基于“智能浩吉”的研究对智能重载铁路的推广

2021-09-16武晓东

中华建设 2021年9期

武晓东

进入新时代，信息技术与智能技术飞速发展，全行业开启利用高新技术改造传统产业的进程。铁路行业作为交通运输骨干，同样也面临前所未有的挑战。我国铁路建设运营场景丰富，存量数据庞大，为新理想、新技术提供了良好的实践基础。随着智能化在各领域的成功应用，智能铁路的全面推广势在必行。本文介绍了智能铁路国内外发展现状，并通过“智能浩吉”在运营管理上的成功应用，对智能重载铁路的优势进行详细论述。对智能重载铁路的具体实施及推广具有重要的参考意义。

一、智能铁路发展现状

1.国外智能铁路发展现状

2008年4月开始，东日本铁路公司开始部署2020年新一代轨道交通系统研究计划，采用全系统统一设计理念，提出了新的列控系统框架：（1）通过把列车运行调度和运行控制在功能层次上的合理分配，来解决列车运行的控制效率与安全问题；（2）采用无线通信技术和移动闭塞技术，将部分功能转移到列车上，取消了轨道电路，简化了地面设备；（3）轨旁设备数字化，并通过光缆或者无线与室内设备连接，实现了轨旁设备智能化。

2011年欧洲铁路工业协会提出Shift2Rail联合技术首创计划，目标是克服目前轨道交通存在的技术弊病，通过该计划的合作来确保长期的竞争力和更高的效率，在轨道交通研究方面产生了阶跃式的变化。Shift2Rail计划的IP2项目研究“先进的运输管理和控制系统（Advance Traffic Management & Control Systems）”，其核心研究任务包括ATO、移动闭塞、下一代通信技术和卫星定位技术。为了保证项目研究的延续性，NGTC的研究成果作为Shift2Rail计划IP2项目的输入，将继续深入研究和实施。

2018年12月28日，力拓集团在澳大利亚西部的皮尔巴拉地区1700公里的重载铁路网上实现自动化运营。这是世界上首次全自动无人驾驶列车正式运营。

2.国内智能铁路发展现状

我国铁路人工智能较西方国家来说起步较晚。1978年至1990年，我国以引进国外系统为主。基本上以失败告终，原因：国内外管理体制、理念和方法不一样；1988年至1994年，以外包给国内大公司（中软、智冠等）开发为主，基本上以失败告终，原因是外部公司短期内难以理解掌握铁路的业务；1993年至2004年，以铁路内部技术力量自主开发为主；2005年至2015 年，铁路信息化不断升华；2015年至今，铁路信息化总体规划的发布，智能化走向前台，以“智能京张”“智能京雄”“智能浩吉”将智能铁路推向新的高度。

二、智能重载铁路内涵、目标及特征

智能重载铁路的内涵定义为：利用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗卫星导航等新技术，综合高效利用铁路所有内外部资源，通过铁路移动装备、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、科学决策和主动学习，实现全生命周期一体化管理的新一代货运重载铁路示范。

智能重载铁路的目标如图1：

图1 重载智能铁路的目标和特征

（1）更加安全可靠。通过重载铁路固定设施、移动装备、运输过程及自然环境等的状态感知，实现设备故障、行车事故的预测、预警，突出超前防范，整体提升铁路运行安全保障能力。

（2）更加经济高效。通过重载铁路运输组织的智能优化，提高运输效率；通过对铁路各设备设施全寿命周期管理，降低养护维修成本；通过铁路经营管理精细化，提高经营效益。

（3）更加方便快捷。通过重载铁路货运的网络化，为货主提供物流全流程的货物跟踪及查询服务，实现运输信息透明化。

（4）更加节能环保。优化列车动力结构和列车运行控制方式，实现各环节用电在线监测、智能分析和节能控制，降低能源消耗。优化建筑结构、设备跟踪及移动闭塞技术等，通过共享总公司主数据中心IT基础设施资源，提高运输质量、优化收益的目的。

三、智能重载铁路总体架构及各系统架构

本文基于“智能浩吉”在运营管理上的成功应用，详细讲解智能重载铁路的整体设计理念。

1.总体架构

以浩吉铁路为例，信息化体系按其职能划分为五个层次，从下到上依次为：

（1）智能感知层

智能感知层主要完成基础数据采集与操作指令执行，通过各类智能传感设备实时、准确、可靠地获取各类关键设备即时运行状态，同时智能执行单元根据指令进行现场作业，为业务应用、智能决策提供基础。

