國外鐵路數(shù)字化與智能化發(fā)展趨勢研究

李平，邵賽，薛蕊，張曉棟

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵路大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用創(chuàng)新中心，北京 100081）

0 引言

移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代技術(shù)的突破和融合發(fā)展，對全球經(jīng)濟環(huán)境和人民日常生活產(chǎn)生了前所未有的重大影響，已成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心所在。萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能決策的數(shù)字化時代悄然來臨。新一代信息技術(shù)促進服務(wù)制造業(yè)升級、推動智能交通發(fā)展、助力智慧城市建設(shè)，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)。智能交通領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用在改善城市交通狀況、解決城市交通擁堵問題、提高城市道路管理水平等方面發(fā)揮著重要作用。智能電網(wǎng)領(lǐng)域的研究成果為新型能源接入、特高壓輸電、大電網(wǎng)運行控制、數(shù)字化變電站、數(shù)字化電網(wǎng)等的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。智慧城市領(lǐng)域的試點實踐成為促進城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式。

近年來，世界各國鐵路都面臨著客貨運輸需求增長快速化、運輸服務(wù)定制化、運輸安全泛在化等挑戰(zhàn)。在鐵路運輸基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)能力相對固定的前提下，通過采用新一代信息技術(shù)大幅提升鐵路運輸組織效率效益、優(yōu)化客貨運輸服務(wù)品質(zhì)、提高鐵路運輸安全水平已成為各國鐵路發(fā)展的必由之路，鐵路智能化已經(jīng)成為世界鐵路未來發(fā)展的重要方向[1]。在此背景下，法國、德國、瑞士、英國、澳大利亞、美國、加拿大、日本、韓國等國家鐵路相繼提出了數(shù)字化與智能化發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，并制定了實施路線圖和重點任務(wù)。

1 歐洲鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略

1.1 Rail Route 2050戰(zhàn)略規(guī)劃

2011年，歐盟發(fā)布《歐洲一體化運輸發(fā)展路線圖》[2]白皮書，旨在將歐洲目前的運輸系統(tǒng)發(fā)展為具有競爭力和高資源效率的運輸系統(tǒng)。其中多式聯(lián)運、高速鐵路路網(wǎng)規(guī)模等6項直接涉及鐵路運輸，鼓勵貨運和客運向鐵路運輸方式的轉(zhuǎn)變，強調(diào)鐵路運輸方式對未來歐洲運輸?shù)闹匾浴橹螝W洲運輸白皮書，歐洲鐵路研究咨詢委員會（ERRAC）同步制定了《Rail Route 2050》戰(zhàn)略規(guī)劃[3]，在智能移動、能源與環(huán)境、安全、認證、競爭力和使能技術(shù)、戰(zhàn)略與經(jīng)濟、基礎(chǔ)設(shè)施等7個方面，提出了一個有競爭力、高資源效率、面向智能化的2050年鐵路系統(tǒng)發(fā)展藍圖（見圖1）。

圖1 歐洲鐵路系統(tǒng)發(fā)展藍圖（至2050年）

1.2 Shift2Rail科技創(chuàng)新戰(zhàn)略

數(shù)字化鐵路已成為歐洲鐵路一體化發(fā)展的首要任務(wù)，歐盟出臺了一系列戰(zhàn)略規(guī)劃，在2013年提出以市場為導(dǎo)向的Shift2Rail科技創(chuàng)新戰(zhàn)略[4]（見圖2）。Shift2Rail實施周期為2014—2020年，重點關(guān)注生命周期成本降低、路網(wǎng)容量增強、服務(wù)可靠性與準時性提高，最終實現(xiàn)歐洲鐵路一體化、增強歐洲鐵路的吸引力及競爭力、鞏固歐洲鐵路在全球市場的領(lǐng)導(dǎo)地位等目標。

