李 平，曹鴻飛，謝 鵬

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展和融合應(yīng)用，驅(qū)動著全球各行各業(yè)的數(shù)字化與智能化轉(zhuǎn)型，也深刻地影響著重載鐵路的發(fā)展。澳大利亞、北美、俄羅斯、巴西等國重載鐵路正在圍繞大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智能運維、自動駕駛等領(lǐng)域開展創(chuàng)新應(yīng)用。重載鐵路創(chuàng)新應(yīng)用涉及的相關(guān)新技術(shù)，如圖1 所示。

澳大利亞礦業(yè)巨頭力拓公司于2017 年10 月在皮爾巴拉地區(qū)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(qū)1 700 km 的重載鐵路網(wǎng)上實現(xiàn)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(xù)推進物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等信息新技術(shù)的全面應(yīng)用。北美、俄羅斯、巴西等主要重載運輸國家積極發(fā)展裝備健康監(jiān)測技術(shù)，開發(fā)車輛、線路健康監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)進行監(jiān)控預(yù)測綜合報警、故障分析和實時處理[2]。盡管國外重載鐵路應(yīng)用新技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化智能化的戰(zhàn)略方向已經(jīng)確定，但是目前數(shù)字化智能化相關(guān)技術(shù)僅限于局部點上的應(yīng)用，尚缺乏對智能重載系統(tǒng)的頂層設(shè)計。

我國在20 世紀80 年代開始發(fā)展重載鐵路以來取得了快速發(fā)展，圍繞安全監(jiān)控、運輸調(diào)度、客戶服務(wù)等構(gòu)建了大量的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)，有力支撐了重載鐵路的主要業(yè)務(wù)發(fā)展。特別是2017 年以來隨著《鐵路信息化總體規(guī)劃》和《鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用實施方案》的頒布，重載運輸領(lǐng)域也積極開展了大數(shù)據(jù)、人工智能等信息新技術(shù)應(yīng)用的研究實踐[3]。本文在對這些創(chuàng)新實踐進行凝練總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外重載鐵路信息新技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展形勢，基于對重載鐵路業(yè)務(wù)特點和需求的分析，提出了智能重載鐵路的內(nèi)涵及總體架構(gòu)，給出了典型業(yè)務(wù)應(yīng)用的構(gòu)成，并介紹了智能重載鐵路總體架構(gòu)研究成果在浩吉鐵路的應(yīng)用。

圖1 重載鐵路新技術(shù)應(yīng)用

1 重載鐵路的特點及當前面臨的需求

根據(jù)2005 年國際重載運輸協(xié)會（IHHA）提出的修訂標準，重載鐵路是指重載列車牽引質(zhì)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(qū)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(yè)務(wù)鏈條長、同步操控復(fù)雜等特點，是一個跨多種運輸方式、聯(lián)動緊密、連續(xù)性強、協(xié)同性高的復(fù)雜系統(tǒng)，在持續(xù)保障運輸安全、提高運輸效率、降低運輸成本、增強客戶服務(wù)等方面面臨著極大挑戰(zhàn)。

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(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的沖擊力及破壞作用顯著，極易造成基礎(chǔ)設(shè)施的損壞[5]。此外各類自然災(zāi)害、外部環(huán)境變化等均會對重載運輸?shù)陌踩珟聿焕绊?。因此需要廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)、機器視覺、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)的全面感知、即時分析、故障預(yù)警和智能診斷，以及自然環(huán)境的智能監(jiān)測預(yù)警和治安環(huán)境智能防控等。