（2）智能传输层

智能传输层作为整个信息化体系的“神经系统”，直接影响着业务系统的运行及生产作业的开展，通过光纤、卫星及各类无线传输通道将智能感知层获取的数据上传到各类业务系统，同时将各类操作指令传送到作业现场。

（3）业务应用层

业务应用层是系统架构中体现核心价值的部分。业务层主要是通过对业务规则的制定、业务流程的实现等进行的系统设计。浩吉铁路结合自身的实际需求，重新整合主要业务：营销服务、运输生产、综合安全、经营管理。

（4）智能决策层

智能决策层包括大数据服务平台、人工智能平台，运用数据挖掘、交互分析、机器学习、时空感知等技术，融合营销服务、运输生产、综合安全、经营管理等领域业务知识，通过逻辑推理来帮助解决复杂的决策问题，形成了蒙华铁路大脑。

（5）智能应用层

智能应用层基于智能决策层提供的数据分析、逻辑推理结果，结合生产实际，解决传统信息化业务系统难于解决的综合性、复杂性、不确定性问题，为生产实际提供指导，从而实现浩吉铁路货运物流化、经营市场化、管理一体化、生产智能化。

2.系统架构

（1）功能架构

功能架构设计以智能大脑平台为中心，以智能装备、智能运营两个方向展开。“智能浩吉”大脑由大数据资源湖、大数据分析技术、智能计算技术、行业专用模型、大数据可视化等部分组成。智能装备包括基于LKJ的机车自动驾驶、基于北斗的单线CTC、智能牵引供电等典型应用。智能运营包括智能调度、基础设施智能运维、大数据综合安全等典型应用（图2）。

图2 智能浩吉功能架构

（2）数据架构

总体方案的数据架构采用统一的数据标准和数据模型。划分为以下六类：

①营销服务数据域

营销服务数据域的数据以营销为中心，以服务为目标，具体数据包括：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。

②运输生产数据域

运输生产数据域的数据以生产为核心，以运输为主线，具体数据包括：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、施工作业等业务应用类数据。

③综合安全数据域

综合安全数据域的设计以安全保障为中心，具体数据包括：安全监测、防灾监控、安全管理、应急指挥、视频监控等应用类数据。

④经营管理数据域

经营管理数据域的设计主要包括人财物数据、办公自动化数据、运输管理、价格、机车车辆等类型数据。

⑤基础数据域

基础数据域以整个信息化系统通用的标准数据为主，主要包括：线路、车站、品名、品类、车辆、机车、客户、组织机构等类型数据为主。

⑥其他相关数据域

对于相对专业的数据，或者暂时与业务应用结合较少的数据，暂时划归到本数据域，包括：多式联运、国民经济、社会物流、地震、气象等。结合业务应用，数据仓库中设置货运营销、货运生产、货运分析等数据。最终通过数据挖掘分析，将业务应用关心的分析结果以服务形式提供给业务应用和业务系统。

（3）网络架构

浩吉铁路在进行局域网、数据中心建设时采取层次化或者扁平化的设计模式，局域网一般采用“核心交换机+接入层”的层次化设计模式，数据中心生产网与管理网进行物理隔离，通过部署网闸，作为两个网络唯一的连接点，保障信息访问的安全控制。

数据中心采用外部服务网与内部服务网的物理隔离访问方式，各区域部署防火墙进行有效隔离的网络安全访问机制，有效提升内部生产网的信息安全程度。

数据中心采取扁平化模式：服务器直接接入核心层；通过减少物理和逻辑级联级数，减少中间延迟环节，以提供更加快速的数据通道；使服务器直接接入核心层，从而形成扁平化的网络结构；采用扁平化的前提是核心层设备需要高性能和大容量，并配置高密度以太网口用以直接下挂服务器和终端（图3）。

图3 网络总体架构设计

（4）数据中心架构（图4）

图4 数据中心架构

浩吉铁路数据中心采用主备数据中心的建设方式，接入武清主数据中心，同时建设北京备份机房。主数据中心与北京备份机房按照云架构方式部署，使用云管理平台统一进行管理及资源分配。

