面向智慧化的重载铁路发展研究

朱 雨，石利刚，王健慧

(1.西南交通大学，交通运输与物流学院，四川 成都 611756；2.中国铁路太原局集团有限公司 运输部，山西 太原 030013；3.大秦铁路股份有限公司 科学技术研究所，山西 太原 030013)

铁路重载运输具有运输效率高、运能大、运输成本低等特点，因而引起世界各国运输行业的极大关注，大宗货物的运输也因重载铁路的出现而更加经济便利。随着全球新一轮产业革命和科技革命的兴起，重载铁路的智慧化已成为未来发展的重要方向。

近几年，一些学者已对重载铁路智能化、智慧化的发展进行了分析探讨。田葆栓[1-2]阐述了南非、俄罗斯、北美等国家及地区铁路重载技术的最新进展，对世界重载铁路运输的前进方向进行了归纳，并针对我国当今重载技术的发展提出了建议；吴嘉宁[3]基于物联网时代下交通运输行业的发展方向，针对开展铁路高精度的信息平台建设及组织高度机械化测控作业展开论述，给出一种铁路智慧的维修建设思路；田葆栓等[4]通过分析工业技术革命各阶段对铁路重载运输的影响，结合中国特有的国情及路情，阐述了工业4.0对中国重载铁路运输技术的影响，并给出中国重载铁路的发展建议；宋宗莹等[5]提出了重载铁路智慧车站的总体架构，并对其从智慧化基础平台、车站智慧大脑系统、车站智能业务系统及车站智能管理系统4方面进行了探讨分析；刘利等[6]对重载铁路的车务、机务、工务、电务、车辆、供电、调度中心七大部门的工作重点及其智慧化应用进行了阐述；李平等[7]在分析重载铁路业务特点及相应需求的基础上，阐述了智能重载铁路的内涵，并提出了其总体架构及业务构成。

本文在既有研究基础上，结合国外重载铁路相关技术的最新发展概况，对重载铁路特点及其智慧化需求进行分析，阐述重载铁路智慧化发展的内涵及方向。

1 世界重载铁路相关技术的最新发展

1.1 美国重载铁路相关技术发展

美国目前有BNSF铁路公司、UP公司、CN铁路、堪萨斯城南铁路公司、CP铁路、美国CSX运输公司、诺福克南方铁路公司7家一级铁路运营公司[8]。以运输煤炭、粮食、集装箱、化学品等货物为主，为进一步优化重载运输技术，美国采取以下措施：

1)研发新材料，延长零部件的使用寿命；

2)减少列车的开行数量，适当增加列车长度，提高运输效率；

3)发展线路、车辆健康监测系统，包括无人机检测系统、道旁检测等，最大程度上确保运行的安全性；

4)优化检修及资源维护，提高重载运输装备的利用率；

5)注重轮轨界面，研发高性能的钢轨和车轮，提高其抗疲劳性。

1.2 澳大利亚重载铁路相关技术发展

澳大利亚有较为丰富的矿产资源，其中铁矿石、铝土、黄金及煤炭的储量名列世界前位，这些特点促进了其重载运输的发展。

目前，澳大利亚重载铁路采用在线监测系统[9](见图1)保证列车运营的高效性和安全性，通过数据应用科学提高重载铁路的可靠性和适用性。在政府的资助下，澳大利亚的重载线路计划于2020—2025年在墨尔本到布里斯班之间扩建内陆铁路网，将物联网广泛应用于铁路的运营管理，重点投资全澳列车管理系统，以此发展移动封闭信号系统、远程操作、全自动无人驾驶、巡航控制、全方位监控系统及自动列车保护等技术。

图1 在线监测系统

1.3 南非重载铁路相关技术发展

南非重载铁路包括服务线、复线轨道、站场线以及其它铁轨[10]。其重载技术较为先进，主要集中体现在两条重载线路上：一是斯申-萨尔达尼亚矿石运输专线，二是理查兹湾运煤专线，均为1 067 mm轨距的电气化线路。

南非目前正在将部分既有线路改造成重载运输所需要的技术条件状态。开发运用ECP、动力分散牵引、列车道旁安全监控及集成列车通信等技术，最大化降低运输成本，减少重载运输的不安全因素。

