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1、智能铁路系统,严 余 松,西南交通大学交通运输学院,一、智能铁路系统的概念,智能铁路系统(Intelligent Railway System,IRS)是新一代智能化铁路运输系统的总称，是铁路发展的智能化阶段，也称RITS。智能铁路系统IRS是对铁路运输系统的规划、设计、建设、运行与管理进行系统化与智能化，是依靠先进的信息技术和有效的运输管理手段，实现铁路运输管理和组织的智能化，用最少的投入，达到最大运输量与最高运输效率的铁路运输系统。智能铁路系统IRS的基本特征是将先进的信息技术、导航定位技术、数据通信传输技术、自动控制技术、人工智能技术、组合优化技术、图像分析技术以及计算机网络与处理技术等
2、有效地综合运用于整个铁路运输体系，建立起一种在较大范围内充分发挥作用的实时、准确、高效的铁路运输管理系统，使铁路系统具有主动、有效地适应运输市场需求的能力，实现铁路运营、控制和管理的综合化。,用户主体是服务面对的主要用户，是在某个服务领域指定需求的主体，他是进行需求分析，定义用户服务、用户子服务的前提与基础。结合我国铁路运输的具体现状，RITS用户主体分为三大类：路外用户(旅客、货主)、路内用户(运营管理部门、调度管理部门、安全管理部门)、相关部门用户(道路ITS、水运ITS、航空ITS等)，各类用户需求见表1，表2。,二、智能铁路系统的用户需求,表1路外用户及相关部门对RITS的需求,表2路
3、内用户对RITS的需求,根据路内外用户对铁路智能运输系统的需求，对相关的内容进行分类、合并、整理后得到RITS的服务框架，见表3。,三、智能铁路系统的基本服务框架,表3RITS的用户服务框架,智能铁路系统IRS的基本组成如下图所示。,四、智能铁路系统基本组成,智能运输管理系统（Advanced Transportation Management System，ATMS）。它是智能铁路系统的基本组成部分，通过自动编制各级运输计划，对车辆装卸和列车运行进行控制和指挥，根据运输市场的变化动态调整路网车流分布，智能生成各种运输方案，保证运输畅通和运输任务的完成，使铁路运输系统能主动适应运输市场的需求。
4、智能运输信息系统（Advanced Transportation Information System，ATIS）。通常是以向铁路各级管理人员和列车调度、控制与指挥人员提供运输信息与服务为目的，这是一个相当广泛的大系统，涉及到铁路运输管理及其相关的各个领域。ATIS以铁路运输管理信息系统TMIS为主体，包括财务、计划与统计、机务、供电与给水、车辆维修、工务、物资等管理信息系统和办公自动化系统等，ATIS提供及时、准确、完整的信息，实现对全路列车、机车、车辆、集装箱和所运货物的动态追踪管理。智能列车控制系统（Advanced Train Control System，ATCS）。这是智能铁路系统
5、的主要部分，它能根据列车运行情况及其外界环境的变化，实行自动化和半自动化的列车运行和道岔径路控制，使列车保持更高的速度和更短的间隔安全行驶。ATCS包括智能列车控制系统（车载计算机控制系统）、调度控制系统、车站控制系统、列车位置检测系统等。,智能用户信息系统（Advanced User Information System，AUIS）。包括先进的货运服务系统、客运预售票系统、旅客诱导与服务系统等，为用户及时、准确地提供各种客货服务信息，最大限度地满足用户的各种要求，提供各种便利、优质的服务。智能运输设施管理系统（Advanced Transportation Facilities Manage
6、ment System，ATFMS）。以铁路运输设施的高效管理为目标，其中主要包括铁路运输设施的完好状况和维护、维修需求信息的采集、处理和管理方案的制定等。它包括线路（含桥梁、隧道等）设施、机车车辆、电务设施、车站设施、通信信号设施等管理系统。智能运输安全管理系统（Advanced Transportation Safety Management System，ATSMS）。主要以铁路运输安全、畅通为目标，及时、准确地采集与提供铁路运输事故信息，迅速进行铁路运输事故的救援与处理，对铁路灾害进行预防与整治等。它包括铁路事故救援与处理系统、铁路综合防灾系统、铁路运输设施状态检测系统、铁路运输安全信
