程更是高居世界第一。

與此同時，隨著智能化信息產業的蓬勃發展，在物聯網、車聯網、邊緣計算等技術的數字化驅動，為構建全網絡的數字化鐵路運輸網絡提供了堅實的技術后盾。未來的高復雜鐵路運輸網絡要提高運輸調度的實時可控性、運輸安全性和高效調度，除了需要優化自身運輸調度系統，還需要結合信息產業技術，全面更新鐵路運輸網絡，為我國鐵路注入新的活力。

2 目標

數字化驅動的鐵路運輸調度系統的最終目的是，通過第五代（5G）無線通信技術連接調度控制系統、車載終端和智能化鐵路設備等，從而大大優化鐵路運輸調度系統的管理，提高列車調度系統的進程和全面化調度集中系統，以此對鐵路運輸進行全面更新換代。具體目標如下（數字化驅動的運輸調度系統目標示意圖如圖1所示）。

圖1 數字化驅動的運輸調度系統目標示意圖

第一，利用5G無線通信的海量數據傳輸的特點使復雜的運輸網絡中各個節點信息能夠成功上載。通過大規模多輸入多輸出技術，在運輸網絡節點集中區域進行大數據上載，使得整個區域性網絡中的量級數據都能夠被傳輸到邊緣傳輸網絡。然后，通過數據的后處理，使得各個設備的運行數據和規律能夠直觀的展現出來。第二，使得鐵路運輸調度更加靈活、合理化。通過利用5G無線通信的超低時延特性，能夠使得列車指揮調度系統能夠實時地與車載終端和鐵路智能化設備進行信息互聯，從而建立交互式的通信數字化驅動的運輸調度網絡，從而實現實時動態地調整即時調度策略。改善列車運輸調度中心與實際運輸之間的調度誤差。第三，改善鐵路運輸調度的效率。通過不斷地更新實時列車運輸信息并不斷地優化調度策略，使正在執行的調度策略始終處于最有效的狀態，大大提升了由于異構調度策略所帶來的執行誤差。第四，改善鐵路運輸調度的定制化耦合管理。通過各個區域性運輸網絡的差異性，利用全連接數字化驅動方式，使得各個具備差異性網絡之間有機耦合，使其既不影響調度效率，還能相互耦合促進，從而達到區域性運輸調度的定制化耦合管理。第五，鐵路運輸調度管理、指揮、調度的智能自動化。一線運行、指揮調度和方案管理的有機結合離不開高性能的通信服務，通過超高可靠低時延的通信網將鐵路運輸調度的各個技術部門、服務部門和管理部門深度融合，建立應急響應、快速反應的一體化服務。

3 數字化驅動運輸調度系統的構成

基于5無線通信技術的“數字化驅動運輸調度系統”采用了基于多輸入多輸出、邊緣計算、網絡切片、協作通信等5G無線通信技術，實現鐵路列車、鐵路設備群和鐵路指揮、調度、管理系統的狀態共享、調度優化和智能自動化管理。

3.1 數字化驅動運輸調度系統搭建

數字化驅動運輸調度系統及無線通信網絡為核心，以實際鐵路運輸網為基礎，從一體化鐵路運輸網展開，以實現數字化的信息驅動調度系統。數字化驅動運輸調度系統由列車車載系統、鐵路智能設備群、無線通信網絡、列車指揮系統、調度中心系統和調度管理系統等部分組成。數字化驅動搞運輸調度系統的涵蓋了鐵路設備群的所有信息數據，將這些量級數據信息通過多輸入多輸出無線通信技術傳輸到分布式通信基站，在通過分布式基站的數字化邊緣處理服務器對量級信息進行初始化處理，從而獲得運輸調度的數字化驅動基礎。調度管理系統通過這些量級的數字化驅動信息實現對一體化鐵路的全面監控與管理。同時調度管理方案通過列車指揮系統和調度中心系統又通過下行的無線通信技術被廣播，以實現列車和鐵路智能設備群的實時監控與控制。數字化驅動的運輸調度系統功能架構如圖2所示。

圖2 數字化驅動運輸調度系統架構圖

3.2 信息上載

在整個鐵路運輸網中，信息上載是整個數字化。

驅動運輸調度系統的基礎部分，通過鐵路運輸網與調度相關信息、列車及鐵路設備群信息和應急類信息的上載以獲得數字驅動信息條件。針對不同類型的數據信息進行有效的獲取及分類，是保證鐵路高效、智能運行的首先前提。多類型量級信息可以通過無線通信的方式被上載。通過5G無線通信的大規模多輸入多輸出技術來保證大網絡下的量級數據的整體上載，以保證數字驅動信息的有效性。此外，通過高壓電力線通信與無線協作通信，以保證應急事件信息的請求準確性。其中，應急事件的信息直接上載到裝備有邊緣服務器的分布式基站上。其他信息則被上載到數字化驅動終端調度系統。