1.4 巴西重载铁路相关技术发展

巴西的重载铁路主要由ALL公司和VALE公司经营，其中3条重载铁路最为著名。

第一条为MRS Logistica S.A. 货运铁路，该铁路与巴西3个最大的工业区及4个主要港口相连。

第二条EFVM铁路，是巴西运量最大且最具现代化的一条铁路。

第三条EFC铁路，是将铁矿石自矿山运输至大西洋沿岸的蓬塔马代拉港的一条重载运输铁路。

目前，巴西为保证重载铁路列车运营安全的可靠性，采用先进的监测系统，包括蛇行稳定性探测、车轮外形探测以及轴承声波和轨道形状探测[11]。此外，采用无人机技术对坡道、桥梁、沟渠进行监控，以便及时准确地发现桥梁和线路的不良情况，并及时维护，提高行车的安全性。

1.5 国际重载铁路技术发展现状分析

重载铁路运输由于具有成本低、运能大、能耗小、效率高等独有的技术经济优势，在货物运输中占据着重要地位，节能、高效成为其发展方向。基于前文，对美国、澳大利亚、南非及巴西4国的重载铁路相关技术的发展情况进行分析可知，重载运输发达国家通过研制大轴重和轻量化的车辆研制技术、大功率交流传动机车技术、长大编组重载列车及其配套技术、多联车组技术等来提高重载列车的运输效率，保障列车的运行安全。主要采取以下技术措施[12]。

1)研制节能、高效的大功率交流传动机车，以此提高列车牵引动力。

2)研制轻量化、大轴重的重载车辆，运用多联车组技术，包括大轴重车辆研制技术、车体结构轻量化技术和多联车组技术，如表1所示。

表1 国内外重载铁路代表线路轴重

3)运用长大编组列车，提升牵引重量，提高运输效率。

4)研究制作稳定性高的关键零部件运用于机车车辆，保障安全性。包括使用机车径向转向架，改进或优化转向架结构和部件，采用高性能缓冲器、牵引杆和高强度旋转车钩。

5)增强轨道结构，满足线路的平顺性及耐久性。包括铺设无缝铁路，运用可动心轨道岔及其他新型道岔，研制开发可防止轨内裂纹、表面裂纹且耐磨的新型钢轨，研究铝热焊接新技术。

6)配备大型养路机械，并将准确可靠的检测技术运用其中。采用预防性保养及维修体制，使用准确可靠的检测技术，配备专业化、多品种、多元化的大型养路机械。

7)采用自动化、网络化以及智能化的列车控制技术。

8)采用先进的监测系统，保证列车运营的高效性和安全性。

2 重载铁路特点及其智慧化需求

铁路重载运输业务链条长、载重量大，同步操控复杂、运输繁忙[13]。铁路重载运输系统是一个连续性强、跨多种运输方式、联动紧密的复杂系统，结合世界重载铁路的相关技术发展概况可知，重载铁路的发展对于客户服务的关注、运输效率的提升、设备设施的维修以及运输安全性的保障等方面存在一定需求。

2.1 重载铁路运输组织特点及需求

运输组织是重载运输的重要部分，重载铁路的集运及疏运系统促进了其业务上的产运销一体化，在运输组织上，港口、铁路、货源区及公路等多个作业地点紧密相扣[14]，各种交通运输方式间紧密衔接。因此，智能化调度指挥系统的研发建设尤其重要，有利于促进铁路与民航、港口、公路等运输方式的彼此衔接及重载运输环节的业务流程优化重组，达到信息的互联共享目的，提升运输能力与客户需求的适应性，促进重载运输效率的提高。

2.2 重载铁路设备维修特点及需求

重载铁路资源消耗较大、运营繁忙、载重质量大，一旦线路设备或基础设施损坏老化，无论是欠维修或是过度维修，都将对重载铁路在收益、成本及安全性等方面产生负面影响。

因此，需要构建运输运力资源的寿命周期化闭环管理模式，对移动设备的能源消耗情况及运行状态进行实时监控，基于大数据处理等手段对设备故障规律进行总结分析，实现设备的能耗优化、寿命预测及健康状况管理等功能，提高移动设备的可靠性及利用率，降低维修成本，实现节能减排和绿色环保。

