2021年智能铁路
1、智能铁路总体研究现状
欧阳光明（2021.03.07）
（1）我国铁路发展及面临挑战
根据中国铁道部发布的《中国铁路中长期发展规划》，到2020年，为满足快速增长的旅客运输需求，将建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。其中，预计到2012年，中国将有1.3万公里高速铁路投入运营。省会城市都将通过快速客运专线连接，时速200公里以上的铁路线路将达到5万公里以上。预计到2020年，中国200公里及以上时速的高速铁路建设里程将超过1.8万公里，将占世界高速铁路总里程的一半以上。同时，中国铁路的运营里程仅占世界铁路的6％，却完成了世界铁路总运量的22％。
中国铁路目前正面临着有史以来最深刻的变革和社会经济发展所提出的越来越高、越来越多样化和越来越复杂的需求。目前和未来相当长的时期内，铁路运输系统所面临的挑战主要归结为几个方面：①在运输能力的保持与优化方面:需要提供集成化的列车运营管理系统、智能化的列车运行控制系统和智能化检测、诊断和维修系统以实现“高速度、高密度”的铁路运输。建立全国通用的铁路数据共享平台，实现铁路运输各子系统之间信息的高度共享和充分利用以及资源的优化管理。提供可靠的高速、宽带的车地高速数据接入手段，以实现铁路移动设备和固定设备间的一体化协同管理。
②在提高效率方面: 建立综合化的调度指挥系统，以实现运输、机务、电务等相关资源的综合利用，以便充分挖掘基础设施的潜力，提高调度指挥的效率和水平。提供面向局部和全国的客货运输营销决策支持体系，以增强铁路适应市场需求的能力、提高运营效率和效益。
③在提高安全保障能力方面: 提供保障运营安全和维修效率的移动
设备和固定设备状态的实时检测、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。提供完善的以状态实时检测系统为基础，以包括语音、数据、静态及动态图像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。提供基于图像识别技术的智能化平交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。
④在提高服务品质方面:为旅客提供详尽的信息查询服务、客票电子交易服务及导航服务等，辅助旅客制定出行决策，以及提供相关信息在车站及车上的传输、显示等。为货主提供与货运资源相关的实时位臵、状态等信息查询服务，以满足货主对货运过程全程监督的需要。
面临这些需求和挑战，单纯依靠设备设施在速度和载重等方面的提高来提升铁路能力、效率、安全和服务已愈来愈受到限制。同时，随着运输能力瓶颈问题的逐步解决，铁路运输系统的优化和低成本运维等问题愈来愈显著。而且，客运专线已逐步成网，和既有线一起构成规模巨大的中国铁路网，网络化运营带来了信息获取共享、协同、优化和决策支持等空前复杂问题。因此，重新审视铁路发展
战略和科技发展方向成为现在必须面对的问题。
近年来随着先进的信息处理、现代通信、控制与决策、智能计算等技术的迅速发展，特别是物联网、云计算、大容量通信技术、互操作、知识推理、信息安全等新兴技术的快速兴起，国内外发达铁路国家愈来愈重视将这些先进的技术成果与传统的铁路运输系统有机地融为一体,从而显著提高铁路各业务的一体化和协同化水平。这种在已有业务系统基础上以集成为手段构造出的新一代铁路运输系统，我们称之为智能铁路。
（2）我国智能铁路概念的提出-铁路智能运输系统（RITS）
智能铁路是一种新型的铁路交通解决方案。特别是高速铁路诞生之后对铁路运营管理提出了更为严格的要求，促使各时期的先进技术不断地融入到铁路运营管理中，使得铁路运营管理的智能化、现代化程度不断提高。其中尤以欧洲、日本、美国等国家的研究更为引人注目，产生了一批有代表的系统，如欧洲的ERTMS，日本的CyberRail，美国的IRS等。近年来，欧盟提出了InteGRail，IBM提出了Smarter Railroad，CISCO提出了Smart+Connected Railway，SIMENSE提出了Intelligent Train等。目前，在铁路运输信息化发展的基础上，充分利用各种智能化技术，使铁路运输系统向智能铁路转化是保持和提高铁路运输业在21世纪竞争力的核心战略，这已经成为各国铁路发展战略的共识。