（3）安全架构

安全架构的设计维度包括两类：管理体系架构、技术体系架构，二者相辅相成、缺一不可。

①管理体系架构

主要包括安全组织和安全策略。安全组织可以细分为：组织机构管理、岗位及职责、人事管理等。安全策略包括安全总体方针、规范和制度、安全风险管理等方面。

②技术体系架构

从设备安全防护角度，主要包括：数据安全、网络安全、应用安全、主机安全、物理安全等。从环境监控和人员保障措施角度，主要包括：隔离网闸、防火墙、入侵检测、身份认证管理、访问控制、安全审计管理。

以上方面的设计同时构成了运维体系架构的内容（图5）。

图5 安全架构图

四、智能浩吉”的示范应用

智能浩吉在运营维护上包含六大示范应用，包括：基础设施智能运维、综合安全大数据应用、综合视频及智能分析、基于北斗的灾害监测应用、智能综合调度、智能浩吉大脑平台。详细要求如表1所示。

表1 智能运营六大示范应用

1.基础设施智能运维

基础设施智能运维管理系统采用“平台+模块”的模式，即基于智能大脑平台，实现智能运维可视化、设备全寿命履历、移动检测数据、固定监测数据、现场检查数据、智能数据分析、联合生产调度、设备PHM、工电供接口动态监控、应用系统管理等功能模块。浩吉基础设施智能运维管理系统采用统一的B/S架构进行开发，规范工务、电务、供电等基础设施检测、监测、检查数据接入方式，实现专业化的智能数据分析与处理流程，建立统一的设备病害问题库，对生产维修过程进行全面管理。系统生产模块采取在武清主数据中心一级部署方式，实现浩吉公司及所属综合维修段、综合车间、工区多级生产应用（图6）。

图6 浩吉基础设施智能运维管理系统总体架构

基础设施智能运维有以下优点：

（1）提高工作效率

实现工务、电务、供电等专业大数据的标准化处理、集成整合、集中管理和综合分析，有效解决结合部问题提高工作效率；

（2）降低人力成本

快速定位事故故障发生原因，有效排除事故故障对列车行车安全的影响，降低人力成本；

（3）减少硬件资源成本

利用大数据接入、存储和共享技术，解决海量多源异构工务、电务、供电大数据采集、存储和共享，减少硬件资源投入；

（4）提高设备使用周期

实现工务、电务、供电专业的设备的全生命周期管理，有效预测设备健康状态，减少人工巡检和运维成本，提高设备使用周期。

2.综合安全大数据应用

浩吉铁路安全大数据应用以安全管理和安全风险分析为突破口，以安全风险预警为核心，以“智能浩吉大脑平台”为支撑，集成各专业（系统）的安全数据、设备数据、人员数据、综合数据等，运用关系型数据分析技术、事故故障文本分析技术、安全设备流数据分析技术，安监综合分析、调度安全分析、货运安全分析、机辆安全分析、工务安全分析、电务安全分析、供电安全分析等功能。开展安全设备人员评估，分析安全因素关联关系，挖掘事故故障演变规律，逐步实现事故故障预警预测。进一步提升安全管理效率，支撑精准监督检查，保障铁路运输安全（图7）。综合安全大数据应用有以下优点：

图7 浩吉铁路安全大数据应用总体框架

（1）整合安全风险管理系统、安全绩效考核系统、安全整改系统，优化安全综合管理、安全监督检查业务流程，实现不同层级的安全发牌、问题整改等功能，开展安全标准化、规范化管理，提高安全管理效率。

（2）收集铁路事故故障分析报告，采用先进的文本分析技术，开展铁路事故故障的智能诊断，智能推荐事故故障主要原因，分析事故故障的发展规律及趋势，实现事故故障快速处理、防止事故故障扩大化，为事故故障预防、诊断、整改等提供数据支撑。

（3）借鉴互联网客户画像先进理念，开展设备“画像”综合分析，通过整合固定设施和移动设备数据，运用大数据分析算法，实现设备设施修护具有针对性、故障防控具有超前性、安全预警具有时效性。

（4）人的不安全行为是制约安全的关键因素。汇集铁路人员基本数据、安全信息、培训信息、职教信息，以单个员工、群体为主体，构建基于业务特点的安全标签体系，评估铁路职工的安全状态，实现人员能力预警，实现了“个人/班组/车间/站段”不同层级的评估及排名，指导安全人员专业培训，从“人防”角度保障铁路运输安全。

