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

黨中央、國務(wù)院先后制定并發(fā)布了《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》[1]、《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[2]等綱領(lǐng)性文件，工業(yè)和信息化部提出“以加快人工智能與經(jīng)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(chuàng)新能力為主攻方向，發(fā)展智能經(jīng)濟，建設(shè)智能社會”[3]。在此背景下，鐵路積極探索智能化建設(shè)。智能鐵路是廣泛應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器人、第五代移動通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、建筑信息模型等新技術(shù)，通過對鐵路移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)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，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(xiàn)鐵路建設(shè)、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(jīng)濟高效、更加溫馨舒適、更加方便快捷、更加節(jié)能環(huán)保的新一代鐵路運輸系統(tǒng)[4-8]。

隨著網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的深入發(fā)展，鐵路運輸調(diào)度加速從信息化向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)變。

智能鐵路運輸調(diào)度作為智能運營的重要組成部分，是指借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等先進技術(shù)，實現(xiàn)對客/貨運動態(tài)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(tài)勢與調(diào)度效果做精準(zhǔn)實時判斷，自動實現(xiàn)鐵路資源在整體和局部上的最優(yōu)分配與運用，安全高效地完成各項運輸生產(chǎn)作業(yè)目標(biāo)。

本文在總結(jié)國外智能鐵路運輸調(diào)度研究與應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點分析現(xiàn)階段我國鐵路運輸調(diào)度現(xiàn)狀和存在問題，并提出了智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)架構(gòu)及實施規(guī)劃。

1 國內(nèi)外鐵路智能調(diào)度研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外鐵路運輸調(diào)度系統(tǒng)

日本新干線調(diào)度指揮系統(tǒng)COSMOS從高速鐵路特點和需求出發(fā)，把運輸安全和列車正點作為工作核心，構(gòu)建各專業(yè)高度綜合的調(diào)度、管理、控制系統(tǒng)[9]。德國鐵路調(diào)度系統(tǒng)融合調(diào)度指揮全業(yè)務(wù)，實現(xiàn)鐵路運輸?shù)恼w優(yōu)化，具有指揮精細(xì)化、系統(tǒng)高度集成的特點。系統(tǒng)以閉塞分區(qū)為單元進行計劃編制和調(diào)整，通過軌道區(qū)段鎖閉時間實現(xiàn)列車對線路、設(shè)備使用的精細(xì)化[10]。美國運輸部聯(lián)邦鐵路管理局基于傳感器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)開發(fā)新一代一體化智能鐵路系統(tǒng)，支撐高安全、高效率、高效益、高滿意度服務(wù)、低能耗等目標(biāo)[11]。

1.2 我國鐵路運輸調(diào)度管理系統(tǒng)

我國鐵路運輸調(diào)度管理系統(tǒng)（簡稱：調(diào)度系統(tǒng)）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(gòu)，支撐國鐵集團、鐵路局集團公司和站段三級運輸調(diào)度應(yīng)用。主要基于運輸信息集成平臺、十八點統(tǒng)計和鐵路局集團公司站段級系統(tǒng)等上報數(shù)據(jù)，匯總形成全國鐵路（簡稱：全路）和鐵路局集團公司運輸生產(chǎn)信息，支撐調(diào)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(chǎn)實際，并為運輸生產(chǎn)人員提供相關(guān)信息查詢服務(wù)，實現(xiàn)了計算機代替人工繪圖，網(wǎng)絡(luò)代替電話通信的信息傳遞，改變了傳統(tǒng)的調(diào)度作業(yè)方式，初步實現(xiàn)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(diào)度指揮效率，減輕作業(yè)人員工作強度發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)階段，我國調(diào)度系統(tǒng)在信息的獲取精細(xì)度、系統(tǒng)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(diào)度系統(tǒng)智能化方面的相關(guān)研究和建設(shè)。

通過對國內(nèi)外鐵路調(diào)度系統(tǒng)的分析研究，根據(jù)運輸調(diào)度系統(tǒng)目前存在的問題，借鑒國外系統(tǒng)的先進經(jīng)驗和理念，對調(diào)度系統(tǒng)進行分析和規(guī)劃，研究新一代鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)框架及實施策略。

2 鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)

