國外鐵路數字化與智能化發展趨勢研究

李平，邵賽，薛蕊，張曉棟

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵路大數據研究與應用創新中心，北京 100081）

0 引言

移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、人工智能等新一代技術的突破和融合發展，對全球經濟環境和人民日常生活產生了前所未有的重大影響，已成為新一輪科技革命和產業變革的核心所在。萬物互聯、數據驅動、智能決策的數字化時代悄然來臨。新一代信息技術促進服務制造業升級、推動智能交通發展、助力智慧城市建設，已經滲透到各行各業。智能交通領域的技術應用在改善城市交通狀況、解決城市交通擁堵問題、提高城市道路管理水平等方面發揮著重要作用。智能電網領域的研究成果為新型能源接入、特高壓輸電、大電網運行控制、數字化變電站、數字化電網等的發展奠定了基礎。智慧城市領域的試點實踐成為促進城市規劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式。

近年來，世界各國鐵路都面臨著客貨運輸需求增長快速化、運輸服務定制化、運輸安全泛在化等挑戰。在鐵路運輸基礎設施供應能力相對固定的前提下，通過采用新一代信息技術大幅提升鐵路運輸組織效率效益、優化客貨運輸服務品質、提高鐵路運輸安全水平已成為各國鐵路發展的必由之路，鐵路智能化已經成為世界鐵路未來發展的重要方向[1]。在此背景下，法國、德國、瑞士、英國、澳大利亞、美國、加拿大、日本、韓國等國家鐵路相繼提出了數字化與智能化發展的戰略規劃，并制定了實施路線圖和重點任務。

1 歐洲鐵路數字化戰略

1.1 Rail Route 2050戰略規劃

2011年，歐盟發布《歐洲一體化運輸發展路線圖》[2]白皮書，旨在將歐洲目前的運輸系統發展為具有競爭力和高資源效率的運輸系統。其中多式聯運、高速鐵路路網規模等6項直接涉及鐵路運輸，鼓勵貨運和客運向鐵路運輸方式的轉變，強調鐵路運輸方式對未來歐洲運輸的重要性。為支撐歐洲運輸白皮書，歐洲鐵路研究咨詢委員會（ERRAC）同步制定了《Rail Route 2050》戰略規劃[3]，在智能移動、能源與環境、安全、認證、競爭力和使能技術、戰略與經濟、基礎設施等7個方面，提出了一個有競爭力、高資源效率、面向智能化的2050年鐵路系統發展藍圖（見圖1）。

圖1 歐洲鐵路系統發展藍圖（至2050年）

1.2 Shift2Rail科技創新戰略

數字化鐵路已成為歐洲鐵路一體化發展的首要任務，歐盟出臺了一系列戰略規劃，在2013年提出以市場為導向的Shift2Rail科技創新戰略[4]（見圖2）。Shift2Rail實施周期為2014—2020年，重點關注生命周期成本降低、路網容量增強、服務可靠性與準時性提高，最終實現歐洲鐵路一體化、增強歐洲鐵路的吸引力及競爭力、鞏固歐洲鐵路在全球市場的領導地位等目標。

圖2 歐洲Shift2Rail戰略目標

1.3 德國

德國鐵路公司（簡稱德鐵）將數字化進程視為寶貴的發展契機，實施了一系列的數字化舉措，確保鐵路行業走在新一代工業革命的前列。2016年德鐵與德國聯邦交通部、德國鐵路工業聯合會聯合簽署合作協議“鐵路數字化戰略”（鐵路4.0）[5]。這是一次以提升乘客滿意度為目標，深入到生產、運營、維修養護、客戶交互等鐵路系統各環節的技術變革，全面支撐德國運輸4.0計劃。鐵路4.0初步設想包括運輸4.0、基礎設施4.0、物流4.0、信號技術4.0、IT4.0、生產制造4.0、工作崗位4.0、技術創新4.0等方面，同時制定了近期、中期、遠期三階段目標（見圖3）。

（1）近期（至2025年）。實現半自動化列車無線分配；提供下一代電子行程服務；通過列車獨特設計使乘客的移動設備與基站信號直連。同時在2020年底實現所有鐵路建設項目應用建筑信息模型（BIM）的規劃戰略。

