数字化铁路建设及其发展远景探析

张广福

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

1 铁路运输产业面临的挑战

铁路运输行业的快速发展，带动了我国经济社会的发展与进步，有效地推动了运输行业的发展，实现了各地经济的进步与发展。但同时，也面临着一定的发展挑战。

运输效率：首先分析运输效率，目前全国各地经济发展速度越来越快，对于运输的需求也直线上升。观察目前我国铁路运量增长速度往往落后于工业增长速度，而铁路运能增长又落后于运量的增长。这不仅需要扩大铁路系统的运营里程，更需提高其运营效率。

乘客体验满意度：铁路运输产业应该高度重视乘客的体验度和满意度。因为铁路运输属于服务类型的行业，乘客的满意度对相关运输企业的发展非常重要。

灾害防御措施：铁路运营安全与气象、地震、地质条件关系极为密切。尤其是高速铁路，因为其速度快，一旦出现突发情况可处置的时间很短，可供选择的方式有限，造成的损失往往比较惨重，这需要铁路系统建立长效的灾害防御措施以提升铁路安防能力。

运维模式：在铁路系统转型升级过程中，传统的运维模式面临“安全运行、人力紧缺、远程运维”三方面困境，有必要引入人工智能来辅助甚至部分替代人工决策，提升运维质量和效率，实现系列智能运维目标，以应对新环境下的运维困境。

2 数字化铁路建设的优势

2.1 有助于提高铁路的竞争力

于铁路而言，其是交通体系中的重要组成部分，在客货运方面发挥着积极作用。铁路的客货运工作涉及的内容较多，铁路运输系统较为复杂，在铁路运输的过程当中涉及到诸多工作以及业务部门。在新时代背景下，推动铁路运输的数字化发展，可以实现铁路的信息化、科技化建设工作，推动铁路数字化转型是铁路未来发展趋势，在这过程中，与之相关的技术部门、开发部门以及运维部门等，需要充分研究数字化技术的价值，在各个方面中充分应用数字化技术，从而为数字化建设工作提供有力的支持。在数字化业务全面落实的过程当中，可以为铁路建设工作的进一步发展提供助力，从而使铁路在信息化建设方面更具竞争力，使铁路的信息化建设迈上新的征程。

2.2 有助于挖掘铁路业务的商业价值

于数字化技术而言，可以提升铁路的工作效率，改变铁路运营过程中的管理思路，从而促进铁路业务的进一步发展。在铁路数字化建设工作中开发新型的数字化业务，可以使铁路的运输质量、服务水平得到有效提升，从而满足客户的需求。于铁路而言，无论是在客运还是在货运方面均发挥着积极作用，新时代下，在铁路运输工作当中融入信息技术可以转变铁路原有的业务模式，从而使铁路的商业价值得到充分展现。铁路运输在社会发展以及物流供应方面发挥着积极作用，因此在数字化时代之下，铁路可以进行数字化转型，结合乘客的需求以及订单的相关内容进行创新、优化，从而充分彰显铁路在全球化进程中发挥的作用。

2.3 有助于业务场景的技术创新

在时代迅速发展的背景之下，铁路货运、铁路客运的需求逐渐呈现出多样化的趋势，人们对铁路运输的服务要求越发精细化。为了满足客户的需求，铁路在管理方面也逐渐呈现出集约化的特点。在新技术逐渐渗透的背景之下，外部环境也逐渐发生变化，铁路在发展的过程中，可以充分结合数字化技术弥补传统铁路业务中的不足，改变铁路业务中的难点，从而使铁路的服务水平以及工作效率有所提升，例如，可以利用数字化技术进行智能检修、智能排班等工作，从而使铁路业务呈现出数字化趋势。在未来的发展过程中，相关人员应结合铁路的发展方向融入数字化技术，并对相关业务进行创新，从而使铁路的市场竞争力有所提高。

3 数字化铁路建设

在当前的社会发展背景下，铁路运输行业在发展过程中必须重视数字化的发展。仔细分析当前各类问题出现的原因，结合先进的数字技术，例如大数据技术、物联网技术以及人工智能技术等，建设高效的视频监控系统、更加可靠的无线通信系统、乘客满意的信息服务系统、智能运维系统等，实现新一代通信信息技术与高速铁路技术的集成融合。

