基于數(shù)字化驅動的鐵路運輸調度系統(tǒng)研究與應用

徐正昊 中國鐵路上海局集團有限公司鎮(zhèn)江站

1 引言

隨著鐵路和高新科技的迅速發(fā)展，我國鐵路的覆蓋網(wǎng)迅速擴大規(guī)模，鐵路中的運輸調度與管理也呈現(xiàn)出越來越復雜的局面。我國鐵路的里程發(fā)展尤為迅速，從2000年的6.8萬km增長到2020年的14.14萬km，高鐵里程更是高居世界第一。

與此同時，隨著智能化信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等技術的數(shù)字化驅動，為構建全網(wǎng)絡的數(shù)字化鐵路運輸網(wǎng)絡提供了堅實的技術后盾。未來的高復雜鐵路運輸網(wǎng)絡要提高運輸調度的實時可控性、運輸安全性和高效調度，除了需要優(yōu)化自身運輸調度系統(tǒng)，還需要結合信息產(chǎn)業(yè)技術，全面更新鐵路運輸網(wǎng)絡，為我國鐵路注入新的活力。

2 目標

數(shù)字化驅動的鐵路運輸調度系統(tǒng)的最終目的是，通過第五代（5G）無線通信技術連接調度控制系統(tǒng)、車載終端和智能化鐵路設備等，從而大大優(yōu)化鐵路運輸調度系統(tǒng)的管理，提高列車調度系統(tǒng)的進程和全面化調度集中系統(tǒng)，以此對鐵路運輸進行全面更新?lián)Q代。具體目標如下（數(shù)字化驅動的運輸調度系統(tǒng)目標示意圖如圖1所示）。

圖1 數(shù)字化驅動的運輸調度系統(tǒng)目標示意圖

第一，利用5G無線通信的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c使復雜的運輸網(wǎng)絡中各個節(jié)點信息能夠成功上載。通過大規(guī)模多輸入多輸出技術，在運輸網(wǎng)絡節(jié)點集中區(qū)域進行大數(shù)據(jù)上載，使得整個區(qū)域性網(wǎng)絡中的量級數(shù)據(jù)都能夠被傳輸?shù)竭吘墏鬏斁W(wǎng)絡。然后，通過數(shù)據(jù)的后處理，使得各個設備的運行數(shù)據(jù)和規(guī)律能夠直觀的展現(xiàn)出來。第二，使得鐵路運輸調度更加靈活、合理化。通過利用5G無線通信的超低時延特性，能夠使得列車指揮調度系統(tǒng)能夠實時地與車載終端和鐵路智能化設備進行信息互聯(lián)，從而建立交互式的通信數(shù)字化驅動的運輸調度網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)實時動態(tài)地調整即時調度策略。改善列車運輸調度中心與實際運輸之間的調度誤差。第三，改善鐵路運輸調度的效率。通過不斷地更新實時列車運輸信息并不斷地優(yōu)化調度策略，使正在執(zhí)行的調度策略始終處于最有效的狀態(tài)，大大提升了由于異構調度策略所帶來的執(zhí)行誤差。第四，改善鐵路運輸調度的定制化耦合管理。通過各個區(qū)域性運輸網(wǎng)絡的差異性，利用全連接數(shù)字化驅動方式，使得各個具備差異性網(wǎng)絡之間有機耦合，使其既不影響調度效率，還能相互耦合促進，從而達到區(qū)域性運輸調度的定制化耦合管理。第五，鐵路運輸調度管理、指揮、調度的智能自動化。一線運行、指揮調度和方案管理的有機結合離不開高性能的通信服務，通過超高可靠低時延的通信網(wǎng)將鐵路運輸調度的各個技術部門、服務部門和管理部門深度融合，建立應急響應、快速反應的一體化服務。

3 數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)的構成

基于5無線通信技術的“數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)”采用了基于多輸入多輸出、邊緣計算、網(wǎng)絡切片、協(xié)作通信等5G無線通信技術，實現(xiàn)鐵路列車、鐵路設備群和鐵路指揮、調度、管理系統(tǒng)的狀態(tài)共享、調度優(yōu)化和智能自動化管理。

