智慧重载铁路系统体系框架研究

宋宗莹 边利平 谷牧

1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

作为铁路货运的发展方向，重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低等优点，受到世界各国的广泛重视，成为铁路发展的重要趋势，不仅在铁路运输中占有重要地位，而且在推动国民经济发展中也起到了至关重要的作用。近年来，世界各国铁路都面临着运输需求增长快速化、运输服务定制化、运输安全泛在化等挑战。在铁路运输基础设施供应能力相对固定的前提下，通过采用新一代信息技术大幅提升铁路运输组织效率效益、优化运输服务品质、提高铁路运输安全水平已成为各国铁路发展的必由之路，铁路智能化已经成为世界铁路未来发展的重要方向。

在此背景下，法国、德国、瑞士、英国、澳大利亚、美国、加拿大、日本、韩国等国家相继提出了铁路数字化与智能化发展的战略规划，着重提升运输组织优化、智能装备运用、设备设施运维、综合安全管理等方面的智能化水平，旨在通过推进新兴技术和铁路业务的高效融合，达到优化运输服务质量、增强运输安全水平、提高运输组织效率、降低运输成本、提高经营效益等目的。

本文基于智慧重载铁路运输国内外发展现状及趋势，融合移动互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代技术，提出了智慧重载铁路系统体系框架及发展战略，借助对移动装备、基础设施及相关环境信息的全面感知，通过运输组织高效协同、铁路基础设施和移动装备全面监控、设备设施全生命周期管控，实现更加安全可靠、更加经济高效、更加节能环保的智慧重载铁路体系。

1 发展现状及趋势

日本、欧洲与美国等国家与地区在本世纪初就开展了智慧铁路运输的研究，如日本CyberRail力求通过强大的信息提供功能，实现铁路运输与其他运输方式的无接缝、无障碍衔接。欧洲的InteGRail（Intelligent Integration of Railway Systems）主要研究欧盟范围内的信息共享和资源一体化使用技术方案，支撑实现更高效、更高服务水平的铁路运输组织体系；美国的Smarter Railroad主要研究利用智能信息的网络化，以提升铁路运营效率，节约成本支出。

纵观不同国家的数字化、智能化铁路发展战略，运输组织、装备运用、设备维修及综合安全管理始终是重要的战略内容。如欧洲Rail Route2050提出无缝衔接旅程服务、列车准时性达95%、运营智能与自动化等内容；数字化法国铁路提出路网运力自适应、优化客户服务、优化资源利用等内容；瑞士铁路实现“欧洲列车控制系统”；澳大利亚铁路提出列车运行安全风险自动监测与控制；德国铁路4.0提出远期实现运营过程全自动化等。因此，本文主要从智慧重载铁路系统包括的四部分主要内容，即智能运营、智能装备运用、基础设施智能运维、智能管理四个方面对国内外发展现状及趋势进行综述。

1.1 国外发展现状及趋势

1）智能运营。日本铁道技术综研所于2000年开始着手研究综合使用信息和通信技术的铁路智能交通系统，提出了面向21世纪的铁路系统，称为数字铁路。2005—2010年欧盟进行了InteGRail项目研究，旨在保证安全基础上，以最小的经济代价实现最大化网络运营能力、最小化旅客和货物滞留、最可靠的基础设施和机车车辆。美国的Smarter Railroad提出利用更全面的互联互通、更透彻的感知和度量以及更深入的智能化，实现智能信息的网络化，进而在整个铁路系统、企业内部以及合作伙伴之间实现信息的互联和共享。德国铁路与西门子公司、阿尔卡特公司和Vossloh公司等共同研发铁路调度系统，提升智能运营水平。为提升铁路电子化水平，瑞士联邦铁路公司ATR项目引入西门子调度集中系统，实现远程、自动化列车进路办理，列车运行状态监视，列车运行状态显示等功能。