3.综合视频及智能分析

系统按照“平台一体化、架构扁平化、前端定制化、运管智能化”的原则进行设计与实现。针对当前铁路视频各专业用户的痛点，着眼于满足未来铁路各项业务的需要而构建的一体化、分布式、可定制、智能化的综合视频监控系统。系统具备优秀的云化特征，基于深度智能的视频内容分析，具备强大的视频质量诊断能力，具备可定制化的服务与移动终端设计功能。采用综合视频及智能分析系统有以下优点：

（1）技术先进

系统采用云平台、云存储（cloud storage）、大数据、集群、分布式计算、网格计算及纠删码（Erasure Code EC）等技术实现，技术先进符合当下IT技术发展趋势并紧密跟随安全防范行业发展方向。

（2）架构灵活

平台后端（应用子系统及存储子系统）采用分布式架构设计实现，支持水平扩展，支持垂直扩展，支持弹性灵活部署。平台具有显著的分布式系统特征，运维管理更加方便、智能、简洁。

（3）数据安全

平台支持双副本、三副本模式，最大可能保护数据的安全性；支持精简配置、分级存储、远程复制等功能特性，轻松构建解决方案级数据保护。

（4）应用高效

平台采用了云存储技术实现，可以显著地提升存储空间利用效率降低碎片化，降低数据恢复时间。平台应用部分采用云计算技术实现，能够方便地进行弹性扩展及故障隔离而不影响业务的持续稳定运行。平台客户端支持多文档工作模式，方便用户分屏处理，协同工作，界面设计友好使用方便。

（5）开放兼容

平台满足国际国内及行业主流标准具备开放互联的能力。

4.融合北斗的工务基础设施监测应用

工务监测融合北斗技术，建设集成线、桥、隧等工务基础设施不同阶段、不同来源的多种检测监测信息，包括动态验收的检测数据、轨道刚度和探地雷达等移动检测数据、线桥隧长期监测数据等，综合分析线、桥、隧状态变化，为养护维修决策提供支撑。采用融合北斗的工务基础设施监测有以下优点：

（1）北斗高精度监测型接收机采用国内自主产权GNSS多模多频模块，领先国际卫星定位发展的水平，采用BDS三频和GPS双频系统进行联合定位，支持超长基线测量；支持多频段卫星信号，支持高可靠的载波跟踪技术，大大提高了载波精度，为用户提供高质量的原始观测数据；实时输出绝对位置坐标，系统稳定、实时、可视、科学。

（2）基于北斗高精度的灾害监测系统对监测点的长期连续观测，及时掌握固定设施的安全状况。通过多种处理算法对监测数据的趋势分析，当出现异常信息时，系统将自动预报警，将信息及时转达给管理人员，并对其进行安全评估。

5.智能综合调度

浩吉铁路采用智能综合调度有以下优点：

（1）运输调度管控一体化，使得调度工作更加集中，业务开展更加灵活，减少协作故障，增加运营的安全性和时效性。

（2）车站生产一体化，管理集约化，车站作业无人化、少人化。

（3）货物运输全品类办理、全业务集成，一单制完成多式联运，通过大数据分析制定高效合理的运输方案，物流全程定位追踪的智能化。

（4）依托节点网络的需求，链接优质服务资源，搭建服务平台创收并提升资产价值。

（5）物联网业务与互联网服务，双重引擎带到大量数据积累。

（6）运用数学优化模型和智能算法，大幅提升运输效率。

（7）与货流大数据对接，充分满足市场需求的动态变化。

6.智能浩吉大脑平台

智能浩吉大脑平台由主数据平台、地理信息平台、大数据服务平台和人工智能平台四部分构成，其中主数据平台主要进行浩吉铁路主数据的管理和维护；地理信息平台主要实现铁路地理信息和地图数据的管理与可视化展示；大数据服务平台主要提供浩吉铁路各专业数据的汇集、治理、存储、共享、分析和可视化等服务；人工智能平台主要提供人工智能基础计算技术和基于AI的铁路行业专用模型算法，为基于北斗的单线CTC、机车自动驾驶、智能牵引供电、基础设施智能运维、综合安全大数据应用、综合视频和智能分析、基于北斗的灾害监测、智能综合调度等蒙华浩吉应用提供智能决策支持。智能浩吉大脑平台的总体架构如下图8所示，其中绿色方框表示在武清主数据中心已具备功能，红色方框表示待扩展功能。采用智能大脑平台有以下优点：