3.1 數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)搭建

數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)及無線通信網(wǎng)絡為核心，以實際鐵路運輸網(wǎng)為基礎，從一體化鐵路運輸網(wǎng)展開，以實現(xiàn)數(shù)字化的信息驅動調度系統(tǒng)。數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)由列車車載系統(tǒng)、鐵路智能設備群、無線通信網(wǎng)絡、列車指揮系統(tǒng)、調度中心系統(tǒng)和調度管理系統(tǒng)等部分組成。數(shù)字化驅動搞運輸調度系統(tǒng)的涵蓋了鐵路設備群的所有信息數(shù)據(jù)，將這些量級數(shù)據(jù)信息通過多輸入多輸出無線通信技術傳輸?shù)椒植际酵ㄐ呕?，在通過分布式基站的數(shù)字化邊緣處理服務器對量級信息進行初始化處理，從而獲得運輸調度的數(shù)字化驅動基礎。調度管理系統(tǒng)通過這些量級的數(shù)字化驅動信息實現(xiàn)對一體化鐵路的全面監(jiān)控與管理。同時調度管理方案通過列車指揮系統(tǒng)和調度中心系統(tǒng)又通過下行的無線通信技術被廣播，以實現(xiàn)列車和鐵路智能設備群的實時監(jiān)控與控制。數(shù)字化驅動的運輸調度系統(tǒng)功能架構如圖2所示。

圖2 數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)架構圖

3.2 信息上載

在整個鐵路運輸網(wǎng)中，信息上載是整個數(shù)字化。

驅動運輸調度系統(tǒng)的基礎部分，通過鐵路運輸網(wǎng)與調度相關信息、列車及鐵路設備群信息和應急類信息的上載以獲得數(shù)字驅動信息條件。針對不同類型的數(shù)據(jù)信息進行有效的獲取及分類，是保證鐵路高效、智能運行的首先前提。多類型量級信息可以通過無線通信的方式被上載。通過5G無線通信的大規(guī)模多輸入多輸出技術來保證大網(wǎng)絡下的量級數(shù)據(jù)的整體上載，以保證數(shù)字驅動信息的有效性。此外，通過高壓電力線通信與無線協(xié)作通信，以保證應急事件信息的請求準確性。其中，應急事件的信息直接上載到裝備有邊緣服務器的分布式基站上。其他信息則被上載到數(shù)字化驅動終端調度系統(tǒng)。

3.3 數(shù)字化驅動調度處理與分析

數(shù)字化驅動調出處理與分析是數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢核心，包括應急事件的邊緣計算處理、定制化網(wǎng)絡切片、自動化調度優(yōu)化、數(shù)據(jù)后處理技術、一體化通信技術等。首先通過分布式的邊緣計算中心對應急事件進行優(yōu)先處理，并通過邊緣指揮中心下達執(zhí)行指令，以保證鐵路運輸網(wǎng)的正常運行與工作。與此同時，通過數(shù)字化驅動終端調度系統(tǒng)對區(qū)域性鐵路網(wǎng)進行定制化分析，然后再通過實時的列車運行環(huán)境，列車狀況和當前調度方案等信息實時地更新列車運輸調度方案。此外，數(shù)據(jù)后處理平臺，一方面通過數(shù)據(jù)挖掘技術對數(shù)據(jù)信息進行規(guī)律探索，以提高鐵路運輸?shù)男?，另一方面通過可視化技術將探索數(shù)據(jù)特征所得到的一般性規(guī)律經(jīng)行可視化，可視化方式可以通過散點圖、折線圖、熱點圖和3D實時地域分析等進行。通過對一體化鐵路運輸網(wǎng)信息的高速處理和數(shù)據(jù)后處理，提高鐵路運輸?shù)闹悄苄?、即時性和可靠性。

3.4 數(shù)字化驅動調度系統(tǒng)功能

全鐵路網(wǎng)調度。構建一體化鐵路運輸網(wǎng)，可以通過大數(shù)據(jù)通信進行全網(wǎng)互聯(lián)。列車指揮中心、調度管理中心和調度集中系統(tǒng)與列車和鐵路設備群相互發(fā)送調度相關請求與命令和運行信息。

遠程調度在線升級。通過安裝在列車上的開放式接口設備，利用無線通信的低延時高可靠特性可以對各區(qū)域鐵路網(wǎng)進行在線升級與修改。

鐵路運輸調度數(shù)據(jù)分析處理功能。根據(jù)自動報點、離線預測和調度方案統(tǒng)計分析，數(shù)字化驅動運輸調動系統(tǒng)可以自動優(yōu)化并產(chǎn)生運輸過程中所需要的統(tǒng)計信息。