第三，农村区域出现不平衡的矛盾。现行“新农保”多缴多得的方式在市场经济中本无可厚非，但个人账户积累制易于出现“保富不保贫”以及扩大覆盖面难的问题。[7]同时，国家补贴具有不公平性，经济发达地区普遍好于欠发达地区，例如北京的养老金每人每月最高可达280元，而最低的地方每月基础养老金是55元。另外，在现有的财政体系下，经济欠发达地区资金普遍存在紧缺状况。因此，国家向农村提供的养老资源应充分考虑区域不平衡问题，做到养老资源供给的实质公平。

2）智能装备运用。法国阿尔斯通公司开发了集成地面检测系统HealthHub，通过数字化的检测手段实现受电弓、走行部等关键部件自动检测，从而在整个装备维护过程中提供更高的效率。德国西门子推出了Railigent平台，通过基于状态的监控、数据分析和预测性维护概念，使铁路运输更加高效、可靠和安全。西班牙CAF公司采用多传感器和数据融合两层架构，研发了虚拟连挂系统，并在有轨电车上进行了运行试验。力拓公司在重载列车的转向架和牵引杆上分别安装了监测振动、纵向力等参数的装置，用于列车的安全运行，并在长达1700 km的重载铁路网上实现了自动化运营。美国铁路起初采用地面检测系统对车辆运行状态进行性能监测，随着铁路线路条件恶化及铁路货车运用故障增多，逐步发展了车载智能监测系统，并与地面检测系统共同作用，保证铁路货车运行安全。

3）基础设施智能运维。日本铁路检测包括轨道检测、钢轨探伤、隧道检测、接触网检测、通信信号检测等，主要通过高速综合检测列车、钢轨探伤车、隧道检查车等进行。近年来，日本也在积极研发应用安装在运营列车上的搭载式检测装置，在运营条件下对轨道、接触网进行动态检测。德国ICE⁃S、ARES公司开发了一系列综合检测车和轨道检测车对线路状态进行检测。法国TGV高速线路使用MOZAN轨检车动态检查线路几何状态，辅助决策维修系统根据检查信息对线路技术状态进行分析，保障铁路线路安全并科学指导线路维修。

4）智能管理。日本铁路公司开展了设备检测及故障维修数据综合分析，利用设备技术状态信息，通过分析设备报警和故障数据，实现运输设备的智能管理及维修。德国铁路部门在高速铁路安装了防灾安全监控系统，实时监测固定设施、移动设备的技术状态，并监控外部环境对行车安全的影响，对危及行车安全的情况及时进行报警。

1.2 国内发展现状及趋势

智能大脑平台是智慧重载铁路的基础平台、赋能各项智能化应用的服务平台，由数据集成、数据治理、数据资产、主数据管理、人工智能分析等部分组成。通过汇集重载铁路运输生产全链条业务数据，形成大数据资源湖，融合大数据分析挖掘、人工智能分析、时空一体化分析、智能决策及大数据可视化技术，为重载铁路智能化应用提供统一的数据服务、地理信息服务、智能分析服务，推动铁路数据资产价值挖掘，全面支撑智慧重载铁路建设。

如果早期魏晋南北朝佛教雕塑突出宗教性，则后期明显展示出人文性特点，这就是从佛教之神到融合人本身的部分变化。因此这个时期的雕塑意象是极为丰富多彩的，不仅有高大宏伟的本尊佛像，还有很多的生动活泼、新颖优美的作品，如云冈石窟的供养天雕像多为青年女性，秀丽而挺健，喜悦而不柔媚，恭谨而不失尊严；麦积山雕像不少带有内心微笑，面色平和，身躯前倾，不再是高高在上的神灵形象，却体现出对人的关怀和亲切；麦积山123石窟男女侍童更接近了现实生活中一对天真可爱的孩子，等等。