3.3 數字化驅動調度處理與分析

數字化驅動調出處理與分析是數字化驅動運輸調度系統的特點與優勢核心，包括應急事件的邊緣計算處理、定制化網絡切片、自動化調度優化、數據后處理技術、一體化通信技術等。首先通過分布式的邊緣計算中心對應急事件進行優先處理，并通過邊緣指揮中心下達執行指令，以保證鐵路運輸網的正常運行與工作。與此同時，通過數字化驅動終端調度系統對區域性鐵路網進行定制化分析，然后再通過實時的列車運行環境，列車狀況和當前調度方案等信息實時地更新列車運輸調度方案。此外，數據后處理平臺，一方面通過數據挖掘技術對數據信息進行規律探索，以提高鐵路運輸的效率，另一方面通過可視化技術將探索數據特征所得到的一般性規律經行可視化，可視化方式可以通過散點圖、折線圖、熱點圖和3D實時地域分析等進行。通過對一體化鐵路運輸網信息的高速處理和數據后處理，提高鐵路運輸的智能性、即時性和可靠性。

3.4 數字化驅動調度系統功能

全鐵路網調度。構建一體化鐵路運輸網，可以通過大數據通信進行全網互聯。列車指揮中心、調度管理中心和調度集中系統與列車和鐵路設備群相互發送調度相關請求與命令和運行信息。

遠程調度在線升級。通過安裝在列車上的開放式接口設備，利用無線通信的低延時高可靠特性可以對各區域鐵路網進行在線升級與修改。

鐵路運輸調度數據分析處理功能。根據自動報點、離線預測和調度方案統計分析，數字化驅動運輸調動系統可以自動優化并產生運輸過程中所需要的統計信息。

確定列車或設備的實時性跟蹤定位。無線通信的超低延時為列車的上載鐵路公里標和地理經緯度坐標提供了前提保證。列車指揮系統可以根據實時性的地理位置信息對每一輛列車和智能設備進行靜態或動態點追蹤，針對不同的顯示場景，數字化驅動運輸調度系統可以結合各種數字信息在指揮室的電子地圖上實現實時定位追蹤。

4 數字化驅動運輸調度系統的應用

考慮由鐵路總公司設分布式調度管理處、鐵路局設邊緣處理中心、列車調度總管理中心、列車運輸路線及智能設備等組成的某區域性鐵路運輸調度網絡。傳統的鐵路運輸線路的諸如運輸調度、設備維修等事件的信息交互處理大多基于第四代甚至不及第四代移通信技術，并且分級管理、集中式處理的方式大大降低了鐵路運輸調度和其他事件處理的效率，尤其是對于突發性事件。通過數字化驅動的鐵路運輸調度系統為這些問題提出新的解決方法。

（1）首先從實時性分類控制、分級處理的角度看，基于數字化驅動的鐵路運輸系統能夠實現列車指揮中心對該網絡中的每輛列車實現低延時通信的實時控制，基于5G的通信特點使這點成為了可能。區別于列車的控制，一些應急事件的優先處理在每個區域性定制化網絡中的邊緣應急中心被就近處理，一方面通過邊緣針對性計算處理保證了應急事件處理的優先性，另一方面邊緣計算處理充分發揮了本地處理的優勢，大大降低了集中式統處理所帶來的計算延時和通信延時。

（2）從區域性鐵路運輸網的調度方案定制化的角度看，不同的鐵路線路規模，不同時刻經過列車數量，軌旁智能設備數量和實時應急變故等因素共同構建了每個時刻、每個區域鐵路運輸調度的特殊化。通過5G無線通信超高可靠低時延的特點和網絡切片技術，能夠將多個獨立或耦合的區域性鐵路運輸網進行實時性調度優化、應急處理和網絡定制化。結合列車運行環境、智能設備狀態合理地、科學地、適時地優化運輸調度方案。不僅僅大大提高了復雜鐵路運輸網的靈活度，還為智能自動化運輸調度提供了基礎。

（3）從鐵路運輸網系統數據后處理角度看，數據是數字化驅動的運輸網絡系統核心，原始數據用來即時性運輸網絡驅動，數據的后處理則用來表征運輸調度過程中的規律、可視化和方案探索，并對智能設備群、列車等硬件設備提供安全檢測。

數字化驅動的運輸調度系統可以根據原始的列車運輸調度、智能設備群的驅動數據對鐵路運輸網絡進行實時地網絡驅動，不僅如此還可以根據后處數據處理從經驗數據中獲取學習能力，從計算機的角度綜合地、智能地分析出一體化的全網絡運輸管理方案。同時具有傳統鐵路運輸網的的分級管理、集中處理的優勢，更具有更科學的數據管理分析能力，多類型事件分類處理能力和超強性定制化管理能力。

5 結束語

隨著鐵路科技和通信技術的急速發展，成熟的通信技術也與鐵路運輸網進行了深度融合，也使得鐵路運輸調度也逐漸趨向于標準化、高效化和安全化。具有鐵路運輸網的數字化管理，數據后處理，調度方案分析、指揮方案的優化和運輸調度的一體化的數字化驅動的鐵路運輸調度系統具有很龐大的應用場景。數字化驅動不僅僅能讓鐵路運輸調度變得更具備操作性和分析性，還更能夠對實際運輸調度的模擬進行數字量化，從而使得鐵路運輸調度網絡具備更高的延展性。