（2）中期（2025—2035年）。實現列車無人駕駛；能夠提供更靈活、個性化的交通方式；機器人小汽車（cab）研制成功并投入使用。

（3）遠期（2035—2045年）。形成新型數字化車間；實現電子商務、3D打印維護、運營過程全自動化；智能設備成為設備維護的日常工具。

圖3 德國鐵路發展展望

1.4 法國

2015年法國國家鐵路公司提出數字化法鐵（DIGITALSNCF）戰略，通過加強工業互聯網建設，構建連通列車、路網和站房三大區域網絡。一方面實現對安全運輸、生產效率、能源經濟、工作質量等的追求，另一方面滿足旅客對準點率和舒適度的需求。預期在2031—2040年，為客戶建立一個有競爭力、便捷、可持續、與未來運輸緊密結合的鐵路系統[6]（見圖4）。未來將重點關注運力、競爭對手、乘客、公共資金等發展趨勢，擬在數字化、物聯網、人工智能、網絡安全、能源等方面開展技術突破，實現低成本、全球范圍內門到門、共享汽車等新型商業模式，探索人工智能、能源存儲、3D打印、機器人、自動駕駛、新型材料等新技術在鐵路具體場景的應用。具體實施路線圖如下：

（1）近期（至2020年）。對現有鐵路系統改進，在郊區線路引入自動駕駛。推進3D打印技術，減少20%零件制造時間和成本。

（2）中期（2021—2030年）。構建顛覆性創新的鐵路系統，功能包括列車實時定位、“門到門”運輸、客流智能管控、路網運力自適應等。

（3）遠期（2031—2040年）。為客戶實時提供滿足需求、可靠安全、易于訪問的服務；最大化路網和庫存利用率以降低成本；實現系統簡化和標準化，縮短新技術實際應用時間；通過優化資源利用和限制碳排放，完成公共服務使命；將鐵路系統納入全球“門到門”運輸服務，使車站變成集成服務和各項運輸方式的站點。

1.5 瑞士

2017年，瑞士聯邦鐵路為了發揮數字化技術潛力，提出瑞士SmartRail 4.0戰略[7]，旨在進一步提高鐵路系統容量和安全性，有效地利用鐵路基礎設施，長期保持瑞士鐵路的競爭力。具體戰略目標主要包括5個方面：一是成本方面，每年節約450 Mio CHF（百萬瑞士法郎），為客戶提供更優的價格和更好的服務質量；二是在能力方面，增加15%～30%的鐵路網容量，為客戶提供緊湊、靈活、互通的服務；三是在可用性方面，信號系統性能提升50%，為客戶提供準時、不受干擾的行程；四是在安全方面，鐵路運營故障減少90%，為客戶提供更可靠的安全運輸；五是在服務方面，鐵路企業內部互聯互通，為客戶提供更好的在線旅行體驗。

同時，SmartRail 4.0將戰略實施過程劃分為3個階段，明確每個階段目標及任務，對ETCS L3+移動閉塞、集中簡化聯鎖設備、基礎設施建設自動化、列車模塊化等技術進行了規劃（見圖5）。

圖5 瑞士鐵路發展展望

1.6 英國

2018年，英國鐵路為了布局數字鐵路未來規劃，制定了數字鐵路戰略（Digital Railway Strategy）[8]，在人才技術與業務能力、列車運行控制、自動駕駛、交通管理與可靠性、移動通信數據互聯、智能基礎設施等領域布局，提出了數字化鐵路三階段發展藍圖（見圖6），從而實現資產可持續性、提高載運能力、增強安全性、加強用戶體驗、加速經濟增長、改善環境等目標。

（1）近期（至2019年）。基于現有的建設成果，實施部署數字鐵路項目（包括ETCS試驗軌道開發和ETCS車輛改裝）；借鑒國內外類似領域的先進技術成果，開展創新技術的應用，為下一階段實施提供支撐。

（2）中期（2019—2027年）。重點關注安格利亞、倫敦東北、東南、威塞克斯和西部等五大鐵路線的發展規劃；確定數字鐵路方案并按優先級排序；通過數字化方式大力提高受限的運力，并以較低的運營成本為鐵路用戶和英國經濟帶來更廣泛的利益。