3.1 铁路综合视频监控系统

铁路运输中经常面临着火灾、地震、塌方、泥石流、洪水等灾害的威胁，这些灾害往往会造成严重的事故。这些事故都需要安防系统进行事前预防、事中快速定位与监控以及事后的取证。观察目前铁路运输行业在发展过程中所使用的监控系统情况来看，我国运用传统的通信网络进行系统监控。主要将各种通讯网络下达至不同站点，对不同站点的具体情况和信息进行数据采集。一般将其安装在桥梁位置、各个路口、路基处以及隧道位置，目的在于能够为火车的顺利通行提供助力，避免后续出现人为破坏的行为。此外，还应该重视铁路轨道运输线路周围环境的安全检查问题，排除各种潜在的安全隐患。对于人流密集的区域进行实时的监控，仔细观察是否出现突发情况。对出现的紧急情况进行远程监控，如利用视频系统智能检测和分析堆场的火焰、烟雾、液体泄漏等情况，及时作出反应。

3.2 高可靠的铁路无线通信系统

随着铁路大发展，特别是高速铁路和客运专线铁路安全、快速、高效的运营模式对铁路通信网提出了越来越高的要求：目前铁路运输在运行过程中所使用的移动终端的数量在显著增加，数量增加的同时，列车的发车时间也发生了很大的变化，所以对于通信系统的要求更高。列车在运输过程中必须借助先进的通信技术，能够对各类安全数据进行传递和运输。铁路在运输各类货物时还需要对货物的相关数据进行调查。

3.3 乘客信息服务系统

为了提升乘客的出行体验和对铁路服务的满意度，推动高铁“体验经济”的发展，需要建设完备的乘客信息服务系统，为乘客提供全程、高质量的信息服务。乘客信息系统除了具备高效运营、融合开放特点之外，还需满足以下要求：能够有效的传载大量的视频和音频，除此之外还应该具有广播和广告发布的相关功能。

3.4 智能运维系统

智能运维是指通过机器学习等人工智能算法，自动地从海量运维数据中学习并总结规则，并作出决策的运维方式，它是将人工智能科技融入运维系统中，以大数据和机器学习为基础，从多种数据源中采集海量数据（包括日志、业务数据、系统数据等）进行实时或离线分析，通过主动性、人性化和动态可视化，增强传统运维的能力。铁路智能运维系统利用泛在数据和智能技术对“运维”生产任务所进行的赋能，以关键设施设备为主要管控对象，采用移动通信、云计算、物联网、大数据、人工智能等智能技术，围绕设施设备运维全过程质量控制开展全面数字化、互联化、智能化，实现关键系统和设备故障自诊断、远程集中检测、专家系统综合决策、故障预测健康管理等功能的综合智能维修系统，以提高安全服务水平和管理效率，降低劳动强度、技能要求和运维成本。

3.5 组建专业的人才队伍

在数字化铁路建设的过程当中，人才发挥着积极作用，人才可以使数字化铁路建设工作得到进一步推进，因此相关人员需要注重人才发挥的积极作用，在数字化铁路建设当中组建专业的人才队伍，从而为铁路的进一步发展提供人才支持。在数字化时代下，铁路在发展的过程当中，需要的人才结构也逐渐呈现出多元化。作为新时代人才，不仅要掌握专业的知识，还应具备多方面的能力，并且精通数字化业务，这样才能为数字化铁路建设工作提供助力，在这过程当中，相关人员可以针对人才进行必要的培养，定期渗透数字化业务的相关知识，通过这样的方式提高人才的能力。铁路企业可以充分发挥产学研合作模式的优势，积极推进人才培养以及人才教育等工作，从而为数字化转型提供相应的人才支持。

4 数字化铁路的发展远景探析

数字化是当前各个行业发展的必然趋势和必然选择，在铁路运输行业中也应该积极迎合当前先进的数字化和网络通信系统的发展。对现有的网络通信模式进行创新，实现网络与真实场景的灵活转换，实现智能化的系统网络发展。

