中国铁路智能运输系统发展历程与展望
2018-11-07 来源:中国智能交通协会
轨道交通控制与安全国家重点实验室首席教授 贾利民
北京交通大学教授 秦 勇
中国铁道科学研究院研究员 李 平
一、铁路智能运输系统的前期基础准备和技术研究
铁路智能运输系统(Railway Intelligent Transportation Systems--RITS)的研究肇始于上世纪80年代后期的中国,围绕包括高速铁路在内的铁路运输从列车控制、行车指挥、车地数据传输、铁路地理信息信息系统(RGIS)、网络化信号系统到安全保障体系等各关键环节的智能自动化和智能化技术及系统开展研究和应用;并经过10余年的研究和发展,至上世纪90年代末初步形成了相对完整的面向安全、效率和服务品质的铁路智能自动化、智能控制与智能优化的理论和方法体系[1-13],“高速铁路列车运行智能控制”、“高速铁路列车群智能指挥”、“高速铁路行车指挥智能软件研究”、“高速铁路运营智能仿真系统”、“广深线运营智能仿真系统”等重点研究取得突破性进展,神经网络、模糊逻辑、模糊专家系统、专家推理、进化计算等人工智能AI技术已成功应用。这些工作为智能技术在铁路运输系统中的应用打下了坚实的理论和技术基础 [14]。
二、铁路智能运输系统技术的体系化研究与发展历程
2000年初以来,世界铁路发达国家也纷纷开展了智能铁路、数字铁路的前期研究,例如日本铁路机构启动了CyberRail系统,美国铁路提出了SmartRail,欧洲积极开展了ERTMS系统研究[18-19]。中国学者紧密把握世界铁路发展动态,继续深化和系统化铁路智能运输系统的研究[15-17,20-26],率先形成了完整的系统性研究成果[27-28],并在青藏铁路得到应用[33],居国际领先地位。
2001年,中国学者研究指出铁路智能运输系统是保持和提高铁路运输业在21世纪竞争力的核心战略。首次提出了铁路智能运输系统的完整定义、本质特征和发展模式。铁路智能运输系统(RITS)是集成了电子技术、计算机技术、现代通信技术、现代信息处理技术、控制与系统技术、管理与决策支持技术和智能自动化技术等,以实现信息采集、传输、处理和共享为基础,通过高效利用与铁路运输相关的所有移动、固定、空间、时间和人力资源,以较低成本达到保障安全、提高运输效率、改善经营管理和提高服务质量目的的新一代铁路运输系统[14-17]。该系统具有如下的本质特征:系统目标的集成、系统功能的集成、开放的系统结构、智能技术的广泛应用。要使新一代铁路运输系统具备以上的特点,RITS系统就其构成而言就必须由以下几个主要部分构成:智能化的运输管理系统、智能化的运输自动化系统、智能化物流控制系统、智能化的旅客服务系统、智能化的运载工具、智能化的基础设施以及智能化的安全保障系统。中国铁路智能运输系统的发展模式是在统一的体系框架和标准体系指导下,采用分阶段渐进集成方式加以推进。
2003年,中国学者首次提出了完整的铁路智能运输系统体系框架[21],从系统角度明确了铁路智能运输系统所应完成的功能、组成铁路智能运输系统的各个子系统及其功能、各子系统之间的交互关系和集成方式。中国铁路智能运输系统体系框架主要由服务框架、逻辑框架、物理框架等构成。
服务框架明确了系统为满足用户的需求应具有的处理能力。围绕铁路智能运输系统“高品质服务、高安全、高效率”的三高目标,根据需求分析的结果,并结合中国铁路运输现状、发展趋势、管理机制等因素,铁路智能运输系统划分为智能化用户导航系统、铁路电子商务系统、综合运输系统、智能化紧急救援与安全系统、智能化铁路资源管理系统、智能化营运管理系统、智能化行车控制与调度系统等7个服务领域,21个子服务领域[21],如图1所示。
图1 铁路智能运输系统的服务框架
逻辑框架确定了铁路智能运输系统为满足用户需求所须提供的功能及各功能之间交互的信息流和数据流。逻辑框架的构建不考虑管理体制和技术因素,它只确定系统的功能,而不管功能由谁来实现,如何实现,具体的实现工作由物理框架完成。逻辑框架与系统的具体实现分离使得其具有较好的灵活性、可扩展性。中国铁路智能运输系统逻辑框架的顶层结构如图2所示[21]。
图2 中国铁路智能运输系统逻辑框架的顶层结构
物理框架是系统的物理视图,将逻辑框架中的功能实体化、模型化,将相关的系统功能和数据流集成为系统与子系统。物理框架与未来的铁路运输管理体制密切有关。中国铁路智能运输系统物理框架的顶层结构如图3所示[21]。
图3 铁路智能运输系统的顶层物理框架
铁路智能运输系统通用信息平台按一定的标准规范整合多源异构的各子系统信息资源,成为采集、传输、存储、处理、管理和发布各类铁路运输信息的载体,是实现各子系统间信息交互与共享的重要保证。铁路智能运输系统通用信息平台的组成如图4所示[21]。
图4 铁路智能运输系统的通用信息平台
