鐵路物聯(lián)網應用現(xiàn)狀與發(fā)展

史天運，孫鵬

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

鐵路物聯(lián)網應用現(xiàn)狀與發(fā)展

史天運，孫鵬

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

物聯(lián)網作為新一代應用基礎設施，對鐵路創(chuàng)新發(fā)展意義重大。系統(tǒng)分析物聯(lián)網領域最新的國家宏觀戰(zhàn)略和鐵路行業(yè)政策，提出鐵路物聯(lián)網的概念內涵和技術特征，全面回顧當前物聯(lián)網在鐵路的應用現(xiàn)狀，并研究下一步鐵路物聯(lián)網的發(fā)展目標、總體框架、服務平臺和智能應用。

鐵路物聯(lián)網；鐵路感知3.5技術；智能鐵路；信息化

0 引言

近年來我國高度重視物聯(lián)網研究和應用，從國家層面制定了一系列宏觀發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃和政策。2016年11月發(fā)布的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[1]中，物聯(lián)網作為關鍵詞重復次數(shù)達到14次之多，要求統(tǒng)籌推進物聯(lián)網部署，構建新一代應用基礎設施；同年12月，工業(yè)和信息化部緊隨其后發(fā)布《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃物聯(lián)網分冊（2016—2020年）》。最新的國家物聯(lián)網規(guī)劃要點及行動包括：加強物聯(lián)網網絡架構研究，組織開展物聯(lián)網重大應用示范，推進“互聯(lián)網+”行動及工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新應用。建立國家級物聯(lián)網公共服務平臺，實現(xiàn)跨行業(yè)、跨領域的物聯(lián)網標識管理以及跨系統(tǒng)資源共享。面向萬物互聯(lián)需求，發(fā)展物聯(lián)網搜索引擎、E級高性能計算、面向物端的邊緣計算等新技術和新產品。利用物聯(lián)網、移動互聯(lián)網等新技術，創(chuàng)新“衛(wèi)星+”應用模式。

2017年初，我國鐵路提出突出強化“強基達標、提質增效”的工作主題[2]，要求加大創(chuàng)新力度，廣泛運用現(xiàn)代信息技術[3]，推進智能鐵路建設；同時，要求制定鐵路物聯(lián)網總體方案，擴大物聯(lián)網應用范圍，形成鐵路物聯(lián)網業(yè)務應用體系。在2017年6月印發(fā)的《鐵路信息化總體規(guī)劃》[4]中，物聯(lián)網也被作為新一代信息技術的重點應用方向。

在當前以創(chuàng)新驅動發(fā)展的新態(tài)勢下對鐵路物聯(lián)網研究與發(fā)展，應充分理解其內涵、技術組成及應用價值，全面梳理既有行業(yè)應用現(xiàn)狀，確立更富時代性的發(fā)展目標和總體藍圖，提出面向鐵路的物聯(lián)網服務平臺及業(yè)務應用體系，規(guī)劃物聯(lián)網部署領域和組織推進物聯(lián)網智能應用示范，為新時期鐵路業(yè)務長遠發(fā)展奠定堅實基礎。

1 鐵路物聯(lián)網概念

1.1 基本定義

借鑒國際流行的物聯(lián)網概念解釋，對我國鐵路物聯(lián)網作如下定義：

鐵路物聯(lián)網是指依靠射頻識別（RFID）、激光掃描器、生物特征識別、智能傳感器、衛(wèi)星空間定位等信息感知設備，按約定協(xié)議，通過網絡連接各種鐵路對象，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對鐵路對象的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡，是實現(xiàn)智能鐵路的重要支撐。

1.2 概念辨析

鐵路物聯(lián)網與鐵路信息化、智能鐵路，以及大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術概念之間具有一定關系。

對鐵路信息化而言，物聯(lián)網本質是信息化向應用前端的延伸，自動化和信息化的深度融合可大幅提升鐵路信息化水平[5]。為鐵路信息化應用提供高效的自動感知及管控手段，提升數(shù)據(jù)采集質量和設備自管理水平。

智能鐵路是指達到更透徹信息感知、更全面互聯(lián)互通、更深入科學決策，以人為本的新一代鐵路運輸體系。因此，鐵路物聯(lián)網是建設智能鐵路的基礎條件，智能鐵路涵蓋了物聯(lián)網的基本建設內容。