我国智能铁路系统的研究早在90年代初就由贾利民等学者带领的研究团队提出了铁路智能运输系统(Railway Intelligent Transportation System －RITS)的概念，并给出了准确的概念：铁路智能运输系统
（RITS）就是集成了先进的信息处理技术、通信技术、控制与系统技术、计算智能与决策支持技术等，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，以较低的成本达到保障安全、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。该团队对此概念及其内涵、本质特征、结构模型、发展框架与核心技术、发展模式等进行了系统阐述，发表了大量论文，参与了大量相关工程，如客票预售系统、铁路行车安全综合监控系统、铁路地理信息系统、铁路应急指挥系统等的实施，撰写出版了专著３部：《铁路智能运输系统--体系框架与标准体系》、《铁路智能运输系统设计优化理论与方法》、《中国智能交通系统发展战略》。
因此，在我们国家智能铁路的研究，其本质含义就是将智能运输系统技术（Intelligent Transportation Systems, ITS）与铁路运输系统的充分结合，形成一个完整的集智能化控制、管理、决策于一体的以保障安全、提高运输效率、改善经营管理、提高服务质量和实现国际接轨为目的的新一代铁路运输系统。而且，近年来我们国家铁路在不同阶段也分别实施了很多有代表性的系统，如TMIS、DMIS、客票预售系统等，近年来在加快实施TDCS、CTCS、GSM-R等先进RITS系统。
（3）国外智能铁路发展研究现状
国外发达铁路国家已将智能铁路作为铁路发展战略和科技发展方向的核心内容之一，如欧盟2007年发布的“更加安全、绿色、智能的欧洲铁路运输系统－Safer, Greener and Smarter Railway Transport for
Europe”铁路发展战略，其中包括了MODTRAIN、INTEGRAIL、MODURBAN、RAILENERY等智能铁路研究内容，计划投入200 M€欧元，大量相关的学校、科研机构及厂家组成联合体参与了研究与工程示范。其在项目组织方面也很具有借鉴意义，一是由欧盟运输委员会相关组织牵头；二是充分吸引在铁路领域有优势的学校、科研机构及企业组成联合体共同参与；三是将项目划分为明确的实施阶段，不同阶段具体牵头单位各有特点。为保证科技发展战略制定的客观性和科学性，往往在技术发展战略制定阶段由客观的第三方，如学校等牵头，联合各科研机构、企业开展工作，在工程实施阶段，则由有优势的企业或科研机构牵头。
其他智能铁路的研究还包括英国的“发展可持续铁路运输－ＲＴＳ”铁路发展技术策略，美国的智能运输系统IRS,日本的CyberRail。同时，大量相关企业也提出了类似的技术发展策略，如IBM提出了Smarter Railroad，CISCO提出了Smart+Connected Railway，SIMENSE 提出了Intelligent Train等。
（4）国外智能铁路标准体系研究现状
目前，在欧洲、日本、美国等国家都做了针对智能铁路标准体系（RITS）相关的研究，一些国际组织也针对铁路智能化建设进行了相应的标准体系规划。
国际铁路联盟（UIC,Union International des Chemins de fers, International Union of railways）是世界铁路最大的国际性标准化机构，近年来随着IT技术的发展，国际铁路联盟UIC制定了一批与RITS 相关的标准，包括计算机辅助编制客货列车时刻表的标准规范
（919）、铁路企业和基础设施管理者标准数字编码（920-1）、国际货物运输经路标准数字编码（920-5）、全球铁路数据传输网络维护（917-2）、UIC铁路成员国通信网络扩容的通用技术要求（753-2）等47个。
IEEE与铁路相关的领域是VT-06(vehicular technology)，近年来IEEE 标准化委员会在铁路信息及控制等领域的标准化研究方面相当活跃，相继推出了许多这方面的标准，其中大部分都与RITS直接相关，如IEEE轨道运输车辆乘客信息系统标准（1477-1998）、IEEE平交道口处轨道和公路子系统间的接口标准（1570-2002）、IEEE轨道运输车辆事件记录标准（1482.1-1999）等14个。
