铁路智能运输调度管理系统架构研究

张才春，赵 飞，高 磊

（1. 中国国家铁路集团有限公司，北京 100844；2. 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）

党中央、国务院先后制定并发布了《国家创新驱动发展战略纲要》[1]、《新一代人工智能发展规划》[2]等纲领性文件，工业和信息化部提出“以加快人工智能与经济、社会、国防深度融合为主线，以提升新一代人工智能科技创新能力为主攻方向，发展智能经济，建设智能社会”[3]。在此背景下，铁路积极探索智能化建设。智能铁路是广泛应用云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人、第五代移动通信、北斗卫星导航、建筑信息模型等新技术，通过对铁路移动装备、固定基础设施及相关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，高效综合利用铁路所有移动、固定、空间、时间和人力等资源，实现铁路建设、运输全过程、全生命周期的高度信息化、自动化、智能化，打造更加安全可靠、更加经济高效、更加温馨舒适、更加方便快捷、更加节能环保的新一代铁路运输系统[4-8]。

随着网络与信息技术的深入发展，铁路运输调度加速从信息化向数字化、智能化转变。

智能铁路运输调度作为智能运营的重要组成部分，是指借助物联网、大数据、云计算和人工智能等先进技术，实现对客/货运动态需求、各种铁路资源的全息化感知、一体化实时决策、自动化控制和反馈、对运输态势与调度效果做精准实时判断，自动实现铁路资源在整体和局部上的最优分配与运用，安全高效地完成各项运输生产作业目标。

本文在总结国外智能铁路运输调度研究与应用现状的基础上，重点分析现阶段我国铁路运输调度现状和存在问题，并提出了智能运输调度管理系统架构及实施规划。

1 国内外铁路智能调度研究与应用现状

1.1 国外铁路运输调度系统

日本新干线调度指挥系统COSMOS从高速铁路特点和需求出发，把运输安全和列车正点作为工作核心，构建各专业高度综合的调度、管理、控制系统[9]。德国铁路调度系统融合调度指挥全业务，实现铁路运输的整体优化，具有指挥精细化、系统高度集成的特点。系统以闭塞分区为单元进行计划编制和调整，通过轨道区段锁闭时间实现列车对线路、设备使用的精细化[10]。美国运输部联邦铁路管理局基于传感器、计算机和数字通信技术开发新一代一体化智能铁路系统，支撑高安全、高效率、高效益、高满意度服务、低能耗等目标[11]。

1.2 我国铁路运输调度管理系统

我国铁路运输调度管理系统（简称：调度系统）采用中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）、铁路局集团公司两级架构，支撑国铁集团、铁路局集团公司和站段三级运输调度应用。主要基于运输信息集成平台、十八点统计和铁路局集团公司站段级系统等上报数据，汇总形成全国铁路（简称：全路）和铁路局集团公司运输生产信息，支撑调度人员把握全路整体运输情况、做出运输方案决策、跟踪生产实际，并为运输生产人员提供相关信息查询服务，实现了计算机代替人工绘图，网络代替电话通信的信息传递，改变了传统的调度作业方式，初步实现了国铁集团、铁路路局集团公司、站段间的信息共享，为提高调度指挥效率，减轻作业人员工作强度发挥了重要作用。现阶段，我国调度系统在信息的获取精细度、系统辅助决策能力、自动操控等方面的智能化水平有待进一步提高，亟需开展调度系统智能化方面的相关研究和建设。

通过对国内外铁路调度系统的分析研究，根据运输调度系统目前存在的问题，借鉴国外系统的先进经验和理念，对调度系统进行分析和规划，研究新一代铁路智能调度系统框架及实施策略。

2 铁路智能调度系统

新一代铁路智能调度系统通过运用物联网、大数据、云计算和人工智能等先进技术，实现智能感知、智能决策、智能操控和智能评价。基于客货运输动态需求、人员、线路、固定设备、移动装备和内外环境等实时状态，高效合理编制各类运输生产计划并通过系列作业、操作和控制确保计划的有效实施，以实现运力资源统筹、集中、统一、合理地运用，达到高安全、高效率、高效益和优服务的目标。铁路智能调度系统，如图1所示。

图1 铁路智能调度系统

2.1 系统描述

（1）从广义来讲，智能运输调度系统作为智能铁路有机整体的中枢神经系统，同样涉及智能建造、智能装备和智能运营等多方面，涵盖智能铁路的大部分内容，需要得到铁路网（简称：路网）资源的智能化支撑和协同配合。

（2）从狭义来讲，铁路智能运输调度是智能铁路3大子系统之智能运营的核心功能，它在与其他相关系统交互（数据、控制）基础上，进行分析决策，实现对子系统内外相关有形和无形资源的精准感知、合理计划、高效指挥和安全控制。