2）智能装备运用。目前国内关于智能装备运用的研究主要集中在以下三个方面：①车上设备的智能化检测，通过在设备上增加传感器，对设备的运用状态进行实时监控，如需检修，系统将自动把检修信息发送回地面大数据系统平台。某些部件还具备寿命预测功能，可以让检修基地更好地规划检修资源。②安全性实时检测，即对机车的运行状态实施监控，有安全隐患及时报警，典型的安全检测功能如转向架轴箱振动检测。这些数据集成到车上的主机中进行管理和数据分析。③轨旁设备探测，可以通过轨旁布置的多种探测设备，在机车车辆通过时即时检测某些参数，比如有无部件缺失，轴温等。目前上述研究均处于起步阶段，并且这些研究还处于比较分散的状态，研究的深度和广度还不够，需要进一步加大力度，并系统地整合在一起，形成完整的数据链条，才能给机车的安全运行、智能维护检修提供强有力的支撑。

3）基础设施智能运维。我国铁路基础设施维护管理实行“国铁集团—铁路局—站段”三级管理。设施养护维修管理模式主要有三种：①普速铁路中典型的分专业维修模式；②“生产生活一体化”综合维修模式；③“三位一体”综合维修管理模式。后两种模式通过统一组织架构、统一天窗安排、统一生产计划、统一作业组织、统一防护体系、统一应急处置等手段，集中组织对铁路线桥隧、信号、供电基础设施进行养护和维修，达到简化组织机构、有效利用生产资源、提升劳动效率的积极效果。

4）智能管理。在重载铁路智能管理研究方面，国铁集团已初步建立安监、调度、客运、货运、机辆、工务、电务、供电、综合等各个领域的安全业务系统，初步形成了覆盖“国铁集团—铁路局—站段”全专业的安全保障体系。

1.3 重载铁路智能运输发展需求

国家能源集团重载铁路是我国西煤东运第二大通道，承担着保障国家能源供应的重要责任。国家能源集团在重载铁路关键技术攻关和重大工程示范方面取得了一定的成果，但是其重载铁路智能化发展水平有待大幅提升，特别是如何发挥技术红利，打造智慧安全高效重载铁路。主要存在以下三个方面问题：①运输设备长期高负荷运行，存在安全风险，特别是随着运量增加和规模化开行长编组重载列车，设备设施维护压力急剧上升；②运输计划编制、综合调度智能化水平不高，运输效率有待提高，现阶段运输组织、计划编制以人工为主，作业难度与强度较大、多工种协同调度不畅、信息对业务支撑不足等；③安全领域业务系统数据共享难，安全信息利用有待加强，不同业务系统安全数据标准不统一、接口不一致，数据无法融合共用，安全数据使用效率低，难以实现安全综合风险预警。基于运输装备运营实际和智能化发展需求，国家能源集团铁路亟需建设智慧重载铁路，填补智能运输组织、智能调度指挥、智能车站方面空白，发展重载列车智能驾驶、智能货车、智能牵引供电等技术，进一步增强设备设施运维智能化，提升智能化管理水平，最终实现在运营、装备、运维、管理等方面的全面智能化。

2 智慧重载铁路系统定义及特征

2.1 智慧重载铁路系统定义

4）按需配置。基于系统信息共享机制，智慧重载铁路系统应完成系统内外的实时需求分析，并按需动态配置各种资源，以达到高效、低碳、按需驱动的目的。

图1 智慧重载铁路系统概念示意

2.2 智慧重载铁路系统特征

智慧重载铁路系统实质是将多种新兴技术与重载铁路运输系统充分结合，形成一个完整的集感知、传输、控制、管理、决策于一体的智能运输系统。其特征主要包括以下四个方面。

1）互联互通、信息共享。智慧重载铁路系统功能的集成必然要求系统中的子系统及子系统各部分间实现有机的互联互通，以保证顺畅高速的通信和及时高度的信息共享。

2）智能处理。智慧重载铁路系统应实现行车控制、综合调度、资源管理、营运管理等的智能处理，以形成一个高度智能化、自主化的重载铁路生产经营体系。

智慧重载铁路以实现运营智能化、装备智能化、运维智能化、安全管理智能化为目标，主要体现在以下五个方面。

基于国家能源集团重载铁路运营实践和智能化发展需求，结合铁路智能运输系统的定义［7］，本文对智慧重载铁路系统的定义如下：智慧重载铁路系统是融合了先进的信息处理技术、通信技术、控制与系统技术、计算智能与决策支持技术等，以实现信息采集、传输、处理和共享为基础，通过高效利用与铁路运输相关的所有移动、固定、空间、时间和人力资源，以较低的成本实现运营智能化、装备智能化、运维智能化、管理智能化，以保障重载铁路运输安全和效率的铁路运输系统。智慧重载铁路系统概念如图1所示。