国际标准化委员会ISO与铁路标准相关的是第45项一一铁路工程，尽管目前ISO在铁路方面的标准主要侧重于工程材料方面，与RITS直接相关的标准较少，但其未来的研究趋势仍然值得密切关注。
欧洲铁道研究所(ERRI European Rail Research Institute)是在UIC领导下集中了世界各国铁路工程师的铁道技术研究机构。欧洲铁路制定了统一的列车运行管理系统ERTMS（欧洲铁路运输管理系统），包括欧洲列车运行控制系统ETCS（欧洲列车控制系统）、列车与地面的双向无线通信系统GSM-R和欧洲运输管理系统ETMS。ERTMS采用的是GSM-R通信标准，GSM-R是专门为欧洲铁路开发的标准，欧洲铁路用了将近12年的时间来制定和开放相应的技术规范，并进行了大量的测试实验。ERTMS的标准是通过技术规范予以定义，主要包括以下6个方面的规范，①控制命令与信号系统技术规范;②能源技术规范；③基础设施技术规范;④维护技术规范;⑤运营技术规范;⑥
车辆技术规范。
日本工业标准调查会JIS在铁路领域的标准化战略中明确指出:日本缺乏一个覆盖整个铁路系统的标准体系，本国标准与国际不接轨。因此急需建立标准体系，并重点发展以下几个方向的标准化:相应国际标准的本地标准化;与IT等先进技术相应的标准化，如运营系统、车-地信息传输系统、通信信号、信息服务领域的标准化问题;与环境保护相应的标准化问题等。
美国国家标准学会(American National Standards Institute，简称ANSI)对美国铁路在技术标准和铁路设备质量方面起到统一和控制监督作用。为了保证铁路运输安全，提高设备质量，AAR专门成立了质量保证委员会，负责对铁路设备制造厂商质量保证的认证工作。另外其他一些团体如美国电子工业协会(EIA )、美国机械工程师协会(ASME )、美国材料和实验协会(ASTM ) 以及前面提到的IEEE等标准化组织也在积极参与铁路信息化等方面标准的制定。
加拿大在智能铁路领域的主要标准体系有加拿大CTCS标准体系，CTCS标准体系应用等级可分为五类：应用等级0(L0)、CTCS应用等级1(L1)、CTCS应用等级2(L2)、CTCS应用等级3(L3)、CTCS应用等级4(L4)。
中国铁路的智能化建设属于初步发展阶段，随着中国铁路智能化建设的深入发展，加快中国的RITS标准体系研究及相应的标准化工作必将成为一个重要工作。
2、智能铁路总体发展趋势
通过研究国内外智能铁路科技发展战略规划，分析世界智能铁路科
技发展总体趋势，可以看出智能铁路发展战略已成为21世纪竞争力的核心战略，得到了发达铁路国家的共识。近年来的新兴技术，如物联网、云计算、大容量通信技术、互操作、知识推理、信息安全等在铁路运输领域得到了充分利用，并成为了智能铁路系统的核心技术。
中国铁路信息化和智能化系统的开发和建设在最近20年间已经取得了长足的进展，并为未来的发展打下了较好的基础。但同时也应看到中国智能铁路的建设在先进技术的集成应用方面还存在欠缺，各铁路业务系统由各个业务部门按照各自的需求独立发展起来的，没有能够在统一的框架指导下形成有机的整体，各个业务系统标准不一，水平不同，不能互联，更难以实现信息共享，降低了这些系统在实际应用中的效率和效益，对提高铁路运输产品的市场竞争能力没能充分显现出信息化和智能化的强大生命力，并在某种程度上造成了信息化和智能化建设的重复投资。
在目前这种形势下，增强中国铁路运输的市场竞争力并在国际市场上处于领先地位，智能化无疑成为中国铁路运输系统深入发展的必由之路。只有推动智能化的发展，各系统局部的信息化才能得到整合，才能完成铁路运输系统的全面高水平发展，这已成为中国铁路智能运输系统发展过程中一个亟待解决的突出问题。
因此为了进一步提高中国铁路运输的安全、效率及服务，从系统的角度规划中国铁路智能运输系统总体架构，采用渐进集成和阶段跨越的方式发展铁路智能运输系统，实现铁路运输向智能化、现代化方向的跨越式发展具有极为重要的意义。
根据国内外智能铁路研究发展的技术分析，构建智能铁路系统其需解决的关键技术问题有：
1、物联网（传感网）技术；
2、云计算技术；
3、大容量通信技术；
4、互操作技术；
5、知识推理技术；
6、网络安全技术。