鐵路智能運輸調度管理系統架構研究

張才春，趙 飛，高 磊

（1. 中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；2. 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）

黨中央、國務院先后制定并發布了《國家創新驅動發展戰略綱要》[1]、《新一代人工智能發展規劃》[2]等綱領性文件，工業和信息化部提出“以加快人工智能與經濟、社會、國防深度融合為主線，以提升新一代人工智能科技創新能力為主攻方向，發展智能經濟，建設智能社會”[3]。在此背景下，鐵路積極探索智能化建設。智能鐵路是廣泛應用云計算、物聯網、大數據、人工智能、機器人、第五代移動通信、北斗衛星導航、建筑信息模型等新技術，通過對鐵路移動裝備、固定基礎設施及相關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，高效綜合利用鐵路所有移動、固定、空間、時間和人力等資源，實現鐵路建設、運輸全過程、全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更加安全可靠、更加經濟高效、更加溫馨舒適、更加方便快捷、更加節能環保的新一代鐵路運輸系統[4-8]。

隨著網絡與信息技術的深入發展，鐵路運輸調度加速從信息化向數字化、智能化轉變。

智能鐵路運輸調度作為智能運營的重要組成部分，是指借助物聯網、大數據、云計算和人工智能等先進技術，實現對客/貨運動態需求、各種鐵路資源的全息化感知、一體化實時決策、自動化控制和反饋、對運輸態勢與調度效果做精準實時判斷，自動實現鐵路資源在整體和局部上的最優分配與運用，安全高效地完成各項運輸生產作業目標。

本文在總結國外智能鐵路運輸調度研究與應用現狀的基礎上，重點分析現階段我國鐵路運輸調度現狀和存在問題，并提出了智能運輸調度管理系統架構及實施規劃。

1 國內外鐵路智能調度研究與應用現狀

1.1 國外鐵路運輸調度系統

日本新干線調度指揮系統COSMOS從高速鐵路特點和需求出發，把運輸安全和列車正點作為工作核心，構建各專業高度綜合的調度、管理、控制系統[9]。德國鐵路調度系統融合調度指揮全業務，實現鐵路運輸的整體優化，具有指揮精細化、系統高度集成的特點。系統以閉塞分區為單元進行計劃編制和調整，通過軌道區段鎖閉時間實現列車對線路、設備使用的精細化[10]。美國運輸部聯邦鐵路管理局基于傳感器、計算機和數字通信技術開發新一代一體化智能鐵路系統，支撐高安全、高效率、高效益、高滿意度服務、低能耗等目標[11]。

1.2 我國鐵路運輸調度管理系統

我國鐵路運輸調度管理系統（簡稱：調度系統）采用中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）、鐵路局集團公司兩級架構，支撐國鐵集團、鐵路局集團公司和站段三級運輸調度應用。主要基于運輸信息集成平臺、十八點統計和鐵路局集團公司站段級系統等上報數據，匯總形成全國鐵路（簡稱：全路）和鐵路局集團公司運輸生產信息，支撐調度人員把握全路整體運輸情況、做出運輸方案決策、跟蹤生產實際，并為運輸生產人員提供相關信息查詢服務，實現了計算機代替人工繪圖，網絡代替電話通信的信息傳遞，改變了傳統的調度作業方式，初步實現了國鐵集團、鐵路路局集團公司、站段間的信息共享，為提高調度指揮效率，減輕作業人員工作強度發揮了重要作用。現階段，我國調度系統在信息的獲取精細度、系統輔助決策能力、自動操控等方面的智能化水平有待進一步提高，亟需開展調度系統智能化方面的相關研究和建設。

通過對國內外鐵路調度系統的分析研究，根據運輸調度系統目前存在的問題，借鑒國外系統的先進經驗和理念，對調度系統進行分析和規劃，研究新一代鐵路智能調度系統框架及實施策略。

2 鐵路智能調度系統

新一代鐵路智能調度系統通過運用物聯網、大數據、云計算和人工智能等先進技術，實現智能感知、智能決策、智能操控和智能評價。基于客貨運輸動態需求、人員、線路、固定設備、移動裝備和內外環境等實時狀態，高效合理編制各類運輸生產計劃并通過系列作業、操作和控制確保計劃的有效實施，以實現運力資源統籌、集中、統一、合理地運用，達到高安全、高效率、高效益和優服務的目標。鐵路智能調度系統，如圖1所示。

圖1 鐵路智能調度系統

2.1 系統描述

（1）從廣義來講，智能運輸調度系統作為智能鐵路有機整體的中樞神經系統，同樣涉及智能建造、智能裝備和智能運營等多方面，涵蓋智能鐵路的大部分內容，需要得到鐵路網（簡稱：路網）資源的智能化支撐和協同配合。

（2）從狹義來講，鐵路智能運輸調度是智能鐵路3大子系統之智能運營的核心功能，它在與其他相關系統交互（數據、控制）基礎上，進行分析決策，實現對子系統內外相關有形和無形資源的精準感知、合理計劃、高效指揮和安全控制。