今年以来，江岸食药监局紧紧围绕刘欣局长提出的“食品安全365在身边”主题活动，以实现“吃放心菜在江岸”工作目标为契机，农产品科深入调研撰写《把握源头强检测，立足服务拓功能》文章，积极探索实践农残检测新方式，选取两个点位试行，通过硬件与软件建设，进一步加强整体布局，增强检测工作的科学性和有效性，力求监管工作有创新、群众食安体验更优化，不断推进食品安全监管工作向高质量发展。

2.3 智慧重载铁路系统目标

3）协同工作。智慧重载铁路系统应使固定设施、移动设备和维修设备有机地协调成一个整体，实现各子系统的协同工作，以提高运输效率和加强安全保障。

1）实现云计算、物联网、人工智能、5G网络、北斗等先进技术广泛应用于重载运输领域，重载运输智能化水平明显提高，运输安全和效率、效益大幅提升，成本有效管控，发展质量和社会竞争力不断增强。

2）实现铁路运输计划编制精细化、调整智能化和调度管控一体化、运力资源运用精细化，建设智慧型车站，建成面向运输生产全过程、高效协同的智能运输组织体系。

布鲁姆教学目标分类理论的发展从1956年的1.0版本——金字塔形状(识记、理解、应用、分析、综合和评估)到2001年由布鲁姆的学生Anderson等人提出的2.0版本——金字塔形状(识记、领会、运用、分析、评价和创造)。布鲁姆将教育目标划分为认知领域、情感领域和操作领域，共同构成教育目标体系。认知领域的教育目标可分为从低到高的六个层次：即识记→领会(理解)→运用→分析→评价→创造，学生的思维由低阶思维能力向高阶思维能力发展，教育目标从基础目标向高级目标发展(图1)[5]。

不少家庭服务企业表示，河北省家政服务人员的输出，多采用“单兵作战”模式，河北与京津家庭服务企业间的合作较少，致使河北省家政服务人员的输出呈现“小、散、乱”的现象，就业不稳定，市场难规范。

4）实现基础设施和移动装备状态全面智能监控、智能运维和全生命周期管理，推动状态修［8］。

5）建成集视频监控、设备安全监测、安全监督检查和应急救援为一体的综合安全保障体系，提升安全保障能力。

总而言之，在小学语文课堂教学中实施合作学习，可发挥学生的主体性，同时有助于培养和提升学生的语文思维能力、语言表达能力、探究能力及团队意识等素养，在调动学生学习语文知识兴趣的同时，使教学目标更好更快地实现，进而实现优质高效的课堂教学。

3 智慧重载铁路系统体系框架及重点建设内容

3.1 总体架构

采用分层设计的思想，将智慧重载铁路技术体系按照功能划分成不同的层次，每一层次的系统都是运行在下层系统或设备基础之上，并向上层系统提供服务。各系统层次的内部是高内聚的，而层次与层次之间是松耦合的。这种架构有利于实现整个体系的高可靠性、高扩展性和易维护性。整个体系划分为四个层次，如图2所示。

图2 智慧重载铁路技术体系架构

四个层次从下到上分述如下。

1）智能感知层。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、决策提供基础。

2）智能传输层。传输层作为整个体系的“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）智能融合层。智能融合层基于云平台部署架构设计，按照统一规划、统一标准、统一平台的原则，从部署资源、智能服务、数据资源等方面统一为各专业智能应用提供技术支撑。智能融合层提供大数据服务、AI分析服务和时空分析服务，运用深度学习、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，形成智慧重载铁路的“智能中枢”。