對大數(shù)據(jù)分析為物聯(lián)網提供了海量高質量原始數(shù)據(jù)；反之，大數(shù)據(jù)技術也為處理巨量數(shù)據(jù)資源提供必要手段。同時，物聯(lián)網建設需要依賴云計算數(shù)據(jù)中心所提供的密集型存儲和高強度計算能力。

1.3 鐵路感知3.5技術

物聯(lián)網技術的鐵路應用模式可歸納為鐵路感知3.5技術，即標識識別、狀態(tài)傳感、定位導航和控制反饋（見圖1）。

標識識別技術實現(xiàn)鐵路對象屬性信息的自動采集，通過RFID、條形碼和二維碼、生物識別等，實現(xiàn)對所有設備設施及其關鍵部件、鐵路人員和票據(jù)等的識別追溯；狀態(tài)傳感技術實現(xiàn)鐵路對象狀態(tài)信息的自動采集，通過各種傳感器及其集成設備，實現(xiàn)對基礎設施和移動裝備狀態(tài)、運營環(huán)境等的測量監(jiān)測；定位導航技術實現(xiàn)鐵路對象位置信息的自動采集，通過北斗、GPS、室內定位技術，實現(xiàn)對鐵路移動裝備及其關鍵部件、貨物、人員等的定位跟蹤；控制反饋泛指自動化/半自動化的控制技術，通過自動控制設備、機器人、智能移動終端等，實現(xiàn)運輸生產調度、作業(yè)過程控制、設備智能控制等，其應用場景包含由系統(tǒng)下達命令反饋給人工進行半自動執(zhí)行作業(yè)的情況，鐵路物聯(lián)網并不強調實現(xiàn)全過程自動化。

圖1 鐵路感知3.5技術

2 應用現(xiàn)狀

2.1 總體情況

我國鐵路物聯(lián)網應用最早可追溯至20世紀80年代紅外線軸溫探測，自2001年全路推廣車號自動識別系統(tǒng)（ATIS）后，逐漸延伸至鐵路各領域。

目前物聯(lián)網正處于快速發(fā)展階段，在運輸生產、客貨營銷、鐵路建設和安全監(jiān)控領域已具備一批物聯(lián)網應用，具備了一定技術基礎和應用范圍。在運輸生產領域，主要包括車號自動識別、編組站綜合自動化系統(tǒng)、列車衛(wèi)星定位等；在客貨營銷領域，主要包括磁介質客運車票、中鐵銀通卡（一卡通）等；在安全監(jiān)控領域，主要包括車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T）、機車車載安全防護系統(tǒng)（6A）、高鐵供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C）、自然災害及異物侵限監(jiān)測、高速綜合檢測車、貨運安全檢測監(jiān)控、青藏線凍土低溫監(jiān)測等；在鐵路建設領域，主要包括混凝土拌合站及實驗室監(jiān)測、軌道板和梁RFID標簽、路基壓實監(jiān)測等。

2.2 典型物聯(lián)網應用

按照應用規(guī)模、技術水平和推廣價值，對典型鐵路物聯(lián)網應用進行總結。

（1）車號自動識別系統(tǒng)。車號自動識別于2001年開始實施[6]，采用一種超高頻（902～928 MHz）的機車車輛電子標簽。電子標簽安裝在車底、地面識別設備安裝在軌道間，最大識別距離可達10 m，電子標簽存儲機車車輛型號、編號、配屬等固定信息和列車車次等動態(tài)信息。目前已實現(xiàn)全路大規(guī)模應用，電子標簽已在鐵路全部機車（1.9萬臺）、絕大部分貨車（70.0萬輛）、大部分客車（4.5萬輛）上安裝，全路的2 700列動車組也在陸續(xù)部署，總計覆蓋7萬km鐵路線。同時，發(fā)布了TB/T 3070—2002《鐵路機車車輛自動識別設備技術條件》《鐵路客車電子標簽暫行技術條件》和TJ/CL 344—2014《動車組電子標簽暫行技術條件》等重要技術標準。

