基于数字化驱动的铁路运输调度系统研究与应用

徐正昊 中国铁路上海局集团有限公司镇江站

1 引言

随着铁路和高新科技的迅速发展，我国铁路的覆盖网迅速扩大规模，铁路中的运输调度与管理也呈现出越来越复杂的局面。我国铁路的里程发展尤为迅速，从2000年的6.8万km增长到2020年的14.14万km，高铁里程更是高居世界第一。

与此同时，随着智能化信息产业的蓬勃发展，在物联网、车联网、边缘计算等技术的数字化驱动，为构建全网络的数字化铁路运输网络提供了坚实的技术后盾。未来的高复杂铁路运输网络要提高运输调度的实时可控性、运输安全性和高效调度，除了需要优化自身运输调度系统，还需要结合信息产业技术，全面更新铁路运输网络，为我国铁路注入新的活力。

2 目标

数字化驱动的铁路运输调度系统的最终目的是，通过第五代（5G）无线通信技术连接调度控制系统、车载终端和智能化铁路设备等，从而大大优化铁路运输调度系统的管理，提高列车调度系统的进程和全面化调度集中系统，以此对铁路运输进行全面更新换代。具体目标如下（数字化驱动的运输调度系统目标示意图如图1所示）。

图1 数字化驱动的运输调度系统目标示意图

第一，利用5G无线通信的海量数据传输的特点使复杂的运输网络中各个节点信息能够成功上载。通过大规模多输入多输出技术，在运输网络节点集中区域进行大数据上载，使得整个区域性网络中的量级数据都能够被传输到边缘传输网络。然后，通过数据的后处理，使得各个设备的运行数据和规律能够直观的展现出来。第二，使得铁路运输调度更加灵活、合理化。通过利用5G无线通信的超低时延特性，能够使得列车指挥调度系统能够实时地与车载终端和铁路智能化设备进行信息互联，从而建立交互式的通信数字化驱动的运输调度网络，从而实现实时动态地调整即时调度策略。改善列车运输调度中心与实际运输之间的调度误差。第三，改善铁路运输调度的效率。通过不断地更新实时列车运输信息并不断地优化调度策略，使正在执行的调度策略始终处于最有效的状态，大大提升了由于异构调度策略所带来的执行误差。第四，改善铁路运输调度的定制化耦合管理。通过各个区域性运输网络的差异性，利用全连接数字化驱动方式，使得各个具备差异性网络之间有机耦合，使其既不影响调度效率，还能相互耦合促进，从而达到区域性运输调度的定制化耦合管理。第五，铁路运输调度管理、指挥、调度的智能自动化。一线运行、指挥调度和方案管理的有机结合离不开高性能的通信服务，通过超高可靠低时延的通信网将铁路运输调度的各个技术部门、服务部门和管理部门深度融合，建立应急响应、快速反应的一体化服务。

3 数字化驱动运输调度系统的构成

基于5无线通信技术的“数字化驱动运输调度系统”采用了基于多输入多输出、边缘计算、网络切片、协作通信等5G无线通信技术，实现铁路列车、铁路设备群和铁路指挥、调度、管理系统的状态共享、调度优化和智能自动化管理。

3.1 数字化驱动运输调度系统搭建

数字化驱动运输调度系统及无线通信网络为核心，以实际铁路运输网为基础，从一体化铁路运输网展开，以实现数字化的信息驱动调度系统。数字化驱动运输调度系统由列车车载系统、铁路智能设备群、无线通信网络、列车指挥系统、调度中心系统和调度管理系统等部分组成。数字化驱动搞运输调度系统的涵盖了铁路设备群的所有信息数据，将这些量级数据信息通过多输入多输出无线通信技术传输到分布式通信基站，在通过分布式基站的数字化边缘处理服务器对量级信息进行初始化处理，从而获得运输调度的数字化驱动基础。调度管理系统通过这些量级的数字化驱动信息实现对一体化铁路的全面监控与管理。同时调度管理方案通过列车指挥系统和调度中心系统又通过下行的无线通信技术被广播，以实现列车和铁路智能设备群的实时监控与控制。数字化驱动的运输调度系统功能架构如图2所示。

图2 数字化驱动运输调度系统架构图

3.2 信息上载

在整个铁路运输网中，信息上载是整个数字化。

驱动运输调度系统的基础部分，通过铁路运输网与调度相关信息、列车及铁路设备群信息和应急类信息的上载以获得数字驱动信息条件。针对不同类型的数据信息进行有效的获取及分类，是保证铁路高效、智能运行的首先前提。多类型量级信息可以通过无线通信的方式被上载。通过5G无线通信的大规模多输入多输出技术来保证大网络下的量级数据的整体上载，以保证数字驱动信息的有效性。此外，通过高压电力线通信与无线协作通信，以保证应急事件信息的请求准确性。其中，应急事件的信息直接上载到装备有边缘服务器的分布式基站上。其他信息则被上载到数字化驱动终端调度系统。

