铁路智能交通系统研究

陈天鹰 刘贺军 胡亚峰

（北京全路通信信号研究设计院，北京 100073）

铁路是发展中国家的主要交通工具之一。伴随着高速铁路的迅猛发展，安全高效、经济舒适的铁路交通日益获得大众的青睐。铁路智能交通系统是在较完善的轨道交通设施基础上，将道路、车辆、旅客和货物有机结合在一起，利用先进的计算机技术、智能信息处理技术、网络技术、通信技术及控制技术，完成对铁路交通信息的实时采集、传输和分析，协同处理各种铁路交通情况，使铁路运输服务和管理实现智能化。

R ITS致力于强化铁路运输的安全可靠性，提升对旅客服务的水平，提高铁路企业的运营效益。R ITS的基础是信息集成，核心是智能。从广义上说，R ITS是一种人工智能系统，用感知轨道交通

1 RITS概述

随着经济的高速发展和全球化进程的加速，运输需求不断增长。受制于有限的运力，交通拥堵渐成常态，事故频发，对其有效控制和管理已成为政府和公众关注的大问题。解决这一矛盾的传统方法是加大基础设施投入，新建或改造道路与其他交通设施。但城市空间越来越有限，拆迁费用不断升高，能源日渐短缺，这一方法越来越有局限性。自上世纪90年代以来，信息技术被引入运输系统，把道路、车辆、人等众多要素综合起来，借助先进的计算机、通信及控制等技术管理交通，从而产生了智能交通系统(ITS)[1][2]。数据的传感器、带有轨道交通知识的处理器和执行轨道交通功能的执行机构来模拟人类智能，达到铁路运输服务和管理的智能化。在R ITS中，人、系统与服务对象以全新方式相联并相互作用，智能贯穿于整个运输过程，信息在系统的各成员间共享，包括旅客、货主、司机、调度员、代理商及各级政府机构。

本文通过回顾国内外R ITS的研究进展，提出中国R ITS的基本组成、总体结构和标准体系，并在此基础上分析中国RITS的若干关键技术。

2 RITS研究进展

2.1 国外RITS研究与发展现状

美国联邦铁路局在2002年制定的铁路研究、开发与示范5年战略规划中明确指出：智能铁路系统(IRS)是未来铁路的发展方向，并将其中部分关键系统的研究开发列入具体规划中[3]。IRS集成传感器、计算机和通信等技术，可实现列车运行控制、故障检测、计划及调度等功能，使铁路灵活响应运输市场的变化。

欧盟于1980年12月设立了欧洲铁路运输管理系统 (ERTMS) 项目，作为欧洲21世纪干线铁路的总体解决方案[4][5]。该项目致力于建立全欧洲统一的铁路信号标准，保证各国列车在欧洲互通运营，提高运输管理水平。ERTM S以ETCS为列车控制标准，GSM-R为通信平台，欧式应答器为定位手段，包括ETCS、GSM-R和运营管理3个子系统。

法国于1986年开始研发名为ASTREE的地铁连续实时列车监控系统，作为ETCS的一个补充[6]。该系统的核心是使用最新数据处理和通信技术，对列车运行实施全面的监控，从而有效地管理线路，改善能源和车辆的利用效率。系统包括车载设备、地面数据传输系统及计算机控制中心3部分。

日本铁道技术综合研究所于2001年开始了名为Cy berRail的铁路智能交通系统研究[7]。在CyberRail框架下，旅客、铁路工作人员、各运输公司可自由传输、收集和处理信息；旅客可随时收到依据个人需求而定制的旅行计划及个人导航信息；运输公司可根据旅客需求优化运输计划，以提供更好的服务和更高的安全性；利用最新的信息和通信技术，铁路运输方式与其他运输方式能实现无缝衔接。

2.2 中国RITS研究与发展现状

我国自上世纪80年代即开始铁路运输系统的信息化基础工程建设。如今铁路运输管理信息系统（TM IS）、铁路调度指挥管理信息系统(DM IS)和铁路客票预定和发售系统（PM IS）3大综合信息管理系统已日益完善，并初步实现了各系统间的信息共享，为将来RITS的实施建立了良好的基础。