新一代鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)通過運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等先進技術(shù)，實現(xiàn)智能感知、智能決策、智能操控和智能評價?；诳拓涍\輸動態(tài)需求、人員、線路、固定設(shè)備、移動裝備和內(nèi)外環(huán)境等實時狀態(tài)，高效合理編制各類運輸生產(chǎn)計劃并通過系列作業(yè)、操作和控制確保計劃的有效實施，以實現(xiàn)運力資源統(tǒng)籌、集中、統(tǒng)一、合理地運用，達到高安全、高效率、高效益和優(yōu)服務(wù)的目標(biāo)。鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述

（1）從廣義來講，智能運輸調(diào)度系統(tǒng)作為智能鐵路有機整體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，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(nèi)容，需要得到鐵路網(wǎng)（簡稱：路網(wǎng)）資源的智能化支撐和協(xié)同配合。

（2）從狹義來講，鐵路智能運輸調(diào)度是智能鐵路3大子系統(tǒng)之智能運營的核心功能，它在與其他相關(guān)系統(tǒng)交互（數(shù)據(jù)、控制）基礎(chǔ)上，進行分析決策，實現(xiàn)對子系統(tǒng)內(nèi)外相關(guān)有形和無形資源的精準(zhǔn)感知、合理計劃、高效指揮和安全控制。

智能調(diào)度系統(tǒng)是智能鐵路信息系統(tǒng)的核心構(gòu)成之一，是以服務(wù)運輸調(diào)度目標(biāo)，基于智能鐵路信息系統(tǒng)和一體化信息集成平臺，研發(fā)形成的新一代調(diào)度系統(tǒng)，旨在提升運輸調(diào)度的智能感知、智能決策、智能操控和智能評價能力，系統(tǒng)具有運輸態(tài)勢感知全息化、預(yù)測預(yù)警精準(zhǔn)化、計劃編制一體化、運力資源運用精細(xì)化、作業(yè)操作和設(shè)備控制自動化等特征。

2.1.1 系統(tǒng)能力

系統(tǒng)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(shè)備狀態(tài)的實時、精準(zhǔn)、全息化感知，包括車流、運力資源（空車、機車、乘務(wù)員等）、內(nèi)外環(huán)境等。具體實現(xiàn)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(chǎn)資源分布運用情況；③自動獲取運輸生產(chǎn)作業(yè)過程信息；④自動獲取運輸環(huán)境狀態(tài)信息等。

（2）智能決策。支持各類計劃協(xié)同、一體化編制，車流、作業(yè)進度及時準(zhǔn)確預(yù)測，空車調(diào)配以及應(yīng)急響應(yīng)方案自動生成等。具體實現(xiàn)以下功能：①自動預(yù)計客貨運輸需求動態(tài)變化過程；②自動預(yù)計裝卸、解編、檢修、施工進度；③自動預(yù)計車流變化、列車運行情況；④自動預(yù)計移動設(shè)備和固定設(shè)施可用情況；⑤自動編制和調(diào)整包括貨運、列車、機車等計劃在內(nèi)的運輸計劃；⑥自動預(yù)計突發(fā)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(shè)備精準(zhǔn)操控、作業(yè)進度實時監(jiān)控、對異常情況快速響應(yīng)等。具體實現(xiàn)以下功能：①調(diào)度命令自動生成和下達執(zhí)行；②列車運行圖自動生成；③調(diào)度作業(yè)環(huán)節(jié)自動安全卡控；④各環(huán)節(jié)作業(yè)超時預(yù)警和報警；⑤設(shè)備設(shè)施可用情況動態(tài)跟蹤、自動預(yù)警；⑥設(shè)備故障和應(yīng)急事件提前預(yù)警等。

（4）智能評價。基于實時數(shù)據(jù)的調(diào)度生產(chǎn)作業(yè)進度智能分析和評價，形成系統(tǒng)可再次利用的知識。具體實現(xiàn)以下功能：①運輸生產(chǎn)過程作業(yè)進度能力利用評價；②運輸生產(chǎn)指標(biāo)自動匯總分析；③運輸需求、生產(chǎn)動態(tài)和干線能力利用變化趨勢自動分析等。

2.1.2 系統(tǒng)特征

系統(tǒng)具備運輸態(tài)勢感知全息化、預(yù)測精準(zhǔn)化、計劃編制一體化、運力資源運用精細(xì)化、作業(yè)操作和設(shè)備控制自動化等特征。

（1）運輸態(tài)勢感知全息化。實現(xiàn)對運輸需求和運輸資源（人員、線路、固定設(shè)備、移動裝備、內(nèi)外環(huán)境等）的多維度、多層次、精細(xì)化的實時感知和融合[12-13]。

