新一代信息技術驅動下的智能重載鐵路總體架構研究

李 平，曹鴻飛，謝 鵬

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

云計算、大數據、物聯網、衛星導航、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術的快速發展和融合應用，驅動著全球各行各業的數字化與智能化轉型，也深刻地影響著重載鐵路的發展。澳大利亞、北美、俄羅斯、巴西等國重載鐵路正在圍繞大數據、云計算、人工智能、物聯網、智能運維、自動駕駛等領域開展創新應用。重載鐵路創新應用涉及的相關新技術，如圖1 所示。

澳大利亞礦業巨頭力拓公司于2017 年10 月在皮爾巴拉地區完成了世界上首次貨運列車無人駕駛測試，2018 年12 月28 日在該地區1 700 km 的重載鐵路網上實現GoA4 等級的全自動貨運列車無人駕駛正式運營[1]。未來澳大利亞重載線路將持續推進物聯網、大數據和人工智能等信息新技術的全面應用。北美、俄羅斯、巴西等主要重載運輸國家積極發展裝備健康監測技術，開發車輛、線路健康監測系統，應用大數據進行監控預測綜合報警、故障分析和實時處理[2]。盡管國外重載鐵路應用新技術實現數字化智能化的戰略方向已經確定，但是目前數字化智能化相關技術僅限于局部點上的應用，尚缺乏對智能重載系統的頂層設計。

我國在20 世紀80 年代開始發展重載鐵路以來取得了快速發展，圍繞安全監控、運輸調度、客戶服務等構建了大量的業務信息系統，有力支撐了重載鐵路的主要業務發展。特別是2017 年以來隨著《鐵路信息化總體規劃》和《鐵路大數據應用實施方案》的頒布，重載運輸領域也積極開展了大數據、人工智能等信息新技術應用的研究實踐[3]。本文在對這些創新實踐進行凝練總結的基礎上，結合國外重載鐵路信息新技術的應用現狀和發展形勢，基于對重載鐵路業務特點和需求的分析，提出了智能重載鐵路的內涵及總體架構，給出了典型業務應用的構成，并介紹了智能重載鐵路總體架構研究成果在浩吉鐵路的應用。

圖1 重載鐵路新技術應用

1 重載鐵路的特點及當前面臨的需求

根據2005 年國際重載運輸協會（IHHA）提出的修訂標準，重載鐵路是指重載列車牽引質量至少達到8 000 t，軸重（或計劃軸重）為270 kN 及以上，在至少150 km 線路區段上年運量超過40 Mt，3 項條件滿足其中2 項的鐵路[4]。由此定義可見，重載鐵路具有載重量大、運輸繁忙、業務鏈條長、同步操控復雜等特點，是一個跨多種運輸方式、聯動緊密、連續性強、協同性高的復雜系統，在持續保障運輸安全、提高運輸效率、降低運輸成本、增強客戶服務等方面面臨著極大挑戰。

1.1 安全保障

重載鐵路由于運量大、軸重大、高密度、荷載作用時間長等特點，對線路、橋梁、隧道、接觸網等基礎設施的沖擊力及破壞作用顯著，極易造成基礎設施的損壞[5]。此外各類自然災害、外部環境變化等均會對重載運輸的安全帶來不利影響。因此需要廣泛采用物聯網、機器視覺、大數據、人工智能等技術，實現基礎設備設施狀態的全面感知、即時分析、故障預警和智能診斷，以及自然環境的智能監測預警和治安環境智能防控等。

1.2 運輸組織

重載鐵路業務上集產、運、銷為一體，涵蓋了上下游相關的集、運、疏等系統，組織上包括鐵路、公路、港口、貨源區等多個生產環節，和其它交通方式協作非常緊密。因此需要建設面向運輸生產全過程的智能型調度指揮系統，加強與公路、港口、民航等其他交通方式銜接和信息共享[6-7]，推動運輸業務流程優化再造，促進運輸能力安排與市場需求精準匹配，提高重載運輸效率。

1.3 資源維修

重載鐵路由于載重量大、運輸繁忙、連續性強、能源消耗大等特點，基礎設施和移動設備過度維修或者欠維修都會對運輸安全、成本和收益等帶來不良影響。因此需要建設運力資源全生命周期閉環管理的模式，實時監控移動設備的運行狀態和能耗情況[8]，基于大數據分析設備故障規律，優化修程修制，實現設備健康狀態管理、壽命預測、能耗優化等，提高移動設備利用率、增強設備可靠性、降低檢修成本，打造節能減排的綠色運輸方式。

1.4 客戶服務

重載鐵路運輸面臨著客戶需求差異大、多樣化個性化突出、受宏觀經濟和政策影響大等特點，因此在客戶服務方面需要以客戶為中心，基于大數據和用戶畫像等技術開展貨主畫像、貨運產品設計和精準營銷，提高對市場變化的快速響應能力[9]。開展全品類物流、全流程服務、全方位經營、全過程管理，打通物流業務鏈條，與其它交通運輸方式有效銜接，實現鐵路內外部物流信息共享共用和互聯互通[10-11]。