当前，我国铁路智能运输正处于初级向较高级过渡的发展阶段，相关单位在列车时刻表自动编制、编组站自动化作业、列车智能控制等方面已取得了一定的应用成果。铁道部于2000年底成立《R ITS体系框架研究》项目，标志着我国对R ITS体系框架的研究正式起步[8][9][10]。随着京津城际高速铁路和武广高速铁路的开通运营，我国高速铁路的运营速度已超过世界最高水平。到2020年，我国将建成18 000 km的高速铁路网。为引领世界高速列车技术的发展，铁道部与科技部于2010年初联合设立《智慧型高速列车》项目，着力研制智能型下一代高速列车系统。

研究并开发适应我国国情的R ITS，已成为我国铁路发展的当务之急。

3 中国RITS构想

3.1 中国RITS基本组成

铁路运输以为用户提供优质服务为出发点。结合我国铁路运输的具体现状，我国R ITS用户主体可分为内部用户、外部用户和关联用户等3类，如图1所示。

围绕R ITS“高安全可靠性、高效率、高服务水平”的目标，结合我国铁路运输现状，对各类用户需求进行分析，可将中国R ITS划分为智能旅客服务、智能货物运输、智能调度指挥、智能列车运行控制、车辆智能维护、路网智能维护及铁路企业智能管理系统等7个子系统。

(1)智能旅客服务系统

该系统建立在完善的信息网络基础上，通过装备在轨道、列车、车站的传感器和传输设备，向铁路运营控制中心提供管辖范围内的实时交通信息；系统同时采集气象、政务、公安及其他交通系统的实时信息，并将处理后的信息实时发布给旅客。系统向旅客提供铁路交通信息、多式联运信息、气象信息及与出行相关的其他信息；旅客根据这些信息确定出行方式并选择路线；系统对旅客出行提供辅助决策支持。系统实时分析旅客偏好，提供从出行前至到达终点站为止的全程信息服务。

(2)智能货物运输系统

该系统以铁路网络及相关铁路信息管理系统为基础，利用现代物流理论对货物运输进行智能化管理，并为货主提供从托运前至到站的全方位信息服务。系统综合利用卫星定位、地理信息系统、物流信息、网络技术及多式联运信息，有效组织货物运输，提高货运效率。

(3)智能调度指挥系统

该系统面向调度指挥人员，具有计划制定与调整、行车指挥、设备监控与维护、环境监测等功能。系统对路网交通信息实时监视，对列车运行进行控制，涵盖了铁路运营调度的所有关键业务，涉及铁路运输组织、通信信号、牵引供电、安全监控、综合维护等诸多专业技术，是一个包括运营决策、过程控制、运输信息管理、设备管理和网络管理的综合系统。

(4)智能列车运行控制系统

该系统包括调度集中、列车控制及联锁等3部分功能。系统采用先进的信息技术实现列车自动定位，对列车运行及车站作业进行智能化控制。系统具有自检测、自诊断和自决策能力，能实现复杂工况下高效运用及全生命周期能力保持与优化。

(5)车辆智能维护系统

该系统实时采集在途与在库机车、车辆、动车组的轴温、速度及各部件的状态参数等信息，综合协调运用、作业和检修等需求，实现检修基地内作业计划动态管理、过程自动控制、现存车追踪管理、故障自动预测与防护等功能，提高车辆维护智能化水平。

(6)路网智能维护系统

该系统整合工务、电务、高压电等部门的维修管理技术，对铁路网固定设施进行智能化保养和维修。系统对路基完整度、风速、落物等影响行车安全的参数实时监测并预警，为路网维修人员提供远程诊断手段及辅助决策支持。

(7)铁路企业智能管理系统

该系统立足于中国铁路的现状，结合铁道部、各路局及相关企业的已有技术和设施，对现有各信息系统进行整合，建立以铁道部为中心的智能管理系统，并为相关运输业务系统提供支撑平台。系统整合各级企业资源，实现资源统一调度、流程统一优化、生产统一组织、信息集散共享，以降低业务成本，提高运行效率，提升铁路运输的核心竞争力。