1.2 運輸組織

重載鐵路業(yè)務(wù)上集產(chǎn)、運、銷為一體，涵蓋了上下游相關(guān)的集、運、疏等系統(tǒng)，組織上包括鐵路、公路、港口、貨源區(qū)等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，和其它交通方式協(xié)作非常緊密。因此需要建設(shè)面向運輸生產(chǎn)全過程的智能型調(diào)度指揮系統(tǒng)，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(yè)務(wù)流程優(yōu)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(xù)性強、能源消耗大等特點，基礎(chǔ)設(shè)施和移動設(shè)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(shè)運力資源全生命周期閉環(huán)管理的模式，實時監(jiān)控移動設(shè)備的運行狀態(tài)和能耗情況[8]，基于大數(shù)據(jù)分析設(shè)備故障規(guī)律，優(yōu)化修程修制，實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)管理、壽命預(yù)測、能耗優(yōu)化等，提高移動設(shè)備利用率、增強設(shè)備可靠性、降低檢修成本，打造節(jié)能減排的綠色運輸方式。

1.4 客戶服務(wù)

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(jīng)濟和政策影響大等特點，因此在客戶服務(wù)方面需要以客戶為中心，基于大數(shù)據(jù)和用戶畫像等技術(shù)開展貨主畫像、貨運產(chǎn)品設(shè)計和精準營銷，提高對市場變化的快速響應(yīng)能力[9]。開展全品類物流、全流程服務(wù)、全方位經(jīng)營、全過程管理，打通物流業(yè)務(wù)鏈條，與其它交通運輸方式有效銜接，實現(xiàn)鐵路內(nèi)外部物流信息共享共用和互聯(lián)互通[10-11]。

2 智能重載鐵路的內(nèi)涵及總體架構(gòu)設(shè)計

2.1 智能重載鐵路內(nèi)涵

智能重載鐵路是廣泛應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、區(qū)塊鏈、機器人、下一代通信等新技術(shù)，以“貨運物流化、經(jīng)營市場化、管理一體化、生產(chǎn)智能化”為核心，通過綜合高效利用所有重載鐵路內(nèi)外部資源，實現(xiàn)移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策的新一代貨運鐵路系統(tǒng)[12]。

2.2 智能重載鐵路總體架構(gòu)

智能重載鐵路的總體架構(gòu)自下而上可劃分為智能感知層、智能傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、智能決策層、智能應(yīng)用層等，如圖2 所示。

圖2 智能重載鐵路總體架構(gòu)

（1）智能感知層：主要完成重載鐵路內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)采集，通過衛(wèi)星、鐵路車站、沿線或車載安裝的各類傳感設(shè)備實時、準確、可靠地獲取關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)、外部環(huán)境信息等，為上層的智能決策業(yè)務(wù)和智能應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

（2）智能傳輸層：負責(zé)通過5G、量子通信、光纖、衛(wèi)星等有線/無線傳輸方式將智能感知層獲取的數(shù)據(jù)傳輸匯聚到數(shù)據(jù)資源層。

（3）數(shù)據(jù)資源層：負責(zé)對匯集來的數(shù)據(jù)進行分級分類存儲，可分為6 類大數(shù)據(jù)域。包括營銷服務(wù)數(shù)據(jù)域（含客戶數(shù)據(jù)、合同數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、廣告數(shù)據(jù)、金融數(shù)據(jù)等）、運輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)域（含物流調(diào)度、安全調(diào)度、行車調(diào)度、運轉(zhuǎn)作業(yè)、貨運作業(yè)、貨檢作業(yè)、檢修作業(yè)、施工作業(yè)等數(shù)據(jù)）、綜合安全數(shù)據(jù)域（含安全監(jiān)測、防災(zāi)監(jiān)控、安全管理、應(yīng)急指揮、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)）、經(jīng)營管理數(shù)據(jù)域（含人財物、辦公、運輸管理、價格、機車車輛等數(shù)據(jù)）、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)域（含線路、車站、品名、品類、車輛、機車、客戶、組織機構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)域（含多式聯(lián)運、國民經(jīng)濟、社會物流、地震、氣象等數(shù)據(jù)）。