3.3 数字化驱动调度处理与分析

数字化驱动调出处理与分析是数字化驱动运输调度系统的特点与优势核心，包括应急事件的边缘计算处理、定制化网络切片、自动化调度优化、数据后处理技术、一体化通信技术等。首先通过分布式的边缘计算中心对应急事件进行优先处理，并通过边缘指挥中心下达执行指令，以保证铁路运输网的正常运行与工作。与此同时，通过数字化驱动终端调度系统对区域性铁路网进行定制化分析，然后再通过实时的列车运行环境，列车状况和当前调度方案等信息实时地更新列车运输调度方案。此外，数据后处理平台，一方面通过数据挖掘技术对数据信息进行规律探索，以提高铁路运输的效率，另一方面通过可视化技术将探索数据特征所得到的一般性规律经行可视化，可视化方式可以通过散点图、折线图、热点图和3D实时地域分析等进行。通过对一体化铁路运输网信息的高速处理和数据后处理，提高铁路运输的智能性、即时性和可靠性。

3.4 数字化驱动调度系统功能

全铁路网调度。构建一体化铁路运输网，可以通过大数据通信进行全网互联。列车指挥中心、调度管理中心和调度集中系统与列车和铁路设备群相互发送调度相关请求与命令和运行信息。

远程调度在线升级。通过安装在列车上的开放式接口设备，利用无线通信的低延时高可靠特性可以对各区域铁路网进行在线升级与修改。

铁路运输调度数据分析处理功能。根据自动报点、离线预测和调度方案统计分析，数字化驱动运输调动系统可以自动优化并产生运输过程中所需要的统计信息。

确定列车或设备的实时性跟踪定位。无线通信的超低延时为列车的上载铁路公里标和地理经纬度坐标提供了前提保证。列车指挥系统可以根据实时性的地理位置信息对每一辆列车和智能设备进行静态或动态点追踪，针对不同的显示场景，数字化驱动运输调度系统可以结合各种数字信息在指挥室的电子地图上实现实时定位追踪。

4 数字化驱动运输调度系统的应用

考虑由铁路总公司设分布式调度管理处、铁路局设边缘处理中心、列车调度总管理中心、列车运输路线及智能设备等组成的某区域性铁路运输调度网络。传统的铁路运输线路的诸如运输调度、设备维修等事件的信息交互处理大多基于第四代甚至不及第四代移通信技术，并且分级管理、集中式处理的方式大大降低了铁路运输调度和其他事件处理的效率，尤其是对于突发性事件。通过数字化驱动的铁路运输调度系统为这些问题提出新的解决方法。

（1）首先从实时性分类控制、分级处理的角度看，基于数字化驱动的铁路运输系统能够实现列车指挥中心对该网络中的每辆列车实现低延时通信的实时控制，基于5G的通信特点使这点成为了可能。区别于列车的控制，一些应急事件的优先处理在每个区域性定制化网络中的边缘应急中心被就近处理，一方面通过边缘针对性计算处理保证了应急事件处理的优先性，另一方面边缘计算处理充分发挥了本地处理的优势，大大降低了集中式统处理所带来的计算延时和通信延时。

（2）从区域性铁路运输网的调度方案定制化的角度看，不同的铁路线路规模，不同时刻经过列车数量，轨旁智能设备数量和实时应急变故等因素共同构建了每个时刻、每个区域铁路运输调度的特殊化。通过5G无线通信超高可靠低时延的特点和网络切片技术，能够将多个独立或耦合的区域性铁路运输网进行实时性调度优化、应急处理和网络定制化。结合列车运行环境、智能设备状态合理地、科学地、适时地优化运输调度方案。不仅仅大大提高了复杂铁路运输网的灵活度，还为智能自动化运输调度提供了基础。

（3）从铁路运输网系统数据后处理角度看，数据是数字化驱动的运输网络系统核心，原始数据用来即时性运输网络驱动，数据的后处理则用来表征运输调度过程中的规律、可视化和方案探索，并对智能设备群、列车等硬件设备提供安全检测。

数字化驱动的运输调度系统可以根据原始的列车运输调度、智能设备群的驱动数据对铁路运输网络进行实时地网络驱动，不仅如此还可以根据后处数据处理从经验数据中获取学习能力，从计算机的角度综合地、智能地分析出一体化的全网络运输管理方案。同时具有传统铁路运输网的的分级管理、集中处理的优势，更具有更科学的数据管理分析能力，多类型事件分类处理能力和超强性定制化管理能力。

5 结束语

随着铁路科技和通信技术的急速发展，成熟的通信技术也与铁路运输网进行了深度融合，也使得铁路运输调度也逐渐趋向于标准化、高效化和安全化。具有铁路运输网的数字化管理，数据后处理，调度方案分析、指挥方案的优化和运输调度的一体化的数字化驱动的铁路运输调度系统具有很庞大的应用场景。数字化驱动不仅仅能让铁路运输调度变得更具备操作性和分析性，还更能够对实际运输调度的模拟进行数字量化，从而使得铁路运输调度网络具备更高的延展性。