需要指出的是，各系统间业务数据与工作流程互相交叉，是一个有机整体，共同服务于中国铁路交通智能化这一目标。

3.2 中国RITS总体结构

确保每一列运行列车的安全可靠、提升每一位旅客和货主的满意度是R ITS系统成功的关键。因此，研究R ITS结构必须以信息集成与智能决策为核心，统一考虑列车、线路、车站、供电、通信和信号等要素，整体设计和规划。

中国R ITS通过各种数据中心实现列车、基地、车站、铁路局及铁道部等相关单位间的信息共享与交换。配合各数据中心，建立相应的数据库和数据仓库，实现分布式海量数据的采集、交换、存储及智能化处理。中国RITS的信息流转关系如图2所示。

系统包含车载数据交互中心、交换站点和主数据交互中心等3类数据中心。车载数据交互中心负责统一获取和管理从车载传感器及旅客终端获得的各类数据，经预处理后将这些数据上传到交换站点；交换站点是连接列车和主数据交互中心的纽带，能有效提高实时性，降低主数据交互中心的数据传输负荷；主数据交互中心是所有数据的集散地，存储R ITS的所有数据，对数据进行集中式、一体化存储和管理。

基于数据流转过程，可按层次将中国R ITS划分为5个平台，如图3所示。

实时信息采集与传输平台：完成对车站、路网等地面设施的实时信息采集，通过车站终端获取旅客及货主的实际需求，通过车-地通信系统实现对列车运行数据的实时获取，通过骨干网与数据交换中心进行信息交互。

数据交换与处理平台：在物理架构、数据交换容量、数据库级别等方面满足海量数据处理需要，完成数据的交换、存储和处理，保证数据的实时性、稳定性、可靠性和安全性。

应用管理平台：从管理、设计及运行维护等层面对各类信息进行处理；建立具有模拟、预警和展示等功能的监控中心，使列车与路网的每一关键状态都可被监测、评判和预警；能给出各类故障的维修方案，对各类运营实况给出应对策略。

智能决策平台：应用各类智能技术为旅客和货主提供决策支持，为调度指挥人员提供优化方案，完成对铁路交通系统的安全、服役性能、维修的评估与决策。

系统管理与维护平台：具有自监测和自诊断功能，对RITS的各平台进行维护，包括RITS设备维护、交互平台维护、数据库维护及系统安全保障等。

3.3 中国RITS标准体系

标准化是R ITS大范围应用的基础，同时也会大力促进R ITS的实施。建立中国R ITS标准体系，需要从系统框架的逻辑和物理结构出发，明确R ITS需制定标准的领域；从互操作性出发，对各子系统间交换的数据流进行抽象，确定系统总体架构，并将之分为若干组成部分；对每一部分进行分解与细化，确定数据接口规范。

R ITS标准可以多种形式的规范文件存在，包括组件规则、材料设备的功能定义与技术规格、数据协议、运行条件及系统操作规程等。根据功能层级，可将R ITS标准划分为通用标准与分系统标准两层。通用标准层包括术语及定义、基础信息分类编码及表述两部分。分系统标准包括7部分，即专用数据通信标准、旅客服务、货运服务、调度指挥、列车运行控制、车辆检修及路网维护。

在R ITS标准体系里，所含标准并不一定都是新制定的标准，可直接借用已成熟的铁路技术标准，也可借用其他国家或其他行业的成熟标准。当国内标准与国际标准范围一致时，应尽量把国内标准转化为国际标准，把中国RITS推向世界。

4 RITS关键技术分析

4.1 面向旅客服务的智能技术

（1）旅客出行前信息提示

系统充分利用广播、电视、报纸、互联网等媒体及固定电话、移动电话等通信工具，为旅客出行提供准确、及时的信息服务。系统通过互联网为旅客提供各类客运信息的发布与查询，并及时获取反馈意见；为旅客提供电话、短信等声讯服务；通过公共媒体提供旅客信息服务；与其他公共服务系统互通，为旅客提供关联查询服务；为旅客出行时间、方式、线路选择提供辅助决策支持。