（3）遠期（2027年后）。隨著數字化技術發展日趨成熟，預計在數字信號、智能基礎設施和列車控制等方面將會大幅降低成本；未來數字化技術將成為鐵路網的日常運營手段。

圖6 英國鐵路發展展望

2 日韓鐵路數字化戰略

2.1 日本

日本JR東鐵路公司為充分發揮物聯網、大數據、人工智能等技術創新作用，制定了《技術創新中長期規劃》[9]，旨在實現安全保障、強化服務和營銷、優化運用維護、注重能源和環境等4個方面的目標。

（1）安全保障。積極推進技術改造、設備更新研發以及安全教育培訓技術的研發。建立一套安全輔助系統，通過利用物聯網、大數據、人工智能等技術，捕捉事故的預兆，挖掘難以預知的風險，以便事先采取對策。

（2）強化服務和營銷。未來的旅客服務系統可提供客流和車輛設備信息，實時提供公交車、出租車等其他交通工具及氣象等信息，為旅客提供個性化定制信息服務。

（3）優化運用維護。逐步推進“狀態修”體系的實用化，加快自動駕駛技術以及利用智能機器人和人工智能的輔助技術研發。此外，隨著一線技術工人大幅減員，將通過技術創新來改變運用和維修成本的結構，實現“人與系統”密切結合的工作模式。

（4）注重能源和環境。建立從發電到輸變電和配電的全過程能源管理網絡平臺，綜合利用可再生能源和節能蓄能技術，實現2030年鐵路能耗降低25%、二氧化碳排放量減少40%的管理目標（以2013年為基準）。

2.2 韓國

韓國鐵路重點關注基礎設施BIM技術應用，并構建了面向2030年的鐵路基礎設施BIM發展路線圖，將BIM發展劃分為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0五個階段（見圖7）：

（1）BIM 1.0（至2018年）。初始階段，基于BIM的公眾展示和設計審查。

（2）BIM 2.0（至2020年）。成長階段，基于BIM的設計、工程、誤差監測。

（3）BIM 3.0（至2022年）。成熟階段，基于BIM的綜合項目與設施管理。

（4）BIM 4.0（至2024年）。高級階段，智能工廠和非現場組裝。

（5）BIM 5.0（2030年后）。智能階段，智能建造4.0和基于人工智能的項目及設施管理。

圖7 韓國基礎設施BIM發展路線圖（至2030年后）

3 澳大利亞鐵路數字化戰略

澳大利亞鐵路結合本國國情與全球經濟發展形勢，并充分考慮物聯網、大數據、人工智能等先進技術的發展，從材料與制造、運行控制與管理、節能減排等3個方面制定了近期（至2020年）、中期（至2030年）、遠期（至2040年）的鐵路創新戰略規劃（見圖8）。

（1）近期規劃（至2020年）。利用新方法、新手段提高鐵路規劃設計水平；基本實現列車少人駕駛、實現系統化全覆蓋；采用列車智能化駕駛降低能源消耗。

（2）中期規劃（至2030年）。重點發展先進制造業，利用高性能重載材料，克服鐵路貨運物理限制；利用大數據、人工智能實現鐵路運行安全風險自動檢測與控制；實現列車先進制動系統，實現機車交流牽引及電子電力系統改造。

（3）遠期規劃（至2040年）。實現鐵路建設與裝備材料輕量化；利用運行數據實現更高級別的鐵路運行與控制；充分實現可再生能源在鐵路領域的應用，降低碳排放量。

圖8 澳大利亞鐵路2040創新戰略規劃

4 北美鐵路數字化戰略

4.1 加拿大

加拿大國家鐵路公司以精確、負責、可靠及運力強大的貨物運輸著稱，被譽為北美的定時運輸鐵路。制定了信息化發展戰略并穩步落實，近期利用數字化技術對鐵路運營進行了多項創新實踐。

（1）精確化運輸。為支撐“準時制”（Just In Time）運輸，建設了貨運服務可靠性系統（SRS），實現了訂單、貨票、列車運行、場站作業、車輛配置、機車周轉、客戶服務、貨物聯運、收入管理等所有與鐵路貨物運輸相關業務的一體化管理。

