新一代信息技术驱动下的智能重载铁路总体架构研究

2020-06-30曹鸿飞

铁路计算机应用 2020年6期

李平，曹鸿飞，谢鹏

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

云计算、大数据、物联网、卫星导航、人工智能、区块链等新一代信息技术的快速发展和融合应用，驱动着全球各行各业的数字化与智能化转型，也深刻地影响着重载铁路的发展。澳大利亚、北美、俄罗斯、巴西等国重载铁路正在围绕大数据、云计算、人工智能、物联网、智能运维、自动驾驶等领域开展创新应用。重载铁路创新应用涉及的相关新技术，如图1 所示。

澳大利亚矿业巨头力拓公司于2017 年10 月在皮尔巴拉地区完成了世界上首次货运列车无人驾驶测试，2018 年12 月28 日在该地区1 700 km 的重载铁路网上实现GoA4 等级的全自动货运列车无人驾驶正式运营[1]。未来澳大利亚重载线路将持续推进物联网、大数据和人工智能等信息新技术的全面应用。北美、俄罗斯、巴西等主要重载运输国家积极发展装备健康监测技术，开发车辆、线路健康监测系统，应用大数据进行监控预测综合报警、故障分析和实时处理[2]。尽管国外重载铁路应用新技术实现数字化智能化的战略方向已经确定，但是目前数字化智能化相关技术仅限于局部点上的应用，尚缺乏对智能重载系统的顶层设计。

我国在20 世纪80 年代开始发展重载铁路以来取得了快速发展，围绕安全监控、运输调度、客户服务等构建了大量的业务信息系统，有力支撑了重载铁路的主要业务发展。特别是2017 年以来随着《铁路信息化总体规划》和《铁路大数据应用实施方案》的颁布，重载运输领域也积极开展了大数据、人工智能等信息新技术应用的研究实践[3]。本文在对这些创新实践进行凝练总结的基础上，结合国外重载铁路信息新技术的应用现状和发展形势，基于对重载铁路业务特点和需求的分析，提出了智能重载铁路的内涵及总体架构，给出了典型业务应用的构成，并介绍了智能重载铁路总体架构研究成果在浩吉铁路的应用。

图1 重载铁路新技术应用

1 重载铁路的特点及当前面临的需求

根据2005 年国际重载运输协会（IHHA）提出的修订标准，重载铁路是指重载列车牵引质量至少达到8 000 t，轴重（或计划轴重）为270 kN 及以上，在至少150 km 线路区段上年运量超过40 Mt，3 项条件满足其中2 项的铁路[4]。由此定义可见，重载铁路具有载重量大、运输繁忙、业务链条长、同步操控复杂等特点，是一个跨多种运输方式、联动紧密、连续性强、协同性高的复杂系统，在持续保障运输安全、提高运输效率、降低运输成本、增强客户服务等方面面临着极大挑战。

1.1 安全保障

重载铁路由于运量大、轴重大、高密度、荷载作用时间长等特点，对线路、桥梁、隧道、接触网等基础设施的冲击力及破坏作用显著，极易造成基础设施的损坏[5]。此外各类自然灾害、外部环境变化等均会对重载运输的安全带来不利影响。因此需要广泛采用物联网、机器视觉、大数据、人工智能等技术，实现基础设备设施状态的全面感知、即时分析、故障预警和智能诊断，以及自然环境的智能监测预警和治安环境智能防控等。

1.2 运输组织

重载铁路业务上集产、运、销为一体，涵盖了上下游相关的集、运、疏等系统，组织上包括铁路、公路、港口、货源区等多个生产环节，和其它交通方式协作非常紧密。因此需要建设面向运输生产全过程的智能型调度指挥系统，加强与公路、港口、民航等其他交通方式衔接和信息共享[6-7]，推动运输业务流程优化再造，促进运输能力安排与市场需求精准匹配，提高重载运输效率。

1.3 资源维修

重载铁路由于载重量大、运输繁忙、连续性强、能源消耗大等特点，基础设施和移动设备过度维修或者欠维修都会对运输安全、成本和收益等带来不良影响。因此需要建设运力资源全生命周期闭环管理的模式，实时监控移动设备的运行状态和能耗情况[8]，基于大数据分析设备故障规律，优化修程修制，实现设备健康状态管理、寿命预测、能耗优化等，提高移动设备利用率、增强设备可靠性、降低检修成本，打造节能减排的绿色运输方式。