2 智能重載鐵路的內涵及總體架構設計

2.1 智能重載鐵路內涵

智能重載鐵路是廣泛應用云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能、北斗衛星導航、區塊鏈、機器人、下一代通信等新技術，以“貨運物流化、經營市場化、管理一體化、生產智能化”為核心，通過綜合高效利用所有重載鐵路內外部資源，實現移動裝備、固定基礎設施及內外部環境信息的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習和科學決策的新一代貨運鐵路系統[12]。

2.2 智能重載鐵路總體架構

智能重載鐵路的總體架構自下而上可劃分為智能感知層、智能傳輸層、數據資源層、智能決策層、智能應用層等，如圖2 所示。

圖2 智能重載鐵路總體架構

（1）智能感知層：主要完成重載鐵路內外相關數據采集，通過衛星、鐵路車站、沿線或車載安裝的各類傳感設備實時、準確、可靠地獲取關鍵設備運行狀態、外部環境信息等，為上層的智能決策業務和智能應用提供基礎。

（2）智能傳輸層：負責通過5G、量子通信、光纖、衛星等有線/無線傳輸方式將智能感知層獲取的數據傳輸匯聚到數據資源層。

（3）數據資源層：負責對匯集來的數據進行分級分類存儲，可分為6 類大數據域。包括營銷服務數據域（含客戶數據、合同數據、交易數據、產品數據、廣告數據、金融數據等）、運輸生產數據域（含物流調度、安全調度、行車調度、運轉作業、貨運作業、貨檢作業、檢修作業、施工作業等數據）、綜合安全數據域（含安全監測、防災監控、安全管理、應急指揮、視頻監控等數據）、經營管理數據域（含人財物、辦公、運輸管理、價格、機車車輛等數據）、基礎數據域（含線路、車站、品名、品類、車輛、機車、客戶、組織機構等基礎數據）以及其他相關數據域（含多式聯運、國民經濟、社會物流、地震、氣象等數據）。

（4）智能決策層：通過時空大數據和人工智能等分析技術，依托智能重載基礎平臺為主要業務應用提供決策支持。智能重載基礎平臺由大數據服務平臺、人工智能平臺、空間信息平臺等構成，提供數據挖掘、多維分析、文本分析、圖像分析和時空融合分析等功能。

（5）智能應用層：主要包括智能建造、智能裝備和智能運營等領域的主要業務應用。智能建造以BIM+GIS 技術為核心，將云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能等新一代信息技術與先進的工程建造技術相融合，實現重載鐵路建設全過程的精細化和智能化管理。智能裝備將全方位態勢感知、自動駕駛、運行控制、故障診斷與健康管理（PHM）等技術與先進裝備技術相融合，實現重載鐵路機車、車輛等移動裝備和基礎設施全生命周期的安全化、高效化和智能化管理。智能運營將泛在感知、智能監測、增強現實、智能視頻、事故預測及智聯網等技術與重載鐵路運營技術相結合，實現個性化服務、一體化運維和智能化運營。

3 智能重載鐵路的典型業務應用構成

3.1 智能重載鐵路業務架構

智能重載鐵路遵循主流“平臺+應用”架構，應用構成主要包括智能重載基礎平臺和智能建造、智能裝備、智能運營3 大板塊，如圖3 所示。智能重載基礎平臺是整個系統的核心中樞，統一為智能建造、智能裝備、智能運營3 大板塊的應用提供大數據分析和智能計算等服務，實現3 大板塊業務協同和信息共享。

3.2 智能建造

圖3 智能重載鐵路應用構成

主要包括綜合交通體系協同施工、基于BIM+GIS 技術的工程建設管理等應用。其中：

（1）綜合交通體系協同施工是指統籌考慮港口、道路、航空、鐵路、管道等多種交通方式的銜接，實現跨多種交通方式、涵蓋全供應鏈的協同施工。

（2）基于BIM+GIS 技術的工程建設管理是以BIM 技術為核心，結合云計算、物聯網、大數據、移動互聯等信息技術，實現工程建設設計、進度、質量、安全、投資、環保和技術創新等全要素信息精益化管控，具備主動感知預判風險的安全管理、基于BIM+物聯網的質量溯源管理、形象化與大數據預測推演的進度管理、標準化的設計成果交付等功能[13]。

3.3 智能裝備

主要包括重載列車自動駕駛、機車車輛全壽命周期管理、智能巡檢車、智能牽引供電、基于衛星通信的移動閉塞等應用。

（1）重載列車自動駕駛在列車自動防護系統（ATP）的監督下自動控制列車運行，實現站間運行自動調整、自動運行及車站精確停車等功能，可有效地提升運營的智能化水平，實現安全、節能降耗的有機統一。

（2）機車車輛全壽命周期管理主要實現機車動力配置管理、機車履歷管理、機車配件履歷管理、機車技術管理、機車檢修管理、機車重要零部件健康管理（PHM+），以及貨車故障預測、貨車質量分析改進、貨車修程修制優化、安全信息預測、貨車一車一檔、貨車走行里程分析等功能。