（4）智能決策層：通過時空大數(shù)據(jù)和人工智能等分析技術(shù)，依托智能重載基礎(chǔ)平臺為主要業(yè)務(wù)應(yīng)用提供決策支持。智能重載基礎(chǔ)平臺由大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、人工智能平臺、空間信息平臺等構(gòu)成，提供數(shù)據(jù)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(yīng)用層：主要包括智能建造、智能裝備和智能運營等領(lǐng)域的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用。智能建造以BIM+GIS 技術(shù)為核心，將云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與先進的工程建造技術(shù)相融合，實現(xiàn)重載鐵路建設(shè)全過程的精細化和智能化管理。智能裝備將全方位態(tài)勢感知、自動駕駛、運行控制、故障診斷與健康管理（PHM）等技術(shù)與先進裝備技術(shù)相融合，實現(xiàn)重載鐵路機車、車輛等移動裝備和基礎(chǔ)設(shè)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(jiān)測、增強現(xiàn)實、智能視頻、事故預(yù)測及智聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與重載鐵路運營技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)個性化服務(wù)、一體化運維和智能化運營。

3 智能重載鐵路的典型業(yè)務(wù)應(yīng)用構(gòu)成

3.1 智能重載鐵路業(yè)務(wù)架構(gòu)

智能重載鐵路遵循主流“平臺+應(yīng)用”架構(gòu)，應(yīng)用構(gòu)成主要包括智能重載基礎(chǔ)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(chǔ)平臺是整個系統(tǒng)的核心中樞，統(tǒng)一為智能建造、智能裝備、智能運營3 大板塊的應(yīng)用提供大數(shù)據(jù)分析和智能計算等服務(wù)，實現(xiàn)3 大板塊業(yè)務(wù)協(xié)同和信息共享。

3.2 智能建造

圖3 智能重載鐵路應(yīng)用構(gòu)成

主要包括綜合交通體系協(xié)同施工、基于BIM+GIS 技術(shù)的工程建設(shè)管理等應(yīng)用。其中：

（1）綜合交通體系協(xié)同施工是指統(tǒng)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(xiàn)跨多種交通方式、涵蓋全供應(yīng)鏈的協(xié)同施工。

（2）基于BIM+GIS 技術(shù)的工程建設(shè)管理是以BIM 技術(shù)為核心，結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等信息技術(shù)，實現(xiàn)工程建設(shè)設(shè)計、進度、質(zhì)量、安全、投資、環(huán)保和技術(shù)創(chuàng)新等全要素信息精益化管控，具備主動感知預(yù)判風(fēng)險的安全管理、基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量溯源管理、形象化與大數(shù)據(jù)預(yù)測推演的進度管理、標準化的設(shè)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(wèi)星通信的移動閉塞等應(yīng)用。

（1）重載列車自動駕駛在列車自動防護系統(tǒng)（ATP）的監(jiān)督下自動控制列車運行，實現(xiàn)站間運行自動調(diào)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(xiàn)安全、節(jié)能降耗的有機統(tǒng)一。

（2）機車車輛全壽命周期管理主要實現(xiàn)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(shù)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(yù)測、貨車質(zhì)量分析改進、貨車修程修制優(yōu)化、安全信息預(yù)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(xiàn)重載鐵路線路的軌道檢測、接觸網(wǎng)檢測、信號機軌旁設(shè)備檢測、限界檢測及線路巡檢等，并提供實時智能分析和預(yù)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(wǎng)構(gòu)成。智能牽引變電所包括具有數(shù)字測量、網(wǎng)絡(luò)控制、狀態(tài)評估、信息互動等功能的智能一次設(shè)備，集成視頻、安防系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、在線監(jiān)測等的智能輔助系統(tǒng)，以及廣域測控保護系統(tǒng)等。智能接觸網(wǎng)包括標準化、簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)設(shè)備以及具備運行狀態(tài)監(jiān)控、故障報警、圖像智能分析等功能的智能化接觸網(wǎng)檢測裝備。