2.3 重载铁路运营安全特点及需求

列车的长度增加、重量增大及车辆轴重增大等情况时有发生，这些都会导致产生重载线路变形、轮轨磨损加剧、车辆设备损坏增多等现象，因此，发生事故的可能性要高于普通货物列车。若事故发生，其造成的经济损失及社会损失巨大，此外，各种自然灾害、外部环境的变化也会影响重载铁路的运输安全。

在重载运输全过程中需要大面积采用人工智能、通信技术、机器视觉、感测技术及物联网等先进技术，采用先进可靠的监测设备及监控系统、分专业安全检查监测系统[15]，进行系统整合及综合运用，以实现重载运输安全的全面监控、基础设施状态的全方位掌控、故障预警、智能诊断，并进行及时分析。同时，对外部环境状态要采取智能监测、预防及控制等措施。

2.4 重载铁路客户服务特点及需求

重载运输所服务的客户有多元化、差异化需求，且容易受相关政策及市场宏观经济的影响，易发生决定临时性更改情况。因此，为适应市场的外部环境变化，可依托用户画像[16]、大数据等技术对货主形象及要求进行临摹，开展差异化、等级化定制服务。开展全流程服务、全过程管理、全品类物流及全方位经营，将重载铁路与其他运输方式合理接驳，促进多式联运，以此促进铁路内部与外部之间物流信息的互联互通与共享共用。

3 重载铁路智慧化发展的内涵及方向

党的十九大提出：创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑[17]，重载运输将趋向清洁化、智慧化方向[18]。其中，重载铁路智慧化发展是指充分利用大数据、互联网+、人工智能、云计算、物联网、5G等一系列先进科学技术，以智能检测、智能运维、智能安防、智能控制、智能调度等为主要内容，以此打造智慧重载铁路，其主要内容架构如图2所示。

图2 重载铁路智慧化发展内容架构

3.1 重载铁路智能检测

3.1.1 创新智能检测设备

基于新技术及时准确地采集检测设备数据，注重维修作业及检测设备数据的收集，根据综合传感器使用状态的管理信息以及检测系统中的数据分析结果，评估轨道状态及线路性能的优劣状态。

3.1.2 运用智能巡检车

适用于重载铁路线路的不定期巡检、限界检测、接触网检测、轨道检测、信号机轨旁设施检测等，及时进行信息反馈分析，并提供智能预警以便采取智能防控。

3.1.3 机车车辆全寿命周期管理

主要用于机车检修管理、货车故障预测、安全信息预测、货车质量分析与改进、机车重要零部件健康管理(PHM+)等。

3.2 重载铁路智能运维

3.2.1 现场智能作业管理系统

考虑铁路线长、作业分散、作业过程监控难等特征，把物联网、大数据技术、云计算和移动互联网进行有机融合，实现云架构、数据化和移动化，建立一个为客户考虑的智能现场作业管理平台，构建完整的综合智能运维体系[19]，以此实现现场作业过程的可视化及作业流程的信息化。

3.2.2 基础设施智能运维

基础设施智能运维是指供电、工务、电务等基础设施的集中化、智能化运维，主要功能在于实现设备综合监测、故障智能诊断、车地闭环分析、设备PHM(故障预测方法)管理及运维综合分析等。

3.2.3 综合视频智能分析

收集共用铁路现场、施工及运行等综合视频，在云计算、机器学习、大数据、边缘计算的基础上，抓取视频内监测数据，进行总结分析和预警。

3.2.4 智能运维“状态修”

依照国家能源集团采用的铁路货车“状态修”健康状态诊断模型及状态监测维修系统，实现铁路自备货车的整列驶入、整列精确施修、整列修竣、整列发车，具有高度的自动化及智能化水平，以提高铁路自备货车的检修精准度及效率。除此之外，对车辆故障进行全方位检修，减少列检的作业量及临修量，压缩列车的技术检查时间，最终达到提升运输效率目的。