智能調度系統是智能鐵路信息系統的核心構成之一，是以服務運輸調度目標，基于智能鐵路信息系統和一體化信息集成平臺，研發形成的新一代調度系統，旨在提升運輸調度的智能感知、智能決策、智能操控和智能評價能力，系統具有運輸態勢感知全息化、預測預警精準化、計劃編制一體化、運力資源運用精細化、作業操作和設備控制自動化等特征。

2.1.1 系統能力

系統重點打造智能感知、智能決策、智能操控和智能評價4方面能力。

（1）智能感知。支持對客貨運輸需求、運輸資源設備狀態的實時、精準、全息化感知，包括車流、運力資源（空車、機車、乘務員等）、內外環境等。具體實現以下功能：①自動獲取不同時段客貨運市場需求信息；②自動獲取運輸生產資源分布運用情況；③自動獲取運輸生產作業過程信息；④自動獲取運輸環境狀態信息等。

（2）智能決策。支持各類計劃協同、一體化編制，車流、作業進度及時準確預測，空車調配以及應急響應方案自動生成等。具體實現以下功能：①自動預計客貨運輸需求動態變化過程；②自動預計裝卸、解編、檢修、施工進度；③自動預計車流變化、列車運行情況；④自動預計移動設備和固定設施可用情況；⑤自動編制和調整包括貨運、列車、機車等計劃在內的運輸計劃；⑥自動預計突發故障影響范圍和程度等。

（3）智能操控。支持各類計劃自動及時下達、設備精準操控、作業進度實時監控、對異常情況快速響應等。具體實現以下功能：①調度命令自動生成和下達執行；②列車運行圖自動生成；③調度作業環節自動安全卡控；④各環節作業超時預警和報警；⑤設備設施可用情況動態跟蹤、自動預警；⑥設備故障和應急事件提前預警等。

（4）智能評價。基于實時數據的調度生產作業進度智能分析和評價，形成系統可再次利用的知識。具體實現以下功能：①運輸生產過程作業進度能力利用評價；②運輸生產指標自動匯總分析；③運輸需求、生產動態和干線能力利用變化趨勢自動分析等。

2.1.2 系統特征

系統具備運輸態勢感知全息化、預測精準化、計劃編制一體化、運力資源運用精細化、作業操作和設備控制自動化等特征。

（1）運輸態勢感知全息化。實現對運輸需求和運輸資源（人員、線路、固定設備、移動裝備、內外環境等）的多維度、多層次、精細化的實時感知和融合[12-13]。

（2）預測精準化。實現車流及貨物運到時限精準預測、列車正晚點準確預測、運輸需求變化趨勢和未來設備資源狀態的實時預測。

（3）計劃編制一體化。實現橫向各專業調度工種計劃編制一體化，縱向國鐵集團、鐵路局集團公司、站段三級計劃編制一體化。

（4）運力資源運用精細化。通過實時感知、精準預測、精細化的專業計劃編制，實現對各類運力資源更細粒度運用管理。

（5）作業操作和設備控制自動化。實現對作業計劃的自動下達，作業狀態的自動收集；相關指令也可以下達至相關控制設備，指令能夠滿足控制設備進行自動動作的要求，相關設備也能夠將執行情況自動形成反饋以供后續調整。

2.2 系統建設目標

鐵路智能調度系統需要實現以下目標：

（1）高安全。通過對鐵路固定設施、移動設備、運輸過程及自然環境等的狀態感知，接入設備故障、行車事故的態勢預測、預警信息，實現超前防范；通過作業計劃的一體化編制，對作業過程進行安全預警和流程卡控，整體提升鐵路運輸安全保障能力。

（2）高效率。通過采用運輸調度業務全流程自動控制實現技術，實現作業過程中計劃智能下達、實時執行和動態反饋，實現作業崗位實時聯動、關聯操作、自動控制和協同調整，降低指令下達和現場作業的溝通成本，提高指揮效率，進而提高鐵路運輸效率。

（3）高效益。通過計劃一體化、精細化協同編制，實現貨運工作、列車工作、機車工作有效銜接，提高計劃編制質量，保證各作業環節有序銜接，降低乘務員超勞情況發生，減少車流迂回發生，降低生產成本，提高運輸效益。

（4）優服務。調度核心在提供高效穩定的客貨運產品，客運重點在正晚點、聯程運輸、人性化服務，旨在提高旅客出行體驗。貨運重點是保暢通、保貨物運到時限，通過鐵路貨運的網絡化，為貨主提供物流全流程的貨物跟蹤及查詢服務，實現鐵企聯動，運輸信息透明化。