关键技术包括旅客出行辅助决策、旅客个性化服务信息提取与推送。

（2）旅客站内信息服务

系统充分利用车站内的信息终端，为旅客提供全方位服务。系统以电话、触摸屏等方式提供交互式的列车状态、旅程和行包位置查询；以大屏幕方式提供列车正晚点预告及原因通告、列车到发时刻和站台信息；设立电子引导装置，为旅客提供便捷的站内向导；实时收集旅客的语音及文字反馈意见，并上报给相关部门。

关键技术包括车站信息通道设计、客服系统与调度系统信息交互。

（3）旅客在途信息服务

车载信息系统获取旅客偏好及需求信息，为旅客提供个性化的信息服务。车载信息系统利用滚动式电子显示装置，提供列车速度、位置、前方到站、预计到达时间等运行信息，同时可提供天气、新闻等外部信息；利用旅客信息终端为旅客提供音乐、电视、电影等多媒体点播服务；为旅客提供电话、互联网等通信服务。

关键技术包括大容量车-地信息传输、用户偏好分析、个性化服务设计等。

（4）自动售检票技术

该技术包括自动售票与自动检票。系统提供现金、银行卡、信用卡等多种支付手段；旅客可在车站自动售票机或服务窗口购票，也可通过互联网远程购票；系统提供纸质和电子式的检票方式，也提供基于旅客个人身份和生物特征的验票方式；系统同时提供各次列车的乘客统计功能。

关键技术包括售票系统的网络安全、货币自动识别、车票防伪技术。

（5）多式联运服务

旅客多式联运指通过多种运输方式，将旅客从出发地运至目标地。多式联运可降低旅客出行成本，提高运输效率，进而解决交通拥挤等社会问题。系统提供旅客多式联运一票制服务；系统与公路运输、航空运输等系统交互，动态分析客流，设计并优化多式联运线路。

关键技术包括多式联运线路优化、各运输方式协作、各运输方式成本定价。

4.2 面向货物运输的智能技术

（1）货主托运前服务

系统通过互联网为货主提供各类货运信息的发布与查询；为货主提供电话、短信等声讯服务；为货主提供车辆预定与取消服务；提供面向货主的辅助决策支持；提供货主输入信息的挖掘功能，实现货运量的预测。

关键技术包括货运辅助决策、货运量预测。

（2）智能化编组

智能化编组主要是应用先进的智能技术，综合考虑各站场设备条件与货源分布，合理组织货物列车解体和编组，以最优路径和最快速度完成货物运输任务。

关键技术包括编组计划优化、解编作业优化、配流方案优化、到发线与调机的合理运用。

（3）货物在途信息查询

系统为每一件货物都配件电子标签，实时监测货物运输的运行状况，并对偏离计划时刻进行报警。货主能通过互联网查询货物的实时位置与状况。

关键技术包括轨旁无线传感器网络、货车车辆定位。

（4）货运费用结算平台

货主在该平台上进行运费结算。系统提供现金、银行卡、信用卡等多种支付手段，支持站内支付及互联网远程支付；支持根据季节和货运量灵活定价的机制。

关键技术包括结算平台的网络安全、货币自动识别技术。

（5）货物多式联运服务

货物多式联运指采用多种运输方式，将货物从接收货物的地点运送到交付货物的地点。货物多式联运具有责任统一、手续简单和安全迅速等优点。系统与公路、航海、航空等运输系统交互，动态分析货流，规划并优化多式联运线路。

关键技术包括多式联运线路优化、各运输方式协作、各运输方式成本定价。

4.3 智能调度指挥系统

中国R ITS调度指挥系统包括7个子系统：计划调度，列车调度，机车、车辆、动车组调度，供电调度，客运调度，综合维修调度和综合监控调度。智能调度指挥系统依靠先进的智能技术，实现各子系统的深度集成，采用集中控制方式来指挥列车运行，以计划为龙头，以行车指挥为核心，提升列车调度指挥的自动化和智能化水平。