（5）基于衛(wèi)星通信的移動閉塞通過在車載定位單元安裝衛(wèi)星接收處理模塊和天線，地面在線路平均相距50 km 處設(shè)置地面差分基站，在調(diào)度中心設(shè)置差分服務(wù)器，實現(xiàn)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(diào)度、基礎(chǔ)設(shè)施智能運維、綜合安全大數(shù)據(jù)分析、綜合視頻智能分析等應(yīng)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(xí)慣、運力采購習(xí)慣等。根據(jù)物流產(chǎn)品特點，找到目標用戶，實現(xiàn)精準運營和營銷。其次通過在線電子支付、商務(wù)管理、理賠服務(wù)等功能保證客戶需求受理和到達交付等環(huán)節(jié)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(guān)資源，并統(tǒng)一調(diào)配、組織、管理、協(xié)調(diào)鐵路自身和外部物流資源，為顧客提供管理咨詢、商貿(mào)交易、車貨匹配、物流金融和物流大數(shù)據(jù)分析等一體化物流服務(wù)。

（2）智能綜合調(diào)度圍繞建立貫通供應(yīng)鏈全過程的一體化調(diào)度指揮機制，將集、疏、運端、供應(yīng)鏈上下游、相關(guān)專用線納入統(tǒng)一調(diào)度指揮體系，形成全過程協(xié)同的調(diào)度指揮能力，具備各工種調(diào)度計劃的協(xié)同編制及路網(wǎng)車流的自動推算，基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)等實現(xiàn)行車調(diào)度指揮、行車及移動設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、報警管理、調(diào)度指揮聯(lián)動及應(yīng)急協(xié)調(diào)指揮等功能。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施智能運維是指工務(wù)、電務(wù)、供電、房建等基礎(chǔ)設(shè)施的一體化、集中化、智能化運維，主要實現(xiàn)工電供聯(lián)合生產(chǎn)指揮、設(shè)備綜合監(jiān)測、全壽命周期管理、故障智能診斷、運維綜合分析、設(shè)備PHM 管理、車地閉環(huán)分析等功能。

（4）綜合安全大數(shù)據(jù)分析主要實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險分析、安全隱患分析、事故故障分析、機車視頻分析、設(shè)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(yè)視頻的集成和共享，基于大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等算法，采用云計算和邊緣計算融合分析的模式，實現(xiàn)面向重載鐵路視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析和綜合預(yù)警。

4 智能浩吉鐵路示范應(yīng)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(nèi)蒙古浩勒報吉站，途經(jīng)內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西7 省區(qū)，終到京九鐵路吉安站，全長1 814 km，規(guī)劃設(shè)計輸送能力為2 億t/年，是銜接多條煤炭集疏線路、點網(wǎng)結(jié)合、鐵水聯(lián)運的大能力、高效煤炭運輸系統(tǒng)，是“北煤南運”新的國家戰(zhàn)略運輸通道和國家綜合交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分[14]。

浩吉鐵路貫徹落實“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，以智能化為引領(lǐng)，構(gòu)建了智能浩吉總體架構(gòu)，試驗/部署了以下智能化業(yè)務(wù)應(yīng)用：基于北斗的單線CTC、基于LKJ 的貨運列車輔助駕駛系統(tǒng)、智能牽引供電系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施智能運維系統(tǒng)、綜合安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用、綜合視頻智能分析系統(tǒng)、智能綜合調(diào)度系統(tǒng)、智能基礎(chǔ)平臺等。

通過上述智能化典型系統(tǒng)的實施應(yīng)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(xiàn)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(gòu)建智能基礎(chǔ)平臺開展安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用，實現(xiàn)了設(shè)備設(shè)施和環(huán)境的綜合監(jiān)控、故障診斷、超前預(yù)警、資產(chǎn)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(chǔ)設(shè)施運維和智能綜合調(diào)度，實現(xiàn)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(jié)束語

未來隨著區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、新一代無線通信、信息物理系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機器人等技術(shù)的發(fā)展，智能重載鐵路總體架構(gòu)也將在新技術(shù)推動下不斷優(yōu)化迭代，推進重載運輸進入“更安全、更高效、更經(jīng)濟、更綠色、更優(yōu)服務(wù)”的智能化時代。