7、息系统等。,五、智能铁路系统IRS的总体结构,智能铁路系统有无线传输控制和地面有线传输控制两个层次。无线传输控制层由车载系统和无线信息传输系统组成，无线信息传输系统用于车载系统和地面有线控制系统之间交换信息。地面有线传输控制层由调度中心控制系统、车站控制系统、线路两侧控制系统及与它连地面传输系统组成。它连地面传输系统用于智能铁路系统与其它控制系统（如智能交通系统ITS、物流管理与控制系统等）之间交换信息。智能铁路系统的总体结构如下图所示。,六、智能铁路系统的关键技术,数据传输技术。数据传输技术包括计算机网络技术、无线传输技术等。在数据传输中还要考虑计算机网络的构成方式，考虑智能铁路系统的信息传
8、输网络与铁路通信网、铁路运输管理信息系统TMIS、铁路客票发售和预订系统PMIS、调度管理信息系统DMIS、车辆管理信息系统CMIS等现已投入使用或正在建设开发的诸多管理系统的衔接和充分利用。列车位置检测技术是智能铁路系统的极其关键的技术，在确定列车位置时可有轨道电路、全球卫星定位系统GPS等，从长远看，全球卫星定位系统GPS和地理信息系统GIS在列车位置检测方面有较好的应用前景。列车自动操纵技术是在间隔控制的容许范围内利用列车导航系统（Train Navigation System）自动根据列车运行计划对列车进行起动、加速、惰行和制动等。它除了保证安全、保证列车以最低的能耗按计划运行外，还为
9、调整列车运行计划提供了很大的灵活性。,进路自动控制技术。进路自动控制按照传统的方法是由行车调度系统来控制完成的，有由调度所控制（如调度集中CTC）或车站控制两种方式，无论哪种方式司机都不能介入。但在智能铁路系统中在确有必要时（如为了安全的需要在情况紧急时）却可以由司机直接控制道岔办理进路，此时列车运行系统包括了调度系统的部分功能。车站作业自动化技术是包括编组站驼峰作业自动化、列车到发及调车作业进路控制自动化、作业计划编制与下达自动化、货运站作业自动化、客运站客流信息处理自动化、行包作业自动化、旅客问询自动化等，也是智能铁路系统中实现难度最大的关键技术，应综合考虑，逐步实施。,七、智能铁路系统的
10、特征及优势与传统铁路系统相比较，智能铁路系统有高科技、高智能、高综合和高竞争力等特性。优势表现在：运输组织和管理。先进的运输管理系统ATMS使得对数十万辆货车的实时管理成为可能，从而实现列车编组管理的自动化。在ATMS中，能够较准确地确定列车会车和通过车站的时间，并将运行管理方案和线路情况预告自动传递给车载微机系统，从而减轻调度员的工作负荷，提高安全性和工作效率。在ATMS中，调度员还可以随时掌握运行中列车的各种状态，及时发出调整命令，精确的列车到达时刻可以给终点站和编组站工作人员更精确的列车到达信息，从而使枢纽内的车流调度决策系统和编组站站调决策系统做出的工作计划和人员安排方案更容易兑现。在
11、列车运行调整方面，由于可按比最小运行间隔稍大的追踪间隔时间组织列车追踪运行和可自动调整列车运行速度，从而提高了列车运行调整的弹性。,安全性。智能铁路系统革新了传统铁路的列车控制和管理方式，并设有先进的运输安全管理系统ATSMS，能够防止人为失误造成的事故，也可以对铁路运输设施进行状态检测消除事故隐患，保证整个铁路运输系统的安全。运输能力和运输效率。新系统可以缩短列车追踪间隔，提高线路的通过能力。也可以有效地利用站线设施，提高各种运输设备的能力，合理地组织各项运输作业（包括合理地组织枢纽车流，合理地组织小运转列车的运行，有效地组织解体、编组作业等），有效地降低运输成本，提高铁路运输省线路和运输设
12、备的维护和管理。可以提供准确的列车到达时间，从而做出最佳的维修计划，提高线路和运输设备的维修效率。先进的运输设施管理系统ATFMS可以及时地检测运输设施的状态，及时进行维修。运输服务质量。IRS可以提供准确及时的客货运输信息，改善铁路运输服务质量，提高服务效率，提高整个铁路系统的综合实力和竞争能力。,1、先进列车控制系统ATCS 先进列车控制系统ATCS是北美铁道协会共同开发的，其基本设计思想始于1983年在加拿大蒙特利尔举行的有加拿大和美国等北美铁路官员参加的会议上。原来的列车控制系统由于技术运用的不当而在有效性方面受到很大限制，一个自然的想法是将微机（微处理器）设置到铁路移动设备上，并通过