中国铁路智能运输系统标准体系的总体架构如图5所示,RITS标准体系包括通用基础标准、专用标准、方法标准、术语标准、信息分类及编码和铁路地理信息系统等标准。专用标准覆盖了RITS的7个子系统标准,包括用户信息服务、综合运输、铁路电子商务、紧急救援、行车安全监控、铁路营运管理、铁路资源管理、行车控制与调度和铁路专用通信等[25]。
图5 中国RITS标准体系总体框架
2005年,结合中国铁路运输所面临的国际国内环境影响、科学技术发展的趋势,铁路智能运输系统的发展被列入铁路科技发展“十五”计划和2015年长期规划纲要[39],其总体战略目标确定为[30]:
实现集成化的列车运营管理和智能化的列车运行控制(无线列控和先进控制策略),以实现“高速、高密度、高效率”的铁路运输。
实现综合调度集中指挥,确保安全,提高运行效率。
全面建成基于非接触式 IC 智能卡铁路自动售检票系统。
发展电子商务,为旅客提供详尽的各种接入方式的综合信息服务、订票、旅行向导以及相关信息在车站及车上的传输、显示等;为客户提供与货运资源相关的及时的信息和查询服务,以满足货主对货运过程的全程监督。
建立铁路共用信息平台,实现铁路运输各业务管理子系统之间的信息的高度共享,对所有相关信息进行集中管理,以提高整体效率、防止全局性事故以及保障各业务子系统的协调运行。
提供可靠的高带宽的车地高速数据接入手段,以满足铁路移动体和固定设施间的数据获取和共享。
提供能满足重载、高速运输要求的列车高效安全分解和编组的编组站综合信息管理及自动化系统。
提供完善的以状态实时检测系统为基础,以包括语言、数据、静态及动态图象传输系统为信息支持,以 GPS/GIS 为定位手段的具备快速响应能力的铁路防灾、救援、决策与指挥信息系统。建立道口监控和车站监控系统,以保障列车运行的安全和防止铁路与其它相关系统的冲突。
提供保障运营安全和维修效率的移动体和固定设施状态的实时检测、评估和维修支持的手段,以及在安全数据共享基础上的安全评估决策体系。
提供面向局部和全国的铁路客货运营销和管理决策支持体系,以提高适应市场需求的能力和铁路运营效率和效益的提高。
提供与其它运输方式共享及交互的信息平台,以满足联运的需求。
2010年以来,随着信息新技术的发展和铁路智能运输系统实践的不断深入,中国学者又进一步明确了数字铁路、智能铁路、铁路智能运输系统的边界范畴[36]。此外,随着物联网、大容量通信、互操作、云计算、大数据与计算智能[38]等新技术的发展,铁路智能运输系统的核心特点——互联互通、信息共享、智能处理、协同工作、按需配置在新的使能/赋能技术的加持下得到进一步的加强。铁路智能运输系统的系统目标是实现轨道交通运输全过程的可测、可视、可控与可响应。铁路智能运输系统新的体系框架覆盖了不同水平的铁路运输系统,较低层的可实现具有铁路资源及运行过程时空变化的数字功能的“数字铁路”;在数字铁路基础上,通过实现铁路各业务流程和各类资源的协调控制与优化,形成包括智能化列车、智能化基础设施、智能化服务过程、智能化安全保障以及智能化协同的“智能铁路”;通过面向铁路运输服务需求配置各类资源,最终全面实现服务层功能铁路智能运输系统。物联网、大容量通信、互操作、云计算、知识推理和网络安全是铁路智能运输系统中必不可少的六大关键技术[37]。
三、轨道智能运输系统新时期发展展望
当前中国铁路信息化和智能化建设取得了显著的成就,铁路智能运输系统的初级、较高级阶段建设任务以及高级阶段的部分任务基本完成,正在面临着向更高级阶段——新一代轨道智能运输系统(NG—RITS)发展的新趋势。
新一代轨道智能运输系统(NG—RITS)就是集成面向轨道交通需求或轨道交通需求导向的现代信息技术(如物联网、传感网、云计算、移动计算、大容量通信、现代大数据处理、系统与控制和智能自动化技术等),以实现轨道交通移动装备、固定设施和服务需求状态的全息化感知、诊断、辨识和决策为基础,通过动态高效配置与轨道交通全业务过程相关的所有时间、空间、设施、信息、人力等资源,以较低的成本达到更高的系统安全保障水平、更高的综合效能、更强的可持续性、更好的可互操作性目的新一代轨道运输系统。新一代轨道智能运输系统(NG—RITS)的内涵体现在系统集成化、业务一体化、运营管理与服务智能化、安全保障泛在化,其总体架构又感知层、传输层、融合层、业务层构成。
新一代轨道智能运输系统(NG—RITS)的核心特征为与铁路完成其运输服务使命的全要素、全环节、全过程的可测、可视、可控、可响应[37]。
综合国内外发展趋势和要求,NG—RITS发展的总体战略方向:轨道交通系统安全保障技术、轨道交通系统综合效能提升技术、轨道交通系统可持续性技术、轨道交通系统互操作技术。未来研究重点包括:轨道交通系统安全保障技术、轨道交通全生命周期能力保持技术、新型列车运行控制系统技术、高速轨道交通成网条件下轨道交通综合效能与服务水平提升技术、区域轨道交通协同运输与服务技术等。
参考文献
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