（2）電子客票。鐵路客票當前廣泛采用一種磁介質的熱敏車票[7]，通過制票機、自動售票/檢票/取票機，以及基于人臉識別的實名制核驗系統(tǒng)，實現(xiàn)自助式旅客出行服務。電子客票在全路年售票量達到30億張，高峰日發(fā)售達到1 200萬張，其中互聯(lián)網售票占比超過60%。中鐵銀通卡以及廣深線RFID車票也在應用中。同時，發(fā)布了技術標準TB/T 3277—2011《鐵路磁介質熱敏車票》。

（3）行車安全監(jiān)控。車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T）主要包括車底故障圖像動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（動車組：TEDS、客車：TVDS、貨車：TFDS）、軸承早期聲學故障診斷系統(tǒng)（動客貨：TADS）、紅外點光源軸溫探測或熱成像檢測系統(tǒng)（動客貨：THDS）、車輛運行品質力學檢測系統(tǒng)（動客貨：TPDS）、車載運行動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（客車：TCDS、動車組：WTDS）。此外，還有針對車輛輪對踏面、輪輞輪輻等幾種技術條件的檢測系統(tǒng)（TWDS、LY、LU）。機車車載安全防護系統(tǒng)（6A）主要對機車空氣制動、防火、高壓絕緣、供電、走行部故障進行監(jiān)測，并自動記錄車內視頻監(jiān)控信息。高鐵供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C）主要對鐵路供電系統(tǒng)中的高速弓網、受電弓滑板、地面供電等設備進行檢測。貨運安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)鐵路貨物運輸源頭裝載質量、途中檢查、卸車交付全過程的檢測監(jiān)控與管理，其中貨運計量安全監(jiān)測以動態(tài)軌道衡、超偏載檢測裝置等為基礎，集成壓力、剪力傳感器復合測力技術及RFID，實現(xiàn)對貨物超載、偏載和偏重計量的自動檢測，支撐全路貨運站貨運和貨檢站貨檢作業(yè)控制。在行車安全監(jiān)控方面，全路傳感器集成設備的使用量總計已超過1萬臺。此外，高鐵綜合檢測車集成大量車對地探測設備，是線路質量檢測的必要技術手段。

（4）運行環(huán)境監(jiān)控。運行環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括自然災害及異物侵限監(jiān)測、周界入侵報警、視頻綜合監(jiān)控系統(tǒng)。自然災害及異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)通過設置風速/風向、雨量、雪深、地震傳感器設備，以及激光雷達作為異物侵限設備，實現(xiàn)對高速鐵路線路周邊自然環(huán)境的全面監(jiān)測預警。鐵路周界入侵報警系統(tǒng)針對人為侵入鐵路限界的行為進行監(jiān)測報警，綜合采用振動光纖、電子圍欄、光波探測和視頻智能識別等多種技術手段實現(xiàn)。鐵路視頻綜合監(jiān)控系統(tǒng)的前端設備由普通可見光攝像機和夜視攝像機組成，夜視條件下視頻監(jiān)控一般采用紅外LED和激光補光，同時也嘗試開展視頻圖像智能分析應用。目前，自然災害及異物侵限、視頻綜合監(jiān)控已在全路達到大規(guī)模成熟應用。

（5）工程建設信息化。工程信息化領域的物聯(lián)網應用涉及工程建設、項目管理和監(jiān)督管理3方面。目前，軌道板等大量工程構件采用埋入式RFID標簽，工地實驗室試件也采用RFID或二維碼進行管理。在工程建設過程中，路基壓實監(jiān)測、拌合機混凝土質量監(jiān)測（原材料、拌合時間等）、路基/橋梁沉降變形觀測、線路連續(xù)梁變形線性監(jiān)測等均是工程質量控制的有效手段。隧道圍巖（水平收斂、拱頂下沉、凈空變化）量測與預警等實現(xiàn)了鐵路工程建設的安全監(jiān)控。此外，工地現(xiàn)場實驗室已配置70余種自動化工程試驗機，實現(xiàn)了自動化試驗數(shù)據(jù)采集。當前，物聯(lián)網技術已在高鐵在建線路中大量應用。