13、数据无线电系统与中央控制系统连接起来，从而组成一个安全水平和效率都是以前的运输系统所达不到的新型系统，这就是ATCS的最初动机。ATCS有4个功能级，分别称作10级、20级、30级和40级，以便不同的线路根据具体情况选用。30级系统主要由中央调度室、无线电数据传输系统、机车或或其它移动设备上的车载系统和固定的道旁系统4个部分组成。其系统结构如图所示。,八、国外智能铁路系统简介,中央调度室保留了传统的语音控制台，设有由计算机控制的调度控制台。调度台上的计算机与ATCS数据系统紧紧相连，协同工作，并通过无线电数据传输系统与车载计算机直接相连，因而在每一台机车或其它直接与数据系统连结起来共同工作的移
14、动装置上都配有计算机。,无线电数据传输系统是ATCS系统的支柱，它将在机车或其它移动设备上的车载系统、轨道上的固定道旁设备（控制点）与中央调度室联结起来构成一个整体。无线电数据传输系统的关键是合理地设置语音及数据基地站。固定的道旁设备包括道旁接口装置及通过该装置控制的电动道岔、道岔融雪器和通过无线电系统传输命令的其它装置。道旁设备还包括轨道应答器，它是测定列车确切位置的基础设备，因而也是ATCS预报系统的基础。机车或其它移动设备上的车载系统是ATCS的重要特征，车载计算机能够处理各种数据信息，包括列车移动情况、线路特征、列车编组情况、机车工况和其它必需的数据，从而使列车具有智能。它还可以进一步
15、模拟列车的运行和机车司机的操纵动作，并在必要时发出警告或实施制动。机车上设有两个独立的显示板，一块显示板主要用来显示列车运行情况和线路特征；另一块用来显示列车编成情况，当有车辆被挂上或摘下时在机车或中央控制室可更改列车编成。在ATCS系统中，有关列车控制的大部分功能集中于地面中央调度室和机车上，沿线分散设置的信号机可全部撤除，司机通过车载计算机根据中央调度室的控制指令控制列车，中央调度室的调度员根据计算机上显示的列车运行状况，对若干有关联列车进行控制判断并通过计算机下达每个列车的运行计划以及控制指令。中央调度室与列车间的信息传输使用无线电传输。,欧洲铁路运输管理系统ERTMS在欧盟的提议下于1
16、995年12月确立了由意大利国家铁路，法国国营铁路，德国铁路公司组成用户组，并委托它们在意大利、法国、德国的实验区段上进行新系统的实验，确定欧洲规范的最后版本。这个用户组对其它欧洲国家铁路的加入是开放的，目前正在准备将荷兰铁路和西班牙铁路加入到用户组。ERTMS的核心是欧洲列车运行控制系统ETCS和超速防护系统，并将在未来增加用于列车调度控制的设备或支持商业性运输工作的设备等。运用ERTMSETCS系统，可以通过提高速度和缩短列车间隔来提高运输效率，通过取消地面信号和轨道区段空闲检查设备及相应电缆来节省线路基础设施，提高竞争能力。,2、欧洲铁路运输管理系统ERTMS,ERTMSETCS系统有不
17、同的配置，或称为不同的级。在第一级中，通过地面应答器将行车命令传给列车。为了在对信号处理之后收到新的行车命令，列车以开放速度运行并接近下一个应答器，开放速度由列车与信号机后危险点的距离决定，应答器安装在信号机附近。为了在这种情况下提高能力，可以在信号机前的接近区段内再安装一个前置应答器，或者使用一个半连续传输信息的设备（如欧洲环线Eruoloop）。第二级在第一级的基础上，增加了行车命令无线传输功能，行车命令从区段中心即无线闭塞中心RBC传给列车，列车运行不再依靠地面信号机。轨道区段是否空闲的检查由地面设备完成。第三级在第二级的基础上，增加了监视列车的完整性（确定列车是否完整），报告其后面的线
18、路是否空闲的功能。ERTMSETCS系统各级的基本情况如图所示。,新干线最初一直使用CTC调度集中管理方式。随着列车运行密度不断提高，线路里程和车站数量不断增加，CTC方式越来越难以满足列车运行的要求。鉴于此，日本开始开发列车运行管理系统，1972年冈山线开通的同时，最初的COMTRAC系统投入使用，经过不断完善，使用至今。1995年JR东日本公司又开发了功能更强的新干线新型列车运行管理系统COSMOS。COMTRAC系统 COMTRAC系统就是利用计算机对新干线的行车进行全面管理的系统，其具体目标是根据运输变化的需要编制并传达包括车辆及乘务员运用在内的合理的运输计划，在运行图发生紊乱时编制并