3.3 重载铁路智能安防

以我国智慧铁路指挥调度龙头—佳讯飞鸿为例，采用重载铁路车辆间距预警系统、小型复合式无人机系统及振动光纤入侵监测系统。其中重载铁路车辆间距预警系统是一个为重载铁路专属定制的列车运行预警系统，重载列车机车司机能够及时了解前后车的运行信息，与此同时，地面管理工作人员能够精确了解全线列车的运行情况，以此实现列车的平稳驾驶及达速运行。振动光纤入侵监测系统将光纤当作传感器的探测信号，采用模式识别技术分析振动信号的特点，其抗干扰能力强，能够屏蔽风雨雪等外界干扰，可精准及时提供可靠性较高的入侵警报信息。

3.4 重载铁路智能控制

3.4.1 建立以地理信息平台为依托的作业控制

利用高精度地图实现检修作业设备的动态定位，通过采用终端显示、业务定制等方式，参考地理信息平台之中的作业位置信息，利用数据通道及高精度的定位设施设备来传递地理位置数据，综合利用施工状况、作业位置及铁路作业计划等信息，达到集团重载铁路在智能平台上“一张图调度”目的。

3.4.2 研究维修控制设备的创新之处

基于大数据挖掘及需求预测理论的体系方法，在一个维修周期的前提下，对重载铁路轨道质量损坏态势进行总结分析，并分析其相关特点，建立模型进行周期内铁轨质量及寿命的长期性预测。建立以设施维修作业年度总量为目标函数的维修决策优化模型，最后提供经济有效的方案。

3.5 重载铁路智能调度

3.5.1 重载铁路调度优化系统研发

对重载铁路的调度优化框架进行研究，结合重载列车智能控制系统的信息交互及融合技术，与既有的综合调度系统相融合，以此构建支撑平台，实现重载列车的调度优化控制及实时调整，最终达到降低系统能耗、设施损耗及系统综合运输效率提升目的。

3.5.2 智能综合调度系统

将相关专用线、供应链上下游、集疏运系统纳入调度指挥体系并构建一体化调度指挥机制，发挥全程协同的智慧调度指挥作用，自动推算路网货车流，联合编制不同工种间的调度计划，在人工智能、物联网、大数据等技术的基础上实现移动设备及行车的报警管理、状态监视、调度指挥多级联动及应急性协调指挥等功能。

智能综合调度系统[20]建设是以日常的运输调度指挥为工作核心，以货物的运输需求为核心驱动，以物流计划为基本依据，以物流资源、车流推算、物流服务、数据统计和调度命令为主要内容。此系统以智能大脑为中心[21]，其功能架构设计如图3所示。

图3 智能综合调度系统功能架构设计

3.5.3 智能融合调度平台

此平台基于“飞鸿云”“IMS”“eLTE宽带无线”三级架构，设置视频调看、系统接入、视频指挥及视频会商等功能，通过业务融合、宽窄融合、固移融合等模式，为客户提供一个“语音+数据+视频”的完备移动保障功能，达到规范管理、成本降低和提升效率目的。此平台使得调度指挥系统的感知更为全面、预警分析更为准确、智能化处理能力更为深入，能够有效提升行业客户需求的满意度。

4 结 语

随着科技的不断进步及客户需求的不断提升，货运智能化已成为当今铁路发展的长远要求，其发展方向逐步趋向智慧重载铁路技术。本研究在总结国外重载铁路相关技术发展概况的基础上，通过分析重载铁路的特点及其智慧化需求，明确重载铁路智慧化发展的内涵，进而总结出其面向智慧化的发展方向，对于重载铁路的智慧化发展具有一定参考价值。

1)在重载铁路智慧化发展中，应着重面向5个领域，分别为重载铁路智能检测、重载铁路智能运维、重载铁路智能安防、重载铁路智能控制、重载铁路智能调度.

2)对于重载铁路智慧化发展方向的研究，本研究虽然阐述了各方向的内容架构，但大都基于规范性的理论分析，缺乏实际应用论证，因此，需要细致考虑重载线路、车站及机车车辆的具体情况，针对某条线路研究探讨其技术方案，将智慧化技术不断应用于重载铁路。