（1）开源为基，自主可控。以主流开源大数据组件为基础，自主优化、整合和升级改造，灵活可扩展。

（2）量身打造，铁路特色。封装铁路数据标准、铁路主数据和铁路公用数据分析模型，量身打造符合铁路特色的大数据平台。

（3）敏捷智慧，一站式服务。内置组件丰富，支持结构化、非结构化数据的采集数据采集、存储、分析、可视化的一站式服务。

（4）安全可靠，资源隔离。实现全组件高可用，计算、存储资源隔离，用户身份认证、字段级细粒度访问控制（图8）。

图8 智能浩吉大脑平台总体架构

五、“智能浩吉”的增效

（1）通过基础设施智能运维管理系统的应用，能够有效地提高天窗利用率、装备使用率、维修效率和应急处置协同能力，降低设备故障率、劳动强度、作业风险和运维成本。综合维修段成立后，原来三个专业段的人、劳、财、计等综合部门实现整合，综合管理人员能够压缩近2/3；统一设置驻站防护和现场防护后，作业防护人员能够减少40%左右；综合工区管辖范围扩大，各专业联合值班、一职多能，值班人员能够减少50%左右，节省下的人员可调整至直接生产岗位，劳动力资源得到进一步优化，职工的劳动强度也得到了有效降低。汽车、自轮运转设备、通用类工装机具统筹使用，闲置率能够减少20%以上。此外，食堂、浴室、活动室等生活设施共用，能够进一步减少成本支出。综合维修段统一安排各专业生产计划、统一使用天窗，天窗综合利用率能提高15%以上；遇有故障抢修，各专业人员同时出动、综合判断、协同处置，能够大大压缩故障停时。“检、养、修”分开后，通过科学检测监测及大数据分析，能够实现预防性状态修，提高维修的预见性和精准度。专业维修段实施标准化、专业化维修，设备管理段严格验收把关，能够保证工艺标准的有效落实。综合维修段将结合部设备管理由联劳协作变为内部管理，能够彻底消灭结合部，提升结合部设备质量。

（2）通过综合安全大数据技术的应用，按照西安局、武汉局14个主要业务处室、74个车站计算，每个单位可减少2个工作人员的工作量，共计176人。按照7个专业计算，共开发10个月，可减少每个专业2个信息系统开发人员的工作量，共减少140人月。

（3）通过综合视频及智能分析技术的应用，以上海局为例，上海局全局划分成27个车间，规模较大运维量较重的大车间配置1名专职视频监控系统运维人员，规模较小的中小规模车间配置1名兼职视频监控系统运维人员，巡检周期平均3到7天。通过部署智能、一体化的基于云计算的视频监控系统，可以提供基于视频质量诊断的智能运维闭环管理，提升运维效率，蒙华线每个路局只需要1到2人专职运维即可，同时可以大大减少兼职运维人员对视频监控系统的运维压力。通过智能巡检，可以显著减轻工作人员压力，减少巡检周期，做到巡检工作自动，实时。

（4）通过智能综合调度系统的应用，可实现调度指挥智能化、运行生产精准化，提高站段运输安全生产水平和运输调度指挥效率，在缩短货车周转时间、压缩货车中时和停时、降低能源消耗等方面发挥重要作用，为企业带来巨大的经济效益。合并调度工种10个，实现一岗多人到一人多岗的转变，可实现减少调度员70%，车站作业集中化可实现车站无人或者少人，减少车站作业人员80%。

（5）通过智能浩吉大脑平台的应用，可以减少数据治理人员，智能浩吉大脑平台统一提供接入数据的汇集、治理功能，各业务部门无需再安排专门的技术人员进行数据治理，预计可为各业务系统减少数据治理人员1名。智能蒙华大脑平台为接入的数据提供统一的后期维护服务，预计可为各业务系统减少数据维护人员1名；智能蒙华大脑平台提供统一的系统接口，各业务系统无需再专门开发接口，也无需安排专门人员进行接口维护，预计可为各业务系统减少相关人员2名。综上所述，智能蒙华大脑平台预计可为每个业务系统减少相关技术人员4名，可为智能蒙华9大应用系统共减少人员36名。