本文整体悬挂式钢内筒烟囱的设计模型是仅外筒接地，内筒整体悬挂于悬吊平台上，悬吊平台支撑于外筒上，因而计算传给基础荷载的时候只需要考虑外筒底部的荷载数据[4]。整体模型下底部支座荷载数据如表3所示。

4）智能应用层。智能应用层基于智能大脑平台提供的数据分析、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，从运营、装备、运维、管理等全方面为重载铁路生产实际提供指导，从而实现重载铁路管理一体化、生产智能化。

3.2 规范标准体系架构

为实现重载铁路智能技术可推广、可移植、开放与合作应制定关键技术和应用领域相关标准体系（含接口规范），规范智慧铁路建设。包含：基础设施标准、支撑平台标准、数据资源标准、业务应用标准，如图3所示（见下页）。

图3 智慧重载铁路规范标准体系

3.3 重点建设内容

采用“平台+应用”模式，构建集运输生产、养护维修、安全管理于一体的集成平台，以智能大脑平台为支撑，围绕重载铁路智能运营、智能装备、智能运维、智能安全四大领域，开展信息化、智能化设备研发和系统建设。

3.3.1 智能大脑平台

本研究结果显示戴镜后1个月的NIBUT（f）及NIBUT（av）较戴镜前比较明显下降（P＜0.001），这与之前的研究结果较一致。不同的是，3个月和6个月的NIBUT（f）和NIBUT（av）则恢复至戴镜前水平（P＞0．05）。Xie等[15]近期的研究结果也指出青少年配戴角膜塑形镜后泪膜稳定性在戴镜后1周和1个月时出现下降，而在1年之后逐渐恢复，这与本研究结果较相似。但其原因目前尚在探索中，拟在日后的研究中增大样本量，延长随访时间以进一步评估泪膜稳定性更长期的变化。

1）智能运营。汪希时［1］提出智能铁路运输系统是由铁路交通科学（Railway Transport Science，RTS），3C（Computer，Communication，Control）技术和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术三者交集组成。严余松［2］提出中国智能铁路系统（China Intelligent Railway System，CIRS），CIRS系统组成为：先进的运输管理系统、先进的运输信息系统、先进的列车控制系统、先进的用户信息系统、先进的运输设施管理系统、先进的运输安全管理系统。李平、贾利民等［3-5］提出了铁路智能运输系统体系框架（Railway Intelligent Transport System，RITS），完整提出RITS的服务框架、逻辑框架、物理框架、通用技术平台和标准体系结构。宁滨等［6］提出中国智能铁路运输系统（Intelligent Railway Transport System，IRTS），定义了系统组成包括用户服务子系统、中心管理子系统、铁路车站子系统、轨道子系统、车载子系统等。

首先通过修正版德尔菲法筛选得出最佳的相关评价指标8个，具体评价因子32项(表2)。之后通过层次分析法确定32项评价因子的权重比，再请55位相关专家学者(由28位从事相关研究的高校学者和27位相关领域的政府官员组成)利用模糊综合评价法对某条森林古道的32项评价因子进行评分，最终可得出该条森林古道的综合得分(总分100)。综合得分计算公式为：森林古道综合得分式中：n为评价因子的数目，本次研究为32项；Xi为第i项评价因子的权重值；Fi为第i项评价因子的得分值。

①智能驾驶。基于LKJ、移动闭塞，研发重载列车自动驾驶系统，实现连续发车、后备降级模式、不停车切换、列车完整性检查、列车运行数据分析等。增设环境识别系统、高速高可信的车地无线通信设备，实现对复杂周边运行环境的自主识别能力、无人驾驶自动控制与安全防护。通过虚拟连挂等技术的运用，实现自动列车群组运行控制。

智能大脑平台由集团公司主中心、朔黄铁路分中心、包神铁路分中心、新朔铁路分中心和装备公司分中心五个部分组成。分中心主要承载各铁路公司全生产链条的业务数据，同步、管理集团公司和本公司主数据，支撑核心业务开展智能应用。分中心部署依托各铁路公司信息化基础设施的规划和建设，实现互联互通，促进融合应用。主中心整合各分中心数据分析结果，推动集团公司铁路运输板块数据资产价值挖掘，辅助进行企业运营战略决策。