1.4 客户服务

重载铁路运输面临着客户需求差异大、多样化个性化突出、受宏观经济和政策影响大等特点，因此在客户服务方面需要以客户为中心，基于大数据和用户画像等技术开展货主画像、货运产品设计和精准营销，提高对市场变化的快速响应能力[9]。开展全品类物流、全流程服务、全方位经营、全过程管理，打通物流业务链条，与其它交通运输方式有效衔接，实现铁路内外部物流信息共享共用和互联互通[10-11]。

2 智能重载铁路的内涵及总体架构设计

2.1 智能重载铁路内涵

智能重载铁路是广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗卫星导航、区块链、机器人、下一代通信等新技术，以“货运物流化、经营市场化、管理一体化、生产智能化”为核心，通过综合高效利用所有重载铁路内外部资源，实现移动装备、固定基础设施及内外部环境信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策的新一代货运铁路系统[12]。

2.2 智能重载铁路总体架构

智能重载铁路的总体架构自下而上可划分为智能感知层、智能传输层、数据资源层、智能决策层、智能应用层等，如图2 所示。

图2 智能重载铁路总体架构

（1）智能感知层：主要完成重载铁路内外相关数据采集，通过卫星、铁路车站、沿线或车载安装的各类传感设备实时、准确、可靠地获取关键设备运行状态、外部环境信息等，为上层的智能决策业务和智能应用提供基础。

（2）智能传输层：负责通过5G、量子通信、光纤、卫星等有线/无线传输方式将智能感知层获取的数据传输汇聚到数据资源层。

（3）数据资源层：负责对汇集来的数据进行分级分类存储，可分为6 类大数据域。包括营销服务数据域（含客户数据、合同数据、交易数据、产品数据、广告数据、金融数据等）、运输生产数据域（含物流调度、安全调度、行车调度、运转作业、货运作业、货检作业、检修作业、施工作业等数据）、综合安全数据域（含安全监测、防灾监控、安全管理、应急指挥、视频监控等数据）、经营管理数据域（含人财物、办公、运输管理、价格、机车车辆等数据）、基础数据域（含线路、车站、品名、品类、车辆、机车、客户、组织机构等基础数据）以及其他相关数据域（含多式联运、国民经济、社会物流、地震、气象等数据）。

（4）智能决策层：通过时空大数据和人工智能等分析技术，依托智能重载基础平台为主要业务应用提供决策支持。智能重载基础平台由大数据服务平台、人工智能平台、空间信息平台等构成，提供数据挖掘、多维分析、文本分析、图像分析和时空融合分析等功能。

（5）智能应用层：主要包括智能建造、智能装备和智能运营等领域的主要业务应用。智能建造以BIM+GIS 技术为核心，将云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新一代信息技术与先进的工程建造技术相融合，实现重载铁路建设全过程的精细化和智能化管理。智能装备将全方位态势感知、自动驾驶、运行控制、故障诊断与健康管理（PHM）等技术与先进装备技术相融合，实现重载铁路机车、车辆等移动装备和基础设施全生命周期的安全化、高效化和智能化管理。智能运营将泛在感知、智能监测、增强现实、智能视频、事故预测及智联网等技术与重载铁路运营技术相结合，实现个性化服务、一体化运维和智能化运营。

3 智能重载铁路的典型业务应用构成

3.1 智能重载铁路业务架构

智能重载铁路遵循主流“平台+应用”架构，应用构成主要包括智能重载基础平台和智能建造、智能装备、智能运营3 大板块，如图3 所示。智能重载基础平台是整个系统的核心中枢，统一为智能建造、智能装备、智能运营3 大板块的应用提供大数据分析和智能计算等服务，实现3 大板块业务协同和信息共享。

3.2 智能建造

图3 智能重载铁路应用构成

主要包括综合交通体系协同施工、基于BIM+GIS 技术的工程建设管理等应用。其中：

（1）综合交通体系协同施工是指统筹考虑港口、道路、航空、铁路、管道等多种交通方式的衔接，实现跨多种交通方式、涵盖全供应链的协同施工。

（2）基于BIM+GIS 技术的工程建设管理是以BIM 技术为核心，结合云计算、物联网、大数据、移动互联等信息技术，实现工程建设设计、进度、质量、安全、投资、环保和技术创新等全要素信息精益化管控，具备主动感知预判风险的安全管理、基于BIM+物联网的质量溯源管理、形象化与大数据预测推演的进度管理、标准化的设计成果交付等功能[13]。

3.3 智能装备

主要包括重载列车自动驾驶、机车车辆全寿命周期管理、智能巡检车、智能牵引供电、基于卫星通信的移动闭塞等应用。

（1）重载列车自动驾驶在列车自动防护系统（ATP）的监督下自动控制列车运行，实现站间运行自动调整、自动运行及车站精确停车等功能，可有效地提升运营的智能化水平，实现安全、节能降耗的有机统一。