圖2 歐洲Shift2Rail戰(zhàn)略目標

1.3 德國

德國鐵路公司（簡稱德鐵）將數(shù)字化進程視為寶貴的發(fā)展契機，實施了一系列的數(shù)字化舉措，確保鐵路行業(yè)走在新一代工業(yè)革命的前列。2016年德鐵與德國聯(lián)邦交通部、德國鐵路工業(yè)聯(lián)合會聯(lián)合簽署合作協(xié)議“鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略”（鐵路4.0）[5]。這是一次以提升乘客滿意度為目標，深入到生產(chǎn)、運營、維修養(yǎng)護、客戶交互等鐵路系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的技術(shù)變革，全面支撐德國運輸4.0計劃。鐵路4.0初步設(shè)想包括運輸4.0、基礎(chǔ)設(shè)施4.0、物流4.0、信號技術(shù)4.0、IT4.0、生產(chǎn)制造4.0、工作崗位4.0、技術(shù)創(chuàng)新4.0等方面，同時制定了近期、中期、遠期三階段目標（見圖3）。

（1）近期（至2025年）。實現(xiàn)半自動化列車無線分配；提供下一代電子行程服務(wù)；通過列車獨特設(shè)計使乘客的移動設(shè)備與基站信號直連。同時在2020年底實現(xiàn)所有鐵路建設(shè)項目應(yīng)用建筑信息模型（BIM）的規(guī)劃戰(zhàn)略。

（2）中期（2025—2035年）。實現(xiàn)列車無人駕駛；能夠提供更靈活、個性化的交通方式；機器人小汽車（cab）研制成功并投入使用。

（3）遠期（2035—2045年）。形成新型數(shù)字化車間；實現(xiàn)電子商務(wù)、3D打印維護、運營過程全自動化；智能設(shè)備成為設(shè)備維護的日常工具。

圖3 德國鐵路發(fā)展展望

1.4 法國

2015年法國國家鐵路公司提出數(shù)字化法鐵（DIGITALSNCF）戰(zhàn)略，通過加強工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建連通列車、路網(wǎng)和站房三大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。一方面實現(xiàn)對安全運輸、生產(chǎn)效率、能源經(jīng)濟、工作質(zhì)量等的追求，另一方面滿足旅客對準點率和舒適度的需求。預(yù)期在2031—2040年，為客戶建立一個有競爭力、便捷、可持續(xù)、與未來運輸緊密結(jié)合的鐵路系統(tǒng)[6]（見圖4）。未來將重點關(guān)注運力、競爭對手、乘客、公共資金等發(fā)展趨勢，擬在數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)安全、能源等方面開展技術(shù)突破，實現(xiàn)低成本、全球范圍內(nèi)門到門、共享汽車等新型商業(yè)模式，探索人工智能、能源存儲、3D打印、機器人、自動駕駛、新型材料等新技術(shù)在鐵路具體場景的應(yīng)用。具體實施路線圖如下：

（1）近期（至2020年）。對現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)改進，在郊區(qū)線路引入自動駕駛。推進3D打印技術(shù)，減少20%零件制造時間和成本。

（2）中期（2021—2030年）。構(gòu)建顛覆性創(chuàng)新的鐵路系統(tǒng)，功能包括列車實時定位、“門到門”運輸、客流智能管控、路網(wǎng)運力自適應(yīng)等。

（3）遠期（2031—2040年）。為客戶實時提供滿足需求、可靠安全、易于訪問的服務(wù)；最大化路網(wǎng)和庫存利用率以降低成本；實現(xiàn)系統(tǒng)簡化和標準化，縮短新技術(shù)實際應(yīng)用時間；通過優(yōu)化資源利用和限制碳排放，完成公共服務(wù)使命；將鐵路系統(tǒng)納入全球“門到門”運輸服務(wù)，使車站變成集成服務(wù)和各項運輸方式的站點。

1.5 瑞士

2017年，瑞士聯(lián)邦鐵路為了發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)潛力，提出瑞士SmartRail 4.0戰(zhàn)略[7]，旨在進一步提高鐵路系統(tǒng)容量和安全性，有效地利用鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，長期保持瑞士鐵路的競爭力。具體戰(zhàn)略目標主要包括5個方面：一是成本方面，每年節(jié)約450 Mio CHF（百萬瑞士法郎），為客戶提供更優(yōu)的價格和更好的服務(wù)質(zhì)量；二是在能力方面，增加15%～30%的鐵路網(wǎng)容量，為客戶提供緊湊、靈活、互通的服務(wù)；三是在可用性方面，信號系統(tǒng)性能提升50%，為客戶提供準時、不受干擾的行程；四是在安全方面，鐵路運營故障減少90%，為客戶提供更可靠的安全運輸；五是在服務(wù)方面，鐵路企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)互通，為客戶提供更好的在線旅行體驗。