2.3 系統架構

鐵路智能調度系統總體架構，如圖2所示。

圖2 鐵路智能調度系統總體架構

（1）智能交互層。負責與外界相關系統進行交互，實現對運輸需求和設備資源狀態的智能感知，以及對設備、設施和作業任務的自動控制。

（2）智能傳輸層。借助先進的高速通信技術，實現信息及命令的低延時上傳下達。

（3）數據資源層。匯集存儲運輸調度指揮需要的各種數據以及生成的各種命令指令。

（4）智能決策分析層。作為系統核心支持智能決策和智能評價，實現運輸計劃一體化編制和自動調整、車流預測與推算、作業進度趨勢預測與分析等智能決策功能。

（5）智能應用層借助多種可視化技術，支持管理人員和調度工作人員及時準確掌握運輸態勢、科學決策[14]。

鐵路智能運輸調度系統作為智能調度的載體，采用面向服務的系統架構，充分應用云計算、大數據等技術，實現智能感知、智能操控、智能決策和智能評價等功能，具有統一的基礎數據、接口標準，以及安全控制等功能，覆蓋運輸組織、調度指揮和生產作業全過程，保證整個系統的穩定運行和自動擴展。

2.4 系統功能

鐵路智能調度系統覆蓋運輸生產作業全過程，基于狀態智能采集和預測、全業務流程自動控制實現、計劃一體化協同編制和自動調整、調度過程決策支持等關鍵技術進行系統的構建。系統提供8大應用功能，如圖3所示。

圖3 鐵路智能調度系統功能架構

（1）調度數據綜合采集和處理平臺。動態獲取客運需求、貨運需求、車輛運行狀態、固定設施狀態、作業進度信息和環境及天氣信息，構建調度系統統一的數據平臺，支撐不同層級和不同工種調度應用。

（2）基于智能預測技術的車流推算與調整。在動態掌握列車機車車輛運行軌跡的基礎上，構建覆蓋列車車輛運行徑路、區間運行時分、在站技術作業等核心模型的車流推算系統，為路網車流調整和輪廓計劃編制提供輔助支持。

（3）列車機車車輛動態追蹤和管理。按運用方式、運用范圍、修程修制，對車輛進行動態追蹤，實現對列車、機車、車輛運行狀態和作業過程的實時監控，針對運行異常情況提供告警，并協助進行調整。

（4）計劃一體化編制與調整。實現對客運、貨運、列車、機車、車輛、施工和司乘計劃的一體化編制與調整，支撐國鐵集團、鐵路局集團公司和站段三級縱向計劃協同編制，實現能力、狀態、環境和時空之間的感知和協同。

（5）路網能力利用監測預警和管理。動態獲取路網運行信息，實現對區域線路能力、貨運站裝卸能力、客流和貨流線網能力，以及技術站作業能力的動態管理，根據路網運行情況對路網能力利用情況進行監測預警，提供路網能力利用策略的輔助決策支持。

（6）基于信息物理系統（CPS，Cyber Physical System）的調度數據綜合采集和處理平臺。根據運輸生產、調度指揮的作業計劃和實際動態信息，對生產作業效率、調度指揮效果、運輸經營效益進行動態分析、預估和評價。

（7）路網運能資源的輔助配置。根據客貨運市場需求變化，運用大數據、智能分析等技術，實現對路網整體運輸效能的模擬和分析，輔助提出對運能資源調配的建議，實現對路網運能資源的合理配置。

（8）分層多視角調度系統統一基礎數據管理。實現對路網物理描述數字孿生，在此基礎上構建運輸調度的邏輯描述以支撐業務應用實現，提供業務視角的工種調度基礎數據管理；形成調度系統統一基礎數據維護與發布機制，服務不同層級調度指揮、不同視角專業調度應用。

3 實施策略

為實現智能調度系統的目標，結合現階段應用水平，按照積極推進、穩步實施的原則，推進智能運輸調度系統的實施。

（1）分步實施。按照高速鐵路先行、貨運探索、客貨融合的路徑，分應用、按模塊穩步推進智能調度系統的建設。

（2）充分運用新技術和新手段。結合業務需求，根據應用場景選用適合人工智能技術，提升系統的智能化程度；運用微服務的理念搭建可擴展、高伸縮、強安全的新系統架構，滿足業務靈活變動的需求。

（3）考慮既有系統的銜接和平穩過渡。在新系統建設中，要充分利用既有系統的成果，保持新舊系統不同模塊間數據的充分共享，確保系統的有序上線和業務的平滑過渡。

（4）積極推進業務和系統的協同。推進應用升級的同時，同步協調推進業務優化調整，根據新的技術條件，改良現有作業方法、作業要求，適時進行相關管理辦法、作業細則的修改，實現業務和系統的共同發展和相互促進。

4 結束語

本文從智能調度與智能鐵路的關系出發，在總結國外智能鐵路調度應用現狀的基礎上，重點分析我國鐵路運輸調度的現狀和存在的問題，并據此提出了新一代鐵路智能運輸調度管理系統架構及實施策略。通過對智能運輸調度系統功能的深化研究，將促進系統的穩步建設，進一步促進我國鐵路運輸調度智能化的快速發展，為中國智能鐵路建設提供有力支持。