（3）智能巡檢車主要用于實現重載鐵路線路的軌道檢測、接觸網檢測、信號機軌旁設備檢測、限界檢測及線路巡檢等，并提供實時智能分析和預警等功能。

（4）智能牽引供電由智能牽引變電所和智能接觸網構成。智能牽引變電所包括具有數字測量、網絡控制、狀態評估、信息互動等功能的智能一次設備，集成視頻、安防系統、環控系統、門禁系統、在線監測等的智能輔助系統，以及廣域測控保護系統等。智能接觸網包括標準化、簡統化接觸網設備以及具備運行狀態監控、故障報警、圖像智能分析等功能的智能化接觸網檢測裝備。

（5）基于衛星通信的移動閉塞通過在車載定位單元安裝衛星接收處理模塊和天線，地面在線路平均相距50 km 處設置地面差分基站，在調度中心設置差分服務器，實現基于高精度列車定位的移動閉塞。

3.4 智能運營

主要包括智能營銷、智能綜合調度、基礎設施智能運維、綜合安全大數據分析、綜合視頻智能分析等應用。

（1）智能營銷首先通過客戶畫像分析，精準識別客戶貨物托運習慣、運力采購習慣等。根據物流產品特點，找到目標用戶，實現精準運營和營銷。其次通過在線電子支付、商務管理、理賠服務等功能保證客戶需求受理和到達交付等環節順暢銜接。最后整合具有互補性的運輸、倉儲、配送、流通加工、信息等相關資源，并統一調配、組織、管理、協調鐵路自身和外部物流資源，為顧客提供管理咨詢、商貿交易、車貨匹配、物流金融和物流大數據分析等一體化物流服務。

（2）智能綜合調度圍繞建立貫通供應鏈全過程的一體化調度指揮機制，將集、疏、運端、供應鏈上下游、相關專用線納入統一調度指揮體系，形成全過程協同的調度指揮能力，具備各工種調度計劃的協同編制及路網車流的自動推算，基于大數據和人工智能技術等實現行車調度指揮、行車及移動設備的狀態監視、報警管理、調度指揮聯動及應急協調指揮等功能。

（3）基礎設施智能運維是指工務、電務、供電、房建等基礎設施的一體化、集中化、智能化運維，主要實現工電供聯合生產指揮、設備綜合監測、全壽命周期管理、故障智能診斷、運維綜合分析、設備PHM 管理、車地閉環分析等功能。

（4）綜合安全大數據分析主要實現基于大數據的安全風險分析、安全隱患分析、事故故障分析、機車視頻分析、設備畫像分析、人員畫像分析和安全綜合評估等。

（5）綜合視頻智能分析主要鐵路綜合視頻和專業視頻的集成和共享，基于大數據、機器學習等算法，采用云計算和邊緣計算融合分析的模式，實現面向重載鐵路視頻監測數據的智能分析和綜合預警。

4 智能浩吉鐵路示范應用

浩吉鐵路是世界上一次性建成里程最長的重載煤運專線，全線于2019 年9 月28 日建成開通。浩吉鐵路北起內蒙古浩勒報吉站，途經內蒙古、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西7 省區，終到京九鐵路吉安站，全長1 814 km，規劃設計輸送能力為2 億t/年，是銜接多條煤炭集疏線路、點網結合、鐵水聯運的大能力、高效煤炭運輸系統，是“北煤南運”新的國家戰略運輸通道和國家綜合交通運輸系統的重要組成部分[14]。

浩吉鐵路貫徹落實“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念，以智能化為引領，構建了智能浩吉總體架構，試驗/部署了以下智能化業務應用：基于北斗的單線CTC、基于LKJ 的貨運列車輔助駕駛系統、智能牽引供電系統、基礎設施智能運維系統、綜合安全大數據應用、綜合視頻智能分析系統、智能綜合調度系統、智能基礎平臺等。

通過上述智能化典型系統的實施應用，智能浩吉鐵路在提高效率、增強安全、降低成本等方面取得顯著初步成效。（1）基于北斗定位有效提升了列車運行軌跡跟蹤精度，實現了基于LKJ 的貨運列車自動駕駛，提高了重載列車運輸組織效率。（2）通過構建智能基礎平臺開展安全大數據應用，實現了設備設施和環境的綜合監控、故障診斷、超前預警、資產全生命周期管理等，提高了重載運輸安全保障能力。（3）通過采用基礎設施運維和智能綜合調度，實現了在保障安全前提下人力資源配置的精簡和資源的高效利用，有效降低運營維護成本。

5 結束語

未來隨著區塊鏈、數字孿生、新一代無線通信、信息物理系統、工業互聯網、機器人等技術的發展，智能重載鐵路總體架構也將在新技術推動下不斷優化迭代，推進重載運輸進入“更安全、更高效、更經濟、更綠色、更優服務”的智能化時代。