智能调度系统是智能铁路信息系统的核心构成之一，是以服务运输调度目标，基于智能铁路信息系统和一体化信息集成平台，研发形成的新一代调度系统，旨在提升运输调度的智能感知、智能决策、智能操控和智能评价能力，系统具有运输态势感知全息化、预测预警精准化、计划编制一体化、运力资源运用精细化、作业操作和设备控制自动化等特征。

2.1.1 系统能力

系统重点打造智能感知、智能决策、智能操控和智能评价4方面能力。

（1）智能感知。支持对客货运输需求、运输资源设备状态的实时、精准、全息化感知，包括车流、运力资源（空车、机车、乘务员等）、内外环境等。具体实现以下功能：①自动获取不同时段客货运市场需求信息；②自动获取运输生产资源分布运用情况；③自动获取运输生产作业过程信息；④自动获取运输环境状态信息等。

（2）智能决策。支持各类计划协同、一体化编制，车流、作业进度及时准确预测，空车调配以及应急响应方案自动生成等。具体实现以下功能：①自动预计客货运输需求动态变化过程；②自动预计装卸、解编、检修、施工进度；③自动预计车流变化、列车运行情况；④自动预计移动设备和固定设施可用情况；⑤自动编制和调整包括货运、列车、机车等计划在内的运输计划；⑥自动预计突发故障影响范围和程度等。

（3）智能操控。支持各类计划自动及时下达、设备精准操控、作业进度实时监控、对异常情况快速响应等。具体实现以下功能：①调度命令自动生成和下达执行；②列车运行图自动生成；③调度作业环节自动安全卡控；④各环节作业超时预警和报警；⑤设备设施可用情况动态跟踪、自动预警；⑥设备故障和应急事件提前预警等。

（4）智能评价。基于实时数据的调度生产作业进度智能分析和评价，形成系统可再次利用的知识。具体实现以下功能：①运输生产过程作业进度能力利用评价；②运输生产指标自动汇总分析；③运输需求、生产动态和干线能力利用变化趋势自动分析等。

2.1.2 系统特征

系统具备运输态势感知全息化、预测精准化、计划编制一体化、运力资源运用精细化、作业操作和设备控制自动化等特征。

（1）运输态势感知全息化。实现对运输需求和运输资源（人员、线路、固定设备、移动装备、内外环境等）的多维度、多层次、精细化的实时感知和融合[12-13]。

（2）预测精准化。实现车流及货物运到时限精准预测、列车正晚点准确预测、运输需求变化趋势和未来设备资源状态的实时预测。

（3）计划编制一体化。实现横向各专业调度工种计划编制一体化，纵向国铁集团、铁路局集团公司、站段三级计划编制一体化。

（4）运力资源运用精细化。通过实时感知、精准预测、精细化的专业计划编制，实现对各类运力资源更细粒度运用管理。

（5）作业操作和设备控制自动化。实现对作业计划的自动下达，作业状态的自动收集；相关指令也可以下达至相关控制设备，指令能够满足控制设备进行自动动作的要求，相关设备也能够将执行情况自动形成反馈以供后续调整。

2.2 系统建设目标

铁路智能调度系统需要实现以下目标：

（1）高安全。通过对铁路固定设施、移动设备、运输过程及自然环境等的状态感知，接入设备故障、行车事故的态势预测、预警信息，实现超前防范；通过作业计划的一体化编制，对作业过程进行安全预警和流程卡控，整体提升铁路运输安全保障能力。

（2）高效率。通过采用运输调度业务全流程自动控制实现技术，实现作业过程中计划智能下达、实时执行和动态反馈，实现作业岗位实时联动、关联操作、自动控制和协同调整，降低指令下达和现场作业的沟通成本，提高指挥效率，进而提高铁路运输效率。

（3）高效益。通过计划一体化、精细化协同编制，实现货运工作、列车工作、机车工作有效衔接，提高计划编制质量，保证各作业环节有序衔接，降低乘务员超劳情况发生，减少车流迂回发生，降低生产成本，提高运输效益。

（4）优服务。调度核心在提供高效稳定的客货运产品，客运重点在正晚点、联程运输、人性化服务，旨在提高旅客出行体验。货运重点是保畅通、保货物运到时限，通过铁路货运的网络化，为货主提供物流全流程的货物跟踪及查询服务，实现铁企联动，运输信息透明化。