2.3 其他物聯(lián)網案例

除上述已形成大規(guī)模成熟推廣的物聯(lián)網應用外，目前鐵路還存在不少物聯(lián)網案例，雖未達到全路推廣，也取得了良好應用效果。例如，基層站段作業(yè)[8]使用的手持移動終端、身份智能卡、司機測酒儀；客運服務方面的客運站環(huán)境監(jiān)測及設備監(jiān)控；貨運物流方面的貨物（集裝箱）電子標簽、燃油消耗監(jiān)測、智能鐵鞋（防溜車）、貨車超限裝載狀態(tài)監(jiān)測、冷鏈及危險品監(jiān)控；運力資源管理方面的RFID輪對全生命周期追蹤、自動化檢測/檢修設備、物料倉庫自動化管理；基礎設施方面的橋梁結構健康監(jiān)測。另外，行包自動分揀等自動化裝置或機器人的使用是未來發(fā)展趨勢，可大幅提升高強度/高危工作條件下的作業(yè)自動化程度。

3 發(fā)展規(guī)劃

3.1 發(fā)展目標

綜合考慮鐵路物聯(lián)網應用現(xiàn)狀、技術研究進展和行業(yè)發(fā)展趨勢，提出鐵路物聯(lián)網的發(fā)展目標：在“十三五”期間，全力推進鐵路物聯(lián)網建設，初步實現(xiàn)“泛在感知、全面連接、精細管控”的目標，提升物聯(lián)網業(yè)務應用綜合管控水平，打造形成新一代鐵路應用基礎設施。

基于鐵路感知3.5技術（標識識別、狀態(tài)傳感、定位導航和控制反饋）基本實現(xiàn)對鐵路員工客戶、基礎設施、移動設備、運行環(huán)境的泛在感知；按約定的協(xié)議，把各種專業(yè)對象與鐵路信息系統(tǒng)相連接，初步實現(xiàn)在鐵路各環(huán)節(jié)的全面連接；構建調度、客運、物流、建設、安防、運維、管理方面的物聯(lián)網智能應用示范，建立健全物聯(lián)網管理體系，實現(xiàn)對鐵路運輸?shù)木毠芸亍?/p>

3.2 總體框架

圖2 鐵路物聯(lián)網總體框架

鐵路物聯(lián)網總體框架見圖2，自下而上劃分為感知層、網絡層、平臺層和應用層。鐵路感知3.5技術的統(tǒng)籌推進部署，有利于加快打造鐵路新一代應用基礎設施，是鐵路物聯(lián)網規(guī)劃的重心。因此，把感知層建設內容從四大鐵路對象、九大專業(yè)和十大應用場景多種視角進行細致分解。網絡層傳感網的構建涉及物聯(lián)網相關的所有感知技術和組網技術；接入網通過無線或有線方式實現(xiàn)“最后一公里”本地接入；承載網是數(shù)據(jù)傳輸和消息傳遞的骨干網絡。平臺層是整合感知基礎設施資源支撐智能化應用的關鍵，是實現(xiàn)鐵路物聯(lián)網橫向集成和縱向貫通的前提條件。在應用層，以底層所提供的服務及資源為基礎，針對鐵路實際需求，提出7項物聯(lián)網智能應用示范。

3.3 物聯(lián)網服務平臺

物聯(lián)網服務平臺是鐵路物聯(lián)網建設的核心，其目的是實現(xiàn)電子標識及其他智能硬件跨系統(tǒng)、跨專業(yè)、跨行業(yè)的應用共享和互操作，以平臺整合鐵路龐大的前端智能硬件資源（見圖3）。平臺包括標識名稱解析、感知設備接入、網絡信道認證、邊緣計算管理4個物聯(lián)網專項服務，以及由信息化平臺所提供的相關通用服務。另外，物聯(lián)網部署使位置和個人隱私、物品防偽等問題變得更加突出，平臺必須提供覆蓋“云-管-端”的全面安全防護。