（2）數字化商務。建立了標準化客戶服務流程，并通過電子商務、電子數據交換（EDI）以及客戶服務系統，轉變客戶服務方式，實現數字化商務。

（3）數據城市（DataCity）。將數據作為關鍵的企業級資產，將高質量數據作為實現高質量鐵路運輸作業和客戶服務的根本，基于統一的數據管理和企業級數據倉庫前提下，構建了DataCity系統以有效地支撐鐵路業務分析與決策，為實現分析決策智能化提供支持。

4.2 美國

美國鐵路以貨運為主，在預測性維護、客戶服務等方面進行數字化技術的探索。2011年美國貨運鐵路啟動了“資產健康戰略計劃”（Asset Health Strategic Initiative，AHSI），對各個鐵路公司分別收集和存儲的大量數據進行分析，并由此解決行業內最關鍵的鐵路設備管理與維護問題。美國Strukton公司開發了預測性維護和故障診斷系統POSS，其目標是在早期階段識別資產的衰退，幫助分析師將注意力集中在衰退資產上，優化維修間隔，以減少維修成本和故障。美國Amtrak公司利用大數據來提升乘客的互動和體驗，將列車運行圖與谷歌地圖相結合，開發實時列車定位地圖，通過該網站訪客可以訪問有關列車的最新信息。

5 分析與啟示

國外鐵路積極探索信息新技術，在鐵路融合應用的發展方向紛紛制定一系列中長期戰略規劃，加快新技術與鐵路業務場景深度融合和創新應用，促進大量項目的立項與推進，在工程建設、安全保障、列車控制等領域積極布局（見圖9）。由圖9可知，各國鐵路的數字化和智能化發展戰略主要分為3個里程碑節點，即2020、2025、2035年。在戰略內容設計上呈現出如下發展趨勢：

（1）列車自動駕駛成為鐵路智能化發展的重要內容，德國、法國、瑞士、澳大利亞鐵路均列為重點任務之一。

（2）面向全球的鐵路運輸的“門到門”服務、跨多種交通方式的無縫化運輸成為未來鐵路運輸智能化的重要目標。法國、瑞士、德國、日本鐵路均作為戰略目標之一。

（3）BIM技術應用成為基礎設施智能化的重要手段，德國、瑞士、韓國鐵路均制定了相應的目標。

（4）新一代列車控制與調度系統得到多國鐵路的高度關注。瑞士、法國、德國、英國、澳大利亞鐵路等均著力研發集中聯鎖、移動閉塞、ETCS、列車實時定位等新一代列車控制系統設備，以便實現裝備智能化。

（5）綠色低碳成為未來鐵路運輸的重要指標之一。瑞士、法國、澳大利亞、日本鐵路等均制定了相應的指標。

除此之外，在標準化接口、3D打印、電子商務、數字化車間、機器人、預測性維修等方面，有關國家鐵路也在積極探索。

6 結束語

鐵路是國民經濟大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程，是綜合交通運輸體系的骨干和主要交通方式之一，在我國經濟社會發展中的地位和作用至關重要。當前我國鐵路正處于關鍵的戰略機遇期，未來20年我國將釋放出巨大的經濟社會需求，為我國智能鐵路發展創造得天獨厚的條件和千載難逢的機遇。中國鐵路已經初步制定了智能高鐵發展戰略[10]，明確了2020、2025、2035年3個階段的戰略目標，戰略的內容部署、階段安排和具體目標均領先國外主要鐵路國家。特別是隨著云計算、物聯網、大數據、人工智能等新技術的快速發展和日臻成熟，新技術與鐵路融合后形成的智能建造、智能裝備、智能運營等成套理論和技術體系將為實現智能鐵路戰略提供重要的技術保證[11-13]。依托智能京張、智能京雄、智能蒙華等重大工程建設，智能鐵路的系統性研究成果將得以驗證、應用、推廣，并在系統層級上不斷迭代遞進、反饋優化，將形成既具有中國特色、又能為世界其他國家鐵路發展參考的智能鐵路成套理論技術體系。

圖9 國外鐵路智能化發展趨勢對比