（2）机车车辆全寿命周期管理主要实现机车动力配置管理、机车履历管理、机车配件履历管理、机车技术管理、机车检修管理、机车重要零部件健康管理（PHM+），以及货车故障预测、货车质量分析改进、货车修程修制优化、安全信息预测、货车一车一档、货车走行里程分析等功能。

（3）智能巡检车主要用于实现重载铁路线路的轨道检测、接触网检测、信号机轨旁设备检测、限界检测及线路巡检等，并提供实时智能分析和预警等功能。

（4）智能牵引供电由智能牵引变电所和智能接触网构成。智能牵引变电所包括具有数字测量、网络控制、状态评估、信息互动等功能的智能一次设备，集成视频、安防系统、环控系统、门禁系统、在线监测等的智能辅助系统，以及广域测控保护系统等。智能接触网包括标准化、简统化接触网设备以及具备运行状态监控、故障报警、图像智能分析等功能的智能化接触网检测装备。

（5）基于卫星通信的移动闭塞通过在车载定位单元安装卫星接收处理模块和天线，地面在线路平均相距50 km 处设置地面差分基站，在调度中心设置差分服务器，实现基于高精度列车定位的移动闭塞。

3.4 智能运营

主要包括智能营销、智能综合调度、基础设施智能运维、综合安全大数据分析、综合视频智能分析等应用。

（1）智能营销首先通过客户画像分析，精准识别客户货物托运习惯、运力采购习惯等。根据物流产品特点，找到目标用户，实现精准运营和营销。其次通过在线电子支付、商务管理、理赔服务等功能保证客户需求受理和到达交付等环节顺畅衔接。最后整合具有互补性的运输、仓储、配送、流通加工、信息等相关资源，并统一调配、组织、管理、协调铁路自身和外部物流资源，为顾客提供管理咨询、商贸交易、车货匹配、物流金融和物流大数据分析等一体化物流服务。

（2）智能综合调度围绕建立贯通供应链全过程的一体化调度指挥机制，将集、疏、运端、供应链上下游、相关专用线纳入统一调度指挥体系，形成全过程协同的调度指挥能力，具备各工种调度计划的协同编制及路网车流的自动推算，基于大数据和人工智能技术等实现行车调度指挥、行车及移动设备的状态监视、报警管理、调度指挥联动及应急协调指挥等功能。

（3）基础设施智能运维是指工务、电务、供电、房建等基础设施的一体化、集中化、智能化运维，主要实现工电供联合生产指挥、设备综合监测、全寿命周期管理、故障智能诊断、运维综合分析、设备PHM 管理、车地闭环分析等功能。

（4）综合安全大数据分析主要实现基于大数据的安全风险分析、安全隐患分析、事故故障分析、机车视频分析、设备画像分析、人员画像分析和安全综合评估等。

（5）综合视频智能分析主要铁路综合视频和专业视频的集成和共享，基于大数据、机器学习等算法，采用云计算和边缘计算融合分析的模式，实现面向重载铁路视频监测数据的智能分析和综合预警。

4 智能浩吉铁路示范应用

浩吉铁路是世界上一次性建成里程最长的重载煤运专线，全线于2019 年9 月28 日建成开通。浩吉铁路北起内蒙古浩勒报吉站，途经内蒙古、陕西、山西、河南、湖北、湖南、江西7 省区，终到京九铁路吉安站，全长1 814 km，规划设计输送能力为2 亿t/年，是衔接多条煤炭集疏线路、点网结合、铁水联运的大能力、高效煤炭运输系统，是“北煤南运”新的国家战略运输通道和国家综合交通运输系统的重要组成部分[14]。

浩吉铁路贯彻落实“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，以智能化为引领，构建了智能浩吉总体架构，试验/部署了以下智能化业务应用：基于北斗的单线CTC、基于LKJ 的货运列车辅助驾驶系统、智能牵引供电系统、基础设施智能运维系统、综合安全大数据应用、综合视频智能分析系统、智能综合调度系统、智能基础平台等。

通过上述智能化典型系统的实施应用，智能浩吉铁路在提高效率、增强安全、降低成本等方面取得显著初步成效。（1）基于北斗定位有效提升了列车运行轨迹跟踪精度，实现了基于LKJ 的货运列车自动驾驶，提高了重载列车运输组织效率。（2）通过构建智能基础平台开展安全大数据应用，实现了设备设施和环境的综合监控、故障诊断、超前预警、资产全生命周期管理等，提高了重载运输安全保障能力。（3）通过采用基础设施运维和智能综合调度，实现了在保障安全前提下人力资源配置的精简和资源的高效利用，有效降低运营维护成本。