同時，SmartRail 4.0將戰(zhàn)略實施過程劃分為3個階段，明確每個階段目標及任務(wù)，對ETCS L3+移動閉塞、集中簡化聯(lián)鎖設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)自動化、列車模塊化等技術(shù)進行了規(guī)劃（見圖5）。

圖5 瑞士鐵路發(fā)展展望

1.6 英國

2018年，英國鐵路為了布局數(shù)字鐵路未來規(guī)劃，制定了數(shù)字鐵路戰(zhàn)略（Digital Railway Strategy）[8]，在人才技術(shù)與業(yè)務(wù)能力、列車運行控制、自動駕駛、交通管理與可靠性、移動通信數(shù)據(jù)互聯(lián)、智能基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域布局，提出了數(shù)字化鐵路三階段發(fā)展藍圖（見圖6），從而實現(xiàn)資產(chǎn)可持續(xù)性、提高載運能力、增強安全性、加強用戶體驗、加速經(jīng)濟增長、改善環(huán)境等目標。

（1）近期（至2019年）?；诂F(xiàn)有的建設(shè)成果，實施部署數(shù)字鐵路項目（包括ETCS試驗軌道開發(fā)和ETCS車輛改裝）；借鑒國內(nèi)外類似領(lǐng)域的先進技術(shù)成果，開展創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，為下一階段實施提供支撐。

（2）中期（2019—2027年）。重點關(guān)注安格利亞、倫敦東北、東南、威塞克斯和西部等五大鐵路線的發(fā)展規(guī)劃；確定數(shù)字鐵路方案并按優(yōu)先級排序；通過數(shù)字化方式大力提高受限的運力，并以較低的運營成本為鐵路用戶和英國經(jīng)濟帶來更廣泛的利益。

（3）遠期（2027年后）。隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展日趨成熟，預(yù)計在數(shù)字信號、智能基礎(chǔ)設(shè)施和列車控制等方面將會大幅降低成本；未來數(shù)字化技術(shù)將成為鐵路網(wǎng)的日常運營手段。

圖6 英國鐵路發(fā)展展望

2 日韓鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略

2.1 日本

日本JR東鐵路公司為充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)創(chuàng)新作用，制定了《技術(shù)創(chuàng)新中長期規(guī)劃》[9]，旨在實現(xiàn)安全保障、強化服務(wù)和營銷、優(yōu)化運用維護、注重能源和環(huán)境等4個方面的目標。

（1）安全保障。積極推進技術(shù)改造、設(shè)備更新研發(fā)以及安全教育培訓(xùn)技術(shù)的研發(fā)。建立一套安全輔助系統(tǒng)，通過利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，捕捉事故的預(yù)兆，挖掘難以預(yù)知的風(fēng)險，以便事先采取對策。

（2）強化服務(wù)和營銷。未來的旅客服務(wù)系統(tǒng)可提供客流和車輛設(shè)備信息，實時提供公交車、出租車等其他交通工具及氣象等信息，為旅客提供個性化定制信息服務(wù)。

（3）優(yōu)化運用維護。逐步推進“狀態(tài)修”體系的實用化，加快自動駕駛技術(shù)以及利用智能機器人和人工智能的輔助技術(shù)研發(fā)。此外，隨著一線技術(shù)工人大幅減員，將通過技術(shù)創(chuàng)新來改變運用和維修成本的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“人與系統(tǒng)”密切結(jié)合的工作模式。

（4）注重能源和環(huán)境。建立從發(fā)電到輸變電和配電的全過程能源管理網(wǎng)絡(luò)平臺，綜合利用可再生能源和節(jié)能蓄能技術(shù)，實現(xiàn)2030年鐵路能耗降低25%、二氧化碳排放量減少40%的管理目標（以2013年為基準）。