19、传达运行调整的运行图（包括车辆、乘务员运用），实现与此相应的自动进路控制。COMTRAC系统由运输计划系统、车辆管理系统、运行管理系统、旅客引导系统、资料管理系统和系统管理系统组成。,3 日本新干线列车运行管理系统,运输计划系统主要编制修正运行图及运量波动时的列车、车辆及乘务员运用计划，在基本计划、临时计划的基础上制定每日列车、车辆的运用计划。车辆管理系统根据运行实施计划和编组别使用实绩，配置适量车底、进行车辆检查的指定，进行与车辆保养有关的各种数据管理和进行检修作业指示。运行管理系统主要监视列车运行，进行未来列车运行图预测，在列车运行紊乱时进行列车运行调整的处理，把列车运行图的变更、列车晚点
20、等信息传送给车站、运转所，同时传送给车辆和乘务员运用、资料管理及新干线管理信息系统SMIS，根据列车运行图设定进路等。旅客引导系统为车站的自动广播、控制发车指示牌等传送列车运行信息及旅客晚点信息。资料管理系统统计每日列车、车辆及乘务员的运用实绩，根据计划及实绩数据进行统计分析。系统管理系统对COMTRAC系统进行系统内部管理。,COSMOS系统 东日本公司1995年开发成功的新干线新型列车运行管理系统COSMOS，它是在计算机辅助行车控制系统COMTRAC和新干线管理信息系统SMIS的基础上对硬件、软件和网络进行改进和完善而研制开发成功的。COSMOS系统由运输计划、运行管理、维护作业管理、设
21、备管理、电力控制、集中信息监视、车辆管理、站内工作管理等8个子系统组成。运输计划系统进行列车设定、车辆运用、驾驶员运用、列车长运用等业务，可自动实现各自基本计划、波动计划、临时计划作业，并对判断业务进行支持。另外还可制定车辆的中、长期检修计划，支持根据检修计划而编制的车辆分配计划。日计划以天为单位向运行管理系统传达，第二天以后的计划向车站、运转所、车辆基地、公司总部、分公司等单位传达。计划运行图也向维护作业管理部门传达。,运行管理系统是支持列车运行管理的系统，它由中央运行管理和车站运行管理通过专用通信网连接而成。在中央运行管理处，通过直接操作显示屏幕画面上的运行图，在改变运行图的同时，画面上构
22、成进路的显示也一并进行。车站运行管理由车站PRC（程序进路控制）管理、控制部分及旅客向导组成。管理部分主要用来进行进路控制、车站信息管理、车站运行时刻表管理、车站手动控制及系统管理等工作。控制部分从管理部分接受进路构成指示对进路的冲突判断等条件进行检查，然后向联锁装置输出。旅客向导装置则是对旅客进行向导广播，对显示牌等进行控制。维护作业管理系统进行维护工作的计划、管理等业务，中央系统与维护工作区通过公用通信网络连接起来，它把每天的作业计划存储在中央计算机中，并对当天的工作开始、结束以及进入新干线设施内的情况进行管理。设备管理系统是对设备进行信息管理的系统，通过公用通信网与中央维护区系统相连接而
23、构成。,电力控制系统是对变电所进行控制和进行定时送电管理的系统，它通过专用通信网与中央计算机连接在一起。集中信息监视系统是对沿线的防灾信息及设备进行监视的系统，它可以对维护工作的开始、结束进行监视，对各种设备进行集中监视和远程遥控操作，在发生地震等灾害时显示处理守则等。车辆管理系统是对车辆的检修、故障数据的履历管理及装备部件管理予以支持的系统。它通过公用通信网与中央系统连接，履历管理在中央系统进行，与部件有关的管理在车辆基地的数据库上进行。站内工作管理系统是对运输计划系统生成的检查计划、对车辆基地内的具体工作及人员的派遣场所、时间的分配和伴随着这些分配而产生的基地内的切换计划的生成、进路控制等进行管理的系统。COSMOS系统的显著特征是以列车运行计划管理为中心，对所辖各站进行集中式的进路控制，实现了闭环的监控，具有很高的自动化水平。运输计划管理系统包括从基本运行图的生成、修改，到波动计划、实施计划的产生等核心内容，并以此形成了围绕列车运行的、周密的运输计划制订程序，从宏观上规定了全线运输的秩序，值得我国借鉴。,