（2）預(yù)測精準(zhǔn)化。實現(xiàn)車流及貨物運到時限精準(zhǔn)預(yù)測、列車正晚點準(zhǔn)確預(yù)測、運輸需求變化趨勢和未來設(shè)備資源狀態(tài)的實時預(yù)測。

（3）計劃編制一體化。實現(xiàn)橫向各專業(yè)調(diào)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(xì)化。通過實時感知、精準(zhǔn)預(yù)測、精細(xì)化的專業(yè)計劃編制，實現(xiàn)對各類運力資源更細(xì)粒度運用管理。

（5）作業(yè)操作和設(shè)備控制自動化。實現(xiàn)對作業(yè)計劃的自動下達，作業(yè)狀態(tài)的自動收集；相關(guān)指令也可以下達至相關(guān)控制設(shè)備，指令能夠滿足控制設(shè)備進行自動動作的要求，相關(guān)設(shè)備也能夠?qū)?zhí)行情況自動形成反饋以供后續(xù)調(diào)整。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）高安全。通過對鐵路固定設(shè)施、移動設(shè)備、運輸過程及自然環(huán)境等的狀態(tài)感知，接入設(shè)備故障、行車事故的態(tài)勢預(yù)測、預(yù)警信息，實現(xiàn)超前防范；通過作業(yè)計劃的一體化編制，對作業(yè)過程進行安全預(yù)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(diào)度業(yè)務(wù)全流程自動控制實現(xiàn)技術(shù)，實現(xiàn)作業(yè)過程中計劃智能下達、實時執(zhí)行和動態(tài)反饋，實現(xiàn)作業(yè)崗位實時聯(lián)動、關(guān)聯(lián)操作、自動控制和協(xié)同調(diào)整，降低指令下達和現(xiàn)場作業(yè)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(xì)化協(xié)同編制，實現(xiàn)貨運工作、列車工作、機車工作有效銜接，提高計劃編制質(zhì)量，保證各作業(yè)環(huán)節(jié)有序銜接，降低乘務(wù)員超勞情況發(fā)生，減少車流迂回發(fā)生，降低生產(chǎn)成本，提高運輸效益。

（4）優(yōu)服務(wù)。調(diào)度核心在提供高效穩(wěn)定的客貨運產(chǎn)品，客運重點在正晚點、聯(lián)程運輸、人性化服務(wù)，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(wǎng)絡(luò)化，為貨主提供物流全流程的貨物跟蹤及查詢服務(wù)，實現(xiàn)鐵企聯(lián)動，運輸信息透明化。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）智能交互層。負(fù)責(zé)與外界相關(guān)系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)對運輸需求和設(shè)備資源狀態(tài)的智能感知，以及對設(shè)備、設(shè)施和作業(yè)任務(wù)的自動控制。

（2）智能傳輸層。借助先進的高速通信技術(shù)，實現(xiàn)信息及命令的低延時上傳下達。

（3）數(shù)據(jù)資源層。匯集存儲運輸調(diào)度指揮需要的各種數(shù)據(jù)以及生成的各種命令指令。

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

（5）智能應(yīng)用層借助多種可視化技術(shù)，支持管理人員和調(diào)度工作人員及時準(zhǔn)確掌握運輸態(tài)勢、科學(xué)決策[14]。

鐵路智能運輸調(diào)度系統(tǒng)作為智能調(diào)度的載體，采用面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，充分應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)智能感知、智能操控、智能決策和智能評價等功能，具有統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、接口標(biāo)準(zhǔn)，以及安全控制等功能，覆蓋運輸組織、調(diào)度指揮和生產(chǎn)作業(yè)全過程，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和自動擴展。

2.4 系統(tǒng)功能

鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)覆蓋運輸生產(chǎn)作業(yè)全過程，基于狀態(tài)智能采集和預(yù)測、全業(yè)務(wù)流程自動控制實現(xiàn)、計劃一體化協(xié)同編制和自動調(diào)整、調(diào)度過程決策支持等關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)提供8大應(yīng)用功能，如圖3所示。

圖3 鐵路智能調(diào)度系統(tǒng)功能架構(gòu)

（1）調(diào)度數(shù)據(jù)綜合采集和處理平臺。動態(tài)獲取客運需求、貨運需求、車輛運行狀態(tài)、固定設(shè)施狀態(tài)、作業(yè)進度信息和環(huán)境及天氣信息，構(gòu)建調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，支撐不同層級和不同工種調(diào)度應(yīng)用。