2.2 韓國

韓國鐵路重點關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施BIM技術(shù)應(yīng)用，并構(gòu)建了面向2030年的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施BIM發(fā)展路線圖，將BIM發(fā)展劃分為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0五個階段（見圖7）：

（1）BIM 1.0（至2018年）。初始階段，基于BIM的公眾展示和設(shè)計審查。

（2）BIM 2.0（至2020年）。成長階段，基于BIM的設(shè)計、工程、誤差監(jiān)測。

（3）BIM 3.0（至2022年）。成熟階段，基于BIM的綜合項目與設(shè)施管理。

（4）BIM 4.0（至2024年）。高級階段，智能工廠和非現(xiàn)場組裝。

（5）BIM 5.0（2030年后）。智能階段，智能建造4.0和基于人工智能的項目及設(shè)施管理。

圖7 韓國基礎(chǔ)設(shè)施BIM發(fā)展路線圖（至2030年后）

3 澳大利亞鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略

澳大利亞鐵路結(jié)合本國國情與全球經(jīng)濟發(fā)展形勢，并充分考慮物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)的發(fā)展，從材料與制造、運行控制與管理、節(jié)能減排等3個方面制定了近期（至2020年）、中期（至2030年）、遠期（至2040年）的鐵路創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃（見圖8）。

（1）近期規(guī)劃（至2020年）。利用新方法、新手段提高鐵路規(guī)劃設(shè)計水平；基本實現(xiàn)列車少人駕駛、實現(xiàn)系統(tǒng)化全覆蓋；采用列車智能化駕駛降低能源消耗。

（2）中期規(guī)劃（至2030年）。重點發(fā)展先進制造業(yè)，利用高性能重載材料，克服鐵路貨運物理限制；利用大數(shù)據(jù)、人工智能實現(xiàn)鐵路運行安全風(fēng)險自動檢測與控制；實現(xiàn)列車先進制動系統(tǒng)，實現(xiàn)機車交流牽引及電子電力系統(tǒng)改造。

（3）遠期規(guī)劃（至2040年）。實現(xiàn)鐵路建設(shè)與裝備材料輕量化；利用運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)更高級別的鐵路運行與控制；充分實現(xiàn)可再生能源在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用，降低碳排放量。

圖8 澳大利亞鐵路2040創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃

4 北美鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略

4.1 加拿大

加拿大國家鐵路公司以精確、負責(zé)、可靠及運力強大的貨物運輸著稱，被譽為北美的定時運輸鐵路。制定了信息化發(fā)展戰(zhàn)略并穩(wěn)步落實，近期利用數(shù)字化技術(shù)對鐵路運營進行了多項創(chuàng)新實踐。

（1）精確化運輸。為支撐“準時制”（Just In Time）運輸，建設(shè)了貨運服務(wù)可靠性系統(tǒng)（SRS），實現(xiàn)了訂單、貨票、列車運行、場站作業(yè)、車輛配置、機車周轉(zhuǎn)、客戶服務(wù)、貨物聯(lián)運、收入管理等所有與鐵路貨物運輸相關(guān)業(yè)務(wù)的一體化管理。

（2）數(shù)字化商務(wù)。建立了標準化客戶服務(wù)流程，并通過電子商務(wù)、電子數(shù)據(jù)交換（EDI）以及客戶服務(wù)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變客戶服務(wù)方式，實現(xiàn)數(shù)字化商務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)城市（DataCity）。將數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵的企業(yè)級資產(chǎn)，將高質(zhì)量數(shù)據(jù)作為實現(xiàn)高質(zhì)量鐵路運輸作業(yè)和客戶服務(wù)的根本，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和企業(yè)級數(shù)據(jù)倉庫前提下，構(gòu)建了DataCity系統(tǒng)以有效地支撐鐵路業(yè)務(wù)分析與決策，為實現(xiàn)分析決策智能化提供支持。