关键技术包括运输计划优化、列车运行自动调整、进路自动控制、系统可靠性保障。

4.4 列车运行智能控制技术

（1）列车运行控制系统

该系统能根据列车运行情况及外界环境的变化，实现自动或半自动的列车运行和道岔控制，使列车以更高的速度和更短的间隔安全运行。该系统包括车载计算机控制、地面控制、联锁及调度集中系统。

关键技术包括列车控制、高速的车地双向通信技术、故障-安全设计。

（2）列车运行安全评估与辅助决策技术

安全评估与辅助决策技术是列车运行控制系统的关键技术，是实现列车控制系统自评估、自诊断和辅助决策的核心。其功能是应用先进的仿真技术和智能技术，处理列车运行控制系统数据，完成系统安全性、服役性能和运行状态的评估，为各级管理部门提供辅助决策支持。

关键技术包括数字化建模、数据自动识别与分析、专家系统、辅助决策。

4.5 车辆智能维修技术

（1）基于物联网技术的车辆状态感知技术

该技术根据列车运行实际需求，确定车载感知对象并布置传感器和电子标签，实现列车工作状态的自动感知；将感知对象划分为列车安全、列车运行状态、旅客舒适度及烟火报警等类别，分析各类的重要性差异，为车辆智能维修提供数据支撑。

关键技术包括敏感点优化技术、无线传感器网络技术。

（2）车辆维修的智能决策支持技术

该技术基于专家系统，建立车辆工况模型库，定量评估车辆安全性和服役性能，将仿真结果与实测信息对比分析，结合履历数据，提供个性化维修方案，并对修竣结果进行分析与评估。

关键技术包括车辆工况建模、专家系统、辅助决策。

4.6 路网智能维护技术

（1）基于物联网技术的路网设备管理

该技术为轨道、路基、桥梁、隧道和站场等路网设施配备电子标签及传感器，实时感知这些设施的工作状态；同时将这些设施进行数字化集成。维修人员可通过数字化平台查询关键设备的实时状态与履历信息。

关键技术包括海量数据处理、数字化建模、可视化技术。

（2）路网维护的智能决策支持技术

该技术基于专家系统，建立路网设备工况模型库，辨识高压供电故障、轨道结构疲劳、轨道变形、坡体坍塌等信息，定量评估路网设备安全性和服役性能，将仿真结果与实测信息对比分析，结合履历数据，提供个性化维护方案，并对维护结果进行分析与评估。

关键技术包括路网工况建模、专家系统、辅助决策。

4.7 铁路企业智能管理技术

实现铁路交通智能化，铁路企业管理智能化是其中一个重要和基础的环节，包括基础数据管理、运输资源管理与优化及企业电子商务平台搭建。

基础数据的有效管理是R ITS的基础，包括各企业运营生产所需的各类静态数据和动态数据。对这些基础数据应规范编码、统一命名并降低冗余度，同时通过相应的管理制度确保数据录入的准确性。

运输资源管理和优化是中国R ITS的重要组成部分。运输资源包括铁路运输生产所需要的各种技术、设备、人员和资金等要素。通过对运输资源的有效管理和优化，可提高设备、人员和资金等要素的配置效率，提高铁路生产效率。

企业电子商务平台通过互联网实现企业—企业和企业—消费者两种商务活动，是客票系统及货运费用支付系统的有力支撑。该平台通过整合网络导航、内容、链接等要素，对用户数据进行挖掘，优化用户体验，提升铁路企业的营销能力。

关键技术包括资源优化配置、数据挖掘、网络安全。

5 结束语

智能铁路的发展方向影响着我国铁路的整体发展方向和水平，对我国传统的运输组织模式和观念都将产生深远的影响。R ITS建设周期长，涉及面广，需整体规划，分步发展。我国R ITS的实施应充分利用现有各铁路信息系统，加强R ITS的基础研究和关键技术研究，及时将研究成果转化为产品并推广到铁路运输的各个领域。

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