3.4 物聯(lián)網智能應用

鐵路物聯(lián)網建設的根本目的是應用。全力打造新一代鐵路物聯(lián)網應用基礎設施，以統(tǒng)籌推進部署鐵路感知3.5技術為基礎，不斷延伸物聯(lián)感知所能觸及到鐵路業(yè)務的廣度和深度，廣泛采用對象自動識別、智能傳感、空間空位、無線傳感網、移動及可穿戴式終端、視頻模式識別、邊緣計算、機器人等技術，在多種技術基礎上進行融合提升并實現(xiàn)關聯(lián)應用，以平臺整合鐵路專業(yè)對象和行業(yè)信息資源，深化數(shù)據(jù)融合處理和精準決策分析能力，可構建形成7項智能應用示范（見圖4），實現(xiàn)智能調度、智能客運、智能物流、智能建設、智能安防、智能運維、智能管理，從整體上提升鐵路業(yè)務管控水平，發(fā)揮物聯(lián)網對實際業(yè)務的基礎支撐作用，充分釋放鐵路應用創(chuàng)新潛能。

圖3 鐵路物聯(lián)網服務平臺

圖4 基于物聯(lián)網的鐵路智能應用

4 結束語

作為新一代應用基礎設施和戰(zhàn)略性新興技術，物聯(lián)網硬件設施的統(tǒng)籌推進部署及其應用服務向廣度深度的極大拓展，可為鐵路發(fā)展大數(shù)據(jù)、人工智能、“互聯(lián)網+”等創(chuàng)新型應用奠定基礎，實現(xiàn)鐵路對感知、預測預警、自動控制和主動決策反應能力的整體躍升，重構客運貨運、行車調度、生產作業(yè)、安全監(jiān)控、工程建設、經營開發(fā)、戰(zhàn)略決策等運輸活動各環(huán)節(jié)，催生鐵路行業(yè)新技術、新產品、新業(yè)態(tài)、新模式，引領帶動智能鐵路發(fā)展，對鐵路深入實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。為了發(fā)展鐵路物聯(lián)網，必須加強頂層設計和超前研發(fā)布局，面對新形勢新需求，實現(xiàn)物聯(lián)網理論、技術、工具、系統(tǒng)的滾動發(fā)展和持續(xù)提升，以技術攻關推動行業(yè)應用和產業(yè)升級，以應用示范推動技術和系統(tǒng)不斷優(yōu)化。

[1]國務院.“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃 [EB/OL].（2016-11-29）[2017-09-01]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/19/ content_5150090.htm.

[2]中國鐵路總公司. 中國鐵路總公司工作會議 在京召開[EB/OL]. （2017-01-03）[2017-09-01]. http://www.china-railway.com.cn/xwdt/jrtt/201701/ t20170103_62242.html.

[3]中國鐵路總公司. 突出關鍵重點領域，積極推進鐵 路應用技術創(chuàng)[EB/OL].（2017-01-03）[2017- 09-01]. http://www.china-railway.com.cn/xwdt/ tlxw/201701/t20170103_62255.html.

[4]鐵總信息〔2017〕152號 鐵路信息化總體規(guī)劃[S].

[5]聶寧，官科，鐘章隊. 德國鐵路4.0戰(zhàn)略[J]. 中國 鐵路，2017(5)：86-90.

[6]王志華，史天運. 射頻識別技術（RFID）在交通領域 的應用現(xiàn)狀[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2005(6)： 96-99.

[7]史天運，王成. RFID技術在鐵路客票系統(tǒng)中的應用[J]. 中國鐵道科學，2009(6)：135-140.

[8]孫鵬，史天運，張惟皎. 動車組維修信息系統(tǒng) 中的高層業(yè)務信息提取技術[J]. 中國鐵道科學， 2014(4)：108-116.

Current Status of Application and Development of Railway Internet of Things

SHI Tianyun，SUN Peng
（Institute of Computing Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

As the new generation of application infrastructure, internet of things (IoT) has great signi fi cance to railway innovation. The paper analyzes systematically the newest state macro-strategy and railway industry policies in IoT fi eld, puts forward the concept, connotation and technical features of railway IoT, reviews the current status of IoT application in railway, and researches the development target, overall framework, service platform and intelligent application of railway IoT.

railway IoT；railway perception 3.5 technology；intelligent railway；IT application

TP393；TP391；U29

A

1001-683X（2017）12-0001-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.001

史天運（1967—），男，研究員，博士后。E-mail：tyshi@rails.cn

孫鵬（1979—），男，副研究員，博士。E-mail：sunpercher@163.com

責任編輯 盧敏

2017-09-19