4.2 美國

美國鐵路以貨運為主，在預(yù)測性維護、客戶服務(wù)等方面進行數(shù)字化技術(shù)的探索。2011年美國貨運鐵路啟動了“資產(chǎn)健康戰(zhàn)略計劃”（Asset Health Strategic Initiative，AHSI），對各個鐵路公司分別收集和存儲的大量數(shù)據(jù)進行分析，并由此解決行業(yè)內(nèi)最關(guān)鍵的鐵路設(shè)備管理與維護問題。美國Strukton公司開發(fā)了預(yù)測性維護和故障診斷系統(tǒng)POSS，其目標是在早期階段識別資產(chǎn)的衰退，幫助分析師將注意力集中在衰退資產(chǎn)上，優(yōu)化維修間隔，以減少維修成本和故障。美國Amtrak公司利用大數(shù)據(jù)來提升乘客的互動和體驗，將列車運行圖與谷歌地圖相結(jié)合，開發(fā)實時列車定位地圖，通過該網(wǎng)站訪客可以訪問有關(guān)列車的最新信息。

5 分析與啟示

國外鐵路積極探索信息新技術(shù)，在鐵路融合應(yīng)用的發(fā)展方向紛紛制定一系列中長期戰(zhàn)略規(guī)劃，加快新技術(shù)與鐵路業(yè)務(wù)場景深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用，促進大量項目的立項與推進，在工程建設(shè)、安全保障、列車控制等領(lǐng)域積極布局（見圖9）。由圖9可知，各國鐵路的數(shù)字化和智能化發(fā)展戰(zhàn)略主要分為3個里程碑節(jié)點，即2020、2025、2035年。在戰(zhàn)略內(nèi)容設(shè)計上呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢：

（1）列車自動駕駛成為鐵路智能化發(fā)展的重要內(nèi)容，德國、法國、瑞士、澳大利亞鐵路均列為重點任務(wù)之一。

（2）面向全球的鐵路運輸?shù)摹伴T到門”服務(wù)、跨多種交通方式的無縫化運輸成為未來鐵路運輸智能化的重要目標。法國、瑞士、德國、日本鐵路均作為戰(zhàn)略目標之一。

（3）BIM技術(shù)應(yīng)用成為基礎(chǔ)設(shè)施智能化的重要手段，德國、瑞士、韓國鐵路均制定了相應(yīng)的目標。

（4）新一代列車控制與調(diào)度系統(tǒng)得到多國鐵路的高度關(guān)注。瑞士、法國、德國、英國、澳大利亞鐵路等均著力研發(fā)集中聯(lián)鎖、移動閉塞、ETCS、列車實時定位等新一代列車控制系統(tǒng)設(shè)備，以便實現(xiàn)裝備智能化。

（5）綠色低碳成為未來鐵路運輸?shù)闹匾笜酥?。瑞士、法國、澳大利亞、日本鐵路等均制定了相應(yīng)的指標。

除此之外，在標準化接口、3D打印、電子商務(wù)、數(shù)字化車間、機器人、預(yù)測性維修等方面，有關(guān)國家鐵路也在積極探索。

6 結(jié)束語

鐵路是國民經(jīng)濟大動脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，是綜合交通運輸體系的骨干和主要交通方式之一，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。當(dāng)前我國鐵路正處于關(guān)鍵的戰(zhàn)略機遇期，未來20年我國將釋放出巨大的經(jīng)濟社會需求，為我國智能鐵路發(fā)展創(chuàng)造得天獨厚的條件和千載難逢的機遇。中國鐵路已經(jīng)初步制定了智能高鐵發(fā)展戰(zhàn)略[10]，明確了2020、2025、2035年3個階段的戰(zhàn)略目標，戰(zhàn)略的內(nèi)容部署、階段安排和具體目標均領(lǐng)先國外主要鐵路國家。特別是隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的快速發(fā)展和日臻成熟，新技術(shù)與鐵路融合后形成的智能建造、智能裝備、智能運營等成套理論和技術(shù)體系將為實現(xiàn)智能鐵路戰(zhàn)略提供重要的技術(shù)保證[11-13]。依托智能京張、智能京雄、智能蒙華等重大工程建設(shè)，智能鐵路的系統(tǒng)性研究成果將得以驗證、應(yīng)用、推廣，并在系統(tǒng)層級上不斷迭代遞進、反饋優(yōu)化，將形成既具有中國特色、又能為世界其他國家鐵路發(fā)展參考的智能鐵路成套理論技術(shù)體系。

圖9 國外鐵路智能化發(fā)展趨勢對比