4.1 空天地一体化系统分析

未来6G时代，天基（高轨、中轨、低轨卫星）、空基（临空、高空、低空飞行器）等网络将与地基（蜂窝、有线、WIFI）网络深度融合，组成空天地一体化网络，不仅能够实现人口常驻区域的常态化覆盖，而且能够实现偏远地区、海上、空中和海外的广域立体覆盖，满足地表及立体空间的全域、全天候的泛在覆盖需求。未来铁路通信业务扩展方向是宽带化、自动化、可视化、多样化，为满足未来铁路数字化的要求，需要一套具备大带宽，低时延，高可靠能力的解决方案。铁路系统可以采用北斗卫星定位替代传统轨道电路及轨旁设备，并实现列车与列车之间的直接通信，保障行车安全，提高线路运输能力。

此外，天基、空基和地基的接入，在不同环境和业务场景下各有优势，空天地一体化网络可以综合利用固网资源和卫星资源，并发挥其优势来扩展移动网络的覆盖范围，同时通过天基、空基和地基的多接入融合，提供更快的速率、更好的服务质量和更高的可靠性。我国在非洲援建或修建的铁路，往往穿过原始森林、无人区等偏远地区（如亚吉铁路、坦赞铁路等），甚至有些地区的通信信号系统容易遭到当地人为的破坏。基于上述问题，可以充分利用空天地一体化的通信系统完成列车运行的指挥控制，保证列车安全运行。

4.2 基于数字孪生平台的智慧运维系统

伴随当前先进自动化和智能化技术的不断出现，许多理工类的先进技术也被广泛地应用于铁路运输行业中。人们可以利用先进的智能技术，实现人与物体之间的自由转换和自由感知，达到了前所未有的理想效果。未来6G时代将进入数字孪生世界，数字孪生是物理实体在数字世界的实时镜像，具备虚实结合与实时交互，迭代运行与优化，以及全要素、全流程、全业务数据驱动等特点，目前已在智能制造、智慧城市、复杂系统运维等系统得到成功运用。充分挖掘当前数字信息技术发展过程中所出现的各种处理模式和处理技术，的技术和认知进行改变。可以采用技术实现模拟验证和预测等多方面的操作，目的在于让设备的数据能够达到最佳化。除此之外还应该重视动态环境的变化问题，环境是动态发展的，所以应该根据环境的具体发展情况进行实时的规划和优化。监察监控系统，检修系统，以及网络优化方面是否能够正常运行，进行一定的代码设置，保证出现问题之后，能够及时针对问题进行解决，提高整体的运行效率。

4.3 基于无人机通信网络的救援系统。

无人机以其固有的灵活性、机动性、高度适应性等特点，被认为是未来无线网络中不可或缺的组成部分,是一项极具发展前景的技术。无人机不仅可以作为新的空中通信平台，而且可以在不同场景下作为新的空中用户。分析当前市场上现有的无人机类型以及铁路运输过程中所需要的通信网络平台高度和平台实际需求来看，主要有LAP和HAP两种平台类型。无人机应用于实际的特定无线网络时，除了考虑其本身的能力外，还必须考虑其环境状况，如飞行高度等其他因素。与卫星通信类似，在自然灾害或严重地面塌陷的情况下，无人机是一种很有前景的应急无线系统解决方案。相比之下，无人机比卫星通信更具有更低的成本、更低的时延和更好的信噪比。不久的将来，无人机通信系统将在铁路救援中发挥重要的作用。

4.4 “算网一体”的铁路综合承载网

目前已经步入了5G时代，你还应该考虑在后续的时代变化发展中的网络通信的发展情况。除了单纯的进行通信之外，还可以将各种通信技术和计算方法进行统一的联系，形成一体化的通信系统。不仅可以有效的提高整体的沟通效果和沟通能力，还能够有效的提高整体的沟通效率，节省沟通时间。在铁路通信系统中，大量的业务场景对于策略控制、安全、移动性、计费等有着不同要求，同时也有互相隔离的要求。目前传统铁路网络的解决办法是通过建立多个物理网络来满足不同场景的诉求，投资及运维成本高昂。另外，现在铁路业务、相关设备、相关标准都在逐步向IP演进，现有的SDH网络无法满足铁路业务演进诉求。在这一过程中可以充分发挥两者的作用，达到“1+1＞2”的使用效果。去分析各个业务之间的实际联系和实际需求，使铁路生产经营相关的关键业务能够实现电信级SLA，同时满足这些业务之间既有需要互相隔离，也有互相统计复用的需求，最大程度降低建网成本和运维成本。