3.3.2 智能运营

智能运营面向重载路网条件下煤炭全程运输智能化管理需求，突破信息共享、运输计划精细编制、运力资源动态调配、智能动态调度与控制、作业协同等关键智能化技术，实现产销需求、铁路运力、集疏端运力等全程运输资源有效整合，合理安排生产计划和分配运输任务，提高生产效率，降低运营成本。智能运营主要包含智能运输组织、智能综合调度、智能车站三个方面。

①智能运输组织。以“智能运输、精准运输、高效运输”为导向，构建将新兴技术和控制反馈、计划调整等优化理论集成融合的智能运输组织新模式，实现运输计划、列车开行方案和列车运行图的精细化编制，同时与调度系统无缝衔接，通过“决策-执行-反馈”的工作机制，形成在纵向上具有战略层、战术层的供需情况分析、运输计划精细化编制和执行层的运输计划智能化调整等层次间相互协同，在横向上具有多专业工种相互协同的智能运输组织体系。

②智能综合调度。以列车开行计划为核心，统领施工维修计划、机车车辆运用计划、车站作业计划等，协同货物运输计划、乘务计划等，建设非正常列车运行的知识图谱，支撑实时调度的快速响应，提升调度生产的效率与安全水平；建设并强化调度生产智能分析功能，实现数据信息共享、数据挖掘分析，反馈评估日班计划编制质量。建设具备列车运行管理、施工维修管理、应急调整、冲突监测与安全卡控、调度命令自动拟定等功能的铁路运输智能综合调度系统。公司完整的调度日（班）计划自动生成，支撑实现“一日一图”。

③智慧车站。基于GIS、BIM、虚拟化、物联网、5G、北斗等技术，建设车站运营场景“数字孪生”系统、高精度定位装置、车站物联网系统、智能监测系统、智能接发车及智能调车等智能化系统，实现车站智能感知、智能决策、智能交互与智能控制，提高车站运营与管理智能化水平。

3）实现设备/设施自感知、自诊断、自决策、自适应、自修复；实现重载列车自动及协同运行，基本实现准无人运输。

按国家法律规定是让集体内部的人先流转，集体所在的人不流转的情况下才让外人流转。比如乙村的地先由乙村人流转，村里人不流转才接着让其他人流转。对我来说我出生在甲村，后来我家在乙村也有宅基地。这样我虽然不是农村户口，不在农村居住，但是我家在村里有地的话起码也能算上是这村的后人。……要是在其他乡镇，有农民提出来说“他就不是这村的人，凭什么包村里的地？我还想包地呢！”这时候土地流转可能就进行不下去了。现在最起码我有这村里的地，算这个集体的人。(宋某访谈资料)

3.3.3 智能装备

智能装备是采用全方位态势感知、先进的无线通信、自动驾驶、智能控制与决策、故障诊断、故障预测与健康管理（Prognostics Health Management，PHM）等技术，实现重载铁路移动装备及基础设施的自感知、自诊断、自决策、自适应、自修复，重载列车自动及协同运行，新一代的智能化电力牵引供电和通信体系，以及基础设施全生命周期精细化管理及优化配置。包含智能驾驶、智能机车车辆、智能自轮运转设备、智能电力牵引供电系统、智能综合检测列车、新一代铁路移动宽带通信系统等六个方面。

图5中两条相交的曲线分别表示两组高度弧,星点表示样本真实的空间位置,圆形表示本文方法所求得的空间位置,从图像中不难看出,该方法所求得的空间位置与真实位置非常接近。

②智能机车车辆。采用电电混合、大功率牵引蓄电池供电、无线调车等技术，研发具备智能驾驶、配置故障预测与健康管理功能的智能电力调车机，实现调车机高效率运用和绿色智能，有效降低整车全寿命周期成本。研发智能货车，完善车载监测系统、车地传输系统，搭建雾平台、云平台，集成铁路货车4T检测系统，实现重载货车运行状态的全息感知与智能监控。