（2）基于智能預(yù)測技術(shù)的車流推算與調(diào)整。在動態(tài)掌握列車機車車輛運行軌跡的基礎(chǔ)上，構(gòu)建覆蓋列車車輛運行徑路、區(qū)間運行時分、在站技術(shù)作業(yè)等核心模型的車流推算系統(tǒng)，為路網(wǎng)車流調(diào)整和輪廓計劃編制提供輔助支持。

（3）列車機車車輛動態(tài)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(tài)追蹤，實現(xiàn)對列車、機車、車輛運行狀態(tài)和作業(yè)過程的實時監(jiān)控，針對運行異常情況提供告警，并協(xié)助進行調(diào)整。

（4）計劃一體化編制與調(diào)整。實現(xiàn)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(diào)整，支撐國鐵集團、鐵路局集團公司和站段三級縱向計劃協(xié)同編制，實現(xiàn)能力、狀態(tài)、環(huán)境和時空之間的感知和協(xié)同。

（5）路網(wǎng)能力利用監(jiān)測預(yù)警和管理。動態(tài)獲取路網(wǎng)運行信息，實現(xiàn)對區(qū)域線路能力、貨運站裝卸能力、客流和貨流線網(wǎng)能力，以及技術(shù)站作業(yè)能力的動態(tài)管理，根據(jù)路網(wǎng)運行情況對路網(wǎng)能力利用情況進行監(jiān)測預(yù)警，提供路網(wǎng)能力利用策略的輔助決策支持。

（6）基于信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber Physical System）的調(diào)度數(shù)據(jù)綜合采集和處理平臺。根據(jù)運輸生產(chǎn)、調(diào)度指揮的作業(yè)計劃和實際動態(tài)信息，對生產(chǎn)作業(yè)效率、調(diào)度指揮效果、運輸經(jīng)營效益進行動態(tài)分析、預(yù)估和評價。

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

（8）分層多視角調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。實現(xiàn)對路網(wǎng)物理描述數(shù)字孿生，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建運輸調(diào)度的邏輯描述以支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用實現(xiàn)，提供業(yè)務(wù)視角的工種調(diào)度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理；形成調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護與發(fā)布機制，服務(wù)不同層級調(diào)度指揮、不同視角專業(yè)調(diào)度應(yīng)用。

3 實施策略

為實現(xiàn)智能調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)階段應(yīng)用水平，按照積極推進、穩(wěn)步實施的原則，推進智能運輸調(diào)度系統(tǒng)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(yīng)用、按模塊穩(wěn)步推進智能調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)。

（2）充分運用新技術(shù)和新手段。結(jié)合業(yè)務(wù)需求，根據(jù)應(yīng)用場景選用適合人工智能技術(shù)，提升系統(tǒng)的智能化程度；運用微服務(wù)的理念搭建可擴展、高伸縮、強安全的新系統(tǒng)架構(gòu)，滿足業(yè)務(wù)靈活變動的需求。

（3）考慮既有系統(tǒng)的銜接和平穩(wěn)過渡。在新系統(tǒng)建設(shè)中，要充分利用既有系統(tǒng)的成果，保持新舊系統(tǒng)不同模塊間數(shù)據(jù)的充分共享，確保系統(tǒng)的有序上線和業(yè)務(wù)的平滑過渡。

（4）積極推進業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的協(xié)同。推進應(yīng)用升級的同時，同步協(xié)調(diào)推進業(yè)務(wù)優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)新的技術(shù)條件，改良現(xiàn)有作業(yè)方法、作業(yè)要求，適時進行相關(guān)管理辦法、作業(yè)細(xì)則的修改，實現(xiàn)業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的共同發(fā)展和相互促進。

4 結(jié)束語

本文從智能調(diào)度與智能鐵路的關(guān)系出發(fā)，在總結(jié)國外智能鐵路調(diào)度應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點分析我國鐵路運輸調(diào)度的現(xiàn)狀和存在的問題，并據(jù)此提出了新一代鐵路智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)架構(gòu)及實施策略。通過對智能運輸調(diào)度系統(tǒng)功能的深化研究，將促進系統(tǒng)的穩(wěn)步建設(shè)，進一步促進我國鐵路運輸調(diào)度智能化的快速發(fā)展，為中國智能鐵路建設(shè)提供有力支持。