2.3 系统架构

铁路智能调度系统总体架构，如图2所示。

图2 铁路智能调度系统总体架构

（1）智能交互层。负责与外界相关系统进行交互，实现对运输需求和设备资源状态的智能感知，以及对设备、设施和作业任务的自动控制。

（2）智能传输层。借助先进的高速通信技术，实现信息及命令的低延时上传下达。

（3）数据资源层。汇集存储运输调度指挥需要的各种数据以及生成的各种命令指令。

（4）智能决策分析层。作为系统核心支持智能决策和智能评价，实现运输计划一体化编制和自动调整、车流预测与推算、作业进度趋势预测与分析等智能决策功能。

（5）智能应用层借助多种可视化技术，支持管理人员和调度工作人员及时准确掌握运输态势、科学决策[14]。

铁路智能运输调度系统作为智能调度的载体，采用面向服务的系统架构，充分应用云计算、大数据等技术，实现智能感知、智能操控、智能决策和智能评价等功能，具有统一的基础数据、接口标准，以及安全控制等功能，覆盖运输组织、调度指挥和生产作业全过程，保证整个系统的稳定运行和自动扩展。

2.4 系统功能

铁路智能调度系统覆盖运输生产作业全过程，基于状态智能采集和预测、全业务流程自动控制实现、计划一体化协同编制和自动调整、调度过程决策支持等关键技术进行系统的构建。系统提供8大应用功能，如图3所示。

图3 铁路智能调度系统功能架构

（1）调度数据综合采集和处理平台。动态获取客运需求、货运需求、车辆运行状态、固定设施状态、作业进度信息和环境及天气信息，构建调度系统统一的数据平台，支撑不同层级和不同工种调度应用。

（2）基于智能预测技术的车流推算与调整。在动态掌握列车机车车辆运行轨迹的基础上，构建覆盖列车车辆运行径路、区间运行时分、在站技术作业等核心模型的车流推算系统，为路网车流调整和轮廓计划编制提供辅助支持。

（3）列车机车车辆动态追踪和管理。按运用方式、运用范围、修程修制，对车辆进行动态追踪，实现对列车、机车、车辆运行状态和作业过程的实时监控，针对运行异常情况提供告警，并协助进行调整。

（4）计划一体化编制与调整。实现对客运、货运、列车、机车、车辆、施工和司乘计划的一体化编制与调整，支撑国铁集团、铁路局集团公司和站段三级纵向计划协同编制，实现能力、状态、环境和时空之间的感知和协同。

（5）路网能力利用监测预警和管理。动态获取路网运行信息，实现对区域线路能力、货运站装卸能力、客流和货流线网能力，以及技术站作业能力的动态管理，根据路网运行情况对路网能力利用情况进行监测预警，提供路网能力利用策略的辅助决策支持。

（6）基于信息物理系统（CPS，Cyber Physical System）的调度数据综合采集和处理平台。根据运输生产、调度指挥的作业计划和实际动态信息，对生产作业效率、调度指挥效果、运输经营效益进行动态分析、预估和评价。

（7）路网运能资源的辅助配置。根据客货运市场需求变化，运用大数据、智能分析等技术，实现对路网整体运输效能的模拟和分析，辅助提出对运能资源调配的建议，实现对路网运能资源的合理配置。

（8）分层多视角调度系统统一基础数据管理。实现对路网物理描述数字孪生，在此基础上构建运输调度的逻辑描述以支撑业务应用实现，提供业务视角的工种调度基础数据管理；形成调度系统统一基础数据维护与发布机制，服务不同层级调度指挥、不同视角专业调度应用。

3 实施策略

为实现智能调度系统的目标，结合现阶段应用水平，按照积极推进、稳步实施的原则，推进智能运输调度系统的实施。

（1）分步实施。按照高速铁路先行、货运探索、客货融合的路径，分应用、按模块稳步推进智能调度系统的建设。

（2）充分运用新技术和新手段。结合业务需求，根据应用场景选用适合人工智能技术，提升系统的智能化程度；运用微服务的理念搭建可扩展、高伸缩、强安全的新系统架构，满足业务灵活变动的需求。

（3）考虑既有系统的衔接和平稳过渡。在新系统建设中，要充分利用既有系统的成果，保持新旧系统不同模块间数据的充分共享，确保系统的有序上线和业务的平滑过渡。

（4）积极推进业务和系统的协同。推进应用升级的同时，同步协调推进业务优化调整，根据新的技术条件，改良现有作业方法、作业要求，适时进行相关管理办法、作业细则的修改，实现业务和系统的共同发展和相互促进。

4 结束语

本文从智能调度与智能铁路的关系出发，在总结国外智能铁路调度应用现状的基础上，重点分析我国铁路运输调度的现状和存在的问题，并据此提出了新一代铁路智能运输调度管理系统架构及实施策略。通过对智能运输调度系统功能的深化研究，将促进系统的稳步建设，进一步促进我国铁路运输调度智能化的快速发展，为中国智能铁路建设提供有力支持。