③智能自轮运转设备。研制重载铁路大型养路机械智能化维护成套装备，研究大型养路机械及附属车辆状态维修技术，实现大型养路机械智能化作业及状态修；研发道床轮廓激光测量系统、防碰撞装置、避障及视频监控系统，实现大机作业质量智能检测和作业全程安全监控；研发自轮运转设备管理系统，将自轮运转设备的检养修、作业调度、质量评估等全流程作业信息加以监测和信息化管理。

为测试算法的并行效率，分别选择1，2，3，4个计算节点处理数据，考察在增加节点的情况下，集群运行算法需要的时间。如表1所示，在数据规模较小的情况下，增加计算节点，对算法运行加速效果不明显。如对于数据集USCensus-1，随着计算节点的增加，算法的处理时间在1190s上下浮动，这是由于Hadoop集群启动和调用计算节点需要花费时间；而当数据规模变大时，随着计算节点数量的增加，算法处理数据所消耗的时间也随之减少，且数据量越大加速效果越明显。由此可见，当数据规模较大时，增加处理节点可以显著提高算法对相同规模的数据集的计算能力，同时体现了改进算法具有良好的扩展性。

④智能电力牵引供电。研发以智能牵引变电所、智能调度及智能辅助监控为核心的智能牵引供电系统，示范应用贯通式同相供电技术，开展基于大容量电力电子技术的自动过分相、节能储能、供电线路智能巡检等应用技术研究，加快电力变、配电所按智能供配电系统升级改造，促进重载铁路牵引供电数字化、信息化、智能化建设，全面提升供电系统运行安全和高效运营保障能力。

⑤智能综合检测列车。完善、升级和扩展综合检测列车检测系统，使其具备轨道几何、钢轨探伤、钢轨廓形、钢轨波磨、轨道巡检、道床状态、铁路限界、车辆加速度响应、接触网几何、接触网4C、信号、红外等检测功能，提升综合检测列车的智能化水平。

⑥新一代铁路移动宽带通信系统。建设基于LTE⁃R的重载铁路宽带移动通信系统，实现重载组合列车机车同步控制、列车调度集群语音通信、视频监控等多种业务在同一LTE网络平台上的安全可靠承载；在站场、枢纽地区和其他局部热点地区先行使用公网5G应用；通过点线结合的方式构建新一代铁路移动宽带通信系统。

3.3.4 智能运维

智能运维采用先进传感技术、新一代无线通信技术、空天地一体化监测技术等一系列技术，实现重载铁路基础设施、移动装备的状态主动感知、设备状态监测；融合大数据分析、人工智能、专家系统、故障预测与健康管理等技术及设备状态评价体系，实现基础设施及移动装备状态智能评估、故障预测预警、劣化机理及演变规律智能分析；基于全生命周期管理和维修辅助决策，实现维修生产组织与调度指挥一体化管理，推进设备设施状态修，提升养护维修质量，降低运维成本。包含重载铁路工务、电务、牵引供电、机车车辆、货车五个方面。

①工务设备智能运维。研发工务设备智能运维系统，集成设备全生命周期管理、安全生产管理、检测监测一体化管理、评估与运维决策等功能。基于BIM、GIS等技术，搭建工务设备智能管理系统，实现多专业融合、全维度、全生命周期的工务设备智能管理，延长设备使用寿命；建立空天地一体化智能检测监测系统，实现设备状态智能检测监测；建立评估与维修决策系统，实现设备状态智能评估与预测、运维辅助决策，降低维修工作量和成本。搭建安全生产作业智能管理系统，实现基于检测监测信息状态评估的计划、调度、作业、质量评价的生产闭环管理，提高维修作业质量及安全。