確定列車或設備的實時性跟蹤定位。無線通信的超低延時為列車的上載鐵路公里標和地理經(jīng)緯度坐標提供了前提保證。列車指揮系統(tǒng)可以根據(jù)實時性的地理位置信息對每一輛列車和智能設備進行靜態(tài)或動態(tài)點追蹤，針對不同的顯示場景，數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)可以結合各種數(shù)字信息在指揮室的電子地圖上實現(xiàn)實時定位追蹤。

4 數(shù)字化驅動運輸調度系統(tǒng)的應用

考慮由鐵路總公司設分布式調度管理處、鐵路局設邊緣處理中心、列車調度總管理中心、列車運輸路線及智能設備等組成的某區(qū)域性鐵路運輸調度網(wǎng)絡。傳統(tǒng)的鐵路運輸線路的諸如運輸調度、設備維修等事件的信息交互處理大多基于第四代甚至不及第四代移通信技術，并且分級管理、集中式處理的方式大大降低了鐵路運輸調度和其他事件處理的效率，尤其是對于突發(fā)性事件。通過數(shù)字化驅動的鐵路運輸調度系統(tǒng)為這些問題提出新的解決方法。

（1）首先從實時性分類控制、分級處理的角度看，基于數(shù)字化驅動的鐵路運輸系統(tǒng)能夠實現(xiàn)列車指揮中心對該網(wǎng)絡中的每輛列車實現(xiàn)低延時通信的實時控制，基于5G的通信特點使這點成為了可能。區(qū)別于列車的控制，一些應急事件的優(yōu)先處理在每個區(qū)域性定制化網(wǎng)絡中的邊緣應急中心被就近處理，一方面通過邊緣針對性計算處理保證了應急事件處理的優(yōu)先性，另一方面邊緣計算處理充分發(fā)揮了本地處理的優(yōu)勢，大大降低了集中式統(tǒng)處理所帶來的計算延時和通信延時。

（2）從區(qū)域性鐵路運輸網(wǎng)的調度方案定制化的角度看，不同的鐵路線路規(guī)模，不同時刻經(jīng)過列車數(shù)量，軌旁智能設備數(shù)量和實時應急變故等因素共同構建了每個時刻、每個區(qū)域鐵路運輸調度的特殊化。通過5G無線通信超高可靠低時延的特點和網(wǎng)絡切片技術，能夠將多個獨立或耦合的區(qū)域性鐵路運輸網(wǎng)進行實時性調度優(yōu)化、應急處理和網(wǎng)絡定制化。結合列車運行環(huán)境、智能設備狀態(tài)合理地、科學地、適時地優(yōu)化運輸調度方案。不僅僅大大提高了復雜鐵路運輸網(wǎng)的靈活度，還為智能自動化運輸調度提供了基礎。

（3）從鐵路運輸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理角度看，數(shù)據(jù)是數(shù)字化驅動的運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)核心，原始數(shù)據(jù)用來即時性運輸網(wǎng)絡驅動，數(shù)據(jù)的后處理則用來表征運輸調度過程中的規(guī)律、可視化和方案探索，并對智能設備群、列車等硬件設備提供安全檢測。

數(shù)字化驅動的運輸調度系統(tǒng)可以根據(jù)原始的列車運輸調度、智能設備群的驅動數(shù)據(jù)對鐵路運輸網(wǎng)絡進行實時地網(wǎng)絡驅動，不僅如此還可以根據(jù)后處數(shù)據(jù)處理從經(jīng)驗數(shù)據(jù)中獲取學習能力，從計算機的角度綜合地、智能地分析出一體化的全網(wǎng)絡運輸管理方案。同時具有傳統(tǒng)鐵路運輸網(wǎng)的的分級管理、集中處理的優(yōu)勢，更具有更科學的數(shù)據(jù)管理分析能力，多類型事件分類處理能力和超強性定制化管理能力。

5 結束語

隨著鐵路科技和通信技術的急速發(fā)展，成熟的通信技術也與鐵路運輸網(wǎng)進行了深度融合，也使得鐵路運輸調度也逐漸趨向于標準化、高效化和安全化。具有鐵路運輸網(wǎng)的數(shù)字化管理，數(shù)據(jù)后處理，調度方案分析、指揮方案的優(yōu)化和運輸調度的一體化的數(shù)字化驅動的鐵路運輸調度系統(tǒng)具有很龐大的應用場景。數(shù)字化驅動不僅僅能讓鐵路運輸調度變得更具備操作性和分析性，還更能夠對實際運輸調度的模擬進行數(shù)字量化，從而使得鐵路運輸調度網(wǎng)絡具備更高的延展性。