②电务设备智能运维。构建LTE⁃R网络检测监测体系，实现自动化检测，以及铁塔状态和天线姿态、网络探针、车载信息综合传输和接口等监测，提高网络运行可靠性。升级信号集中监测系统，建设道岔转换状态全程监测系统，增设轨道电路工频干扰及钢轨不平衡电流监测系统，提升信号系统设备状态监测能力。研发电务数据归一化技术，实现检测监测系统数据归一化处理和管理。构建电务智能运维系统，涵盖设备综合监测、设备全寿命周期管理、故障智能诊断、运维综合分析、PHM设备健康管理、作业卡控等应用。

③牵引供电设备智能运维。完善电力牵引供电安全检测监测系统，加强接触网接地操作、供电设备操作安全管控系统建设；建设智能供电运维大数据系统，构建资产管理中心、检测数据智能分析中心（6C智能化分析、供电设备PHM）、生产调度智能管理中心和综合展示中心，提升牵引供电运维效率。

④机车车辆智能运维。研发车载运行安全监测系统，建设轨旁在线监测系统，实现机车运行状态全面监控；构建机车故障预测与健康管理系统，实现整车、关键系统和关键部件故障预测和健康管理。研发机车增材修复技术，实现零部件智能化、绿色化维修。

⑤货车智能运维。构建重载货车智能监测系统、状态精准识别判定的综合评判系统、自动量化指标的快速精准维修系统、自动调度指挥的智能生产管理系统，实现车辆技术状态的实时监测与识别、智能评判与精准修理，以及列检作业智能化。

对于ATP生物发光法，主要是借助微生物出现的ATP进行检测，这种检测方法通过添加对应的荧光素酶复合物能够发出荧光效果，然后利用光度计对微生物的数量进行准确判断。这一检测方法操作较为简便，且检测结果一般能够现场得到，从而具有较强的适应性。该技术还可以应用在乳制品的乳酸菌检测等项目中。

3.3.5 智能安全

智能安全是遵循“本质安全化、动态预警、闭环控制”理念，攻克设备人员安全综合画像、基于深度学习的异常图像视频分析、灾害监测预警等关键技术，从技防、人防、物防角度提速升运营安全预警和运输安全保障能力。主要包含综合安全管理、应急管理、一体化综合视频、灾害监测四个方面。

①综合安全管理。设备安全综合分析技术实现设备安全重点盯控，超前防范事故故障发生；人员安全综合分析技术实现重点人员精准安全监督检查及闭环管理；安全管理综合分析技术实现运输安全综合评估和综合预警。

②应急管理。针对重载铁路各种突发事件典型场景，建设应急处置综合管理系统，贯穿突发事件的事前、事中、事后全过程，覆盖突发事件的预案、组织、响应、处置、恢复和评估，实现应急预案、应急资源、事件记录的数字化，应急处置信息化，应急指挥协同化，提高突发应急事件的应对处置能力。

③一体化综合视频。集成各线路监控码流、故障图像、视频内容分析结果、视频设备基础信息等内容，构建一体化综合视频系统，支撑各层级用户终端的业务访问及应用需要，实现视频资源的统一管理、集中调用、按需共享。

④灾害监测。建设自然灾害监测系统，将铁路气象灾害监测数据纳入重载铁路智能大脑平台，并接入气象、水利等部门外部灾害监测信息，与调度指挥、应急救援、行车安全监控、综合维修、牵引供电、列车控制等相关系统进行交互和信息共享，提高重载铁路应对自然灾害的能力，保障列车的运行安全。

4 结语

本文系统总结了国内外铁路智能化发展趋势及现状，结合国家能源集团重载铁路运输实践和智能化发展需求，提出了智慧重载铁路系统需要实现的四个方面目标，即运营智能化、装备智能化、运维智能化和管理智能化，并给出了智慧重载铁路的定义，构建了智慧重载铁路系统架构以及标准体系，并针对目前实际提出重点建设内容。

我国智慧重载铁路技术发展尚处于起步阶段，后续发展面临复杂性和困难性的挑战，因此发展智慧重载铁路要加强顶层设计，制定可实施、可落地的专项规划，系统建设尽量结合现场升级实际，扎实推进重载铁路智能技术创新和成果应用，以建设绿色、安全、高效、智慧的现代化重载运输体系。