1、基于RITS體系下的智能鐵路運輸系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計0前言發(fā)達(dá)國家的鐵路智能化研究領(lǐng)先于我國，并產(chǎn)生了較為先進(jìn)的鐵路交通系統(tǒng)，例如美國的IRS,歐洲的ERTMS以及日本的CyberRail等。這些國家在鐵路智能系統(tǒng)的研究上，都具有各自的特點，日本將研究的重點放在安全保障、服務(wù)集成上；而歐洲則是將研究的重點放在將鐵路系統(tǒng)的一體化、更加效率、環(huán)保以及更加智能上2。其發(fā)展方向主要表現(xiàn)為：貨運高速化、客運高速化、接入多樣化；而向細(xì)分運輸需求的技術(shù)與裝備的譜系化；運輸組織、安全保障與服務(wù)的一體化支持?jǐn)U能、能力保持與低成本運營的智能化技術(shù)、系統(tǒng)與裝備的清潔化、人性化和高能效化；支持互操作的技術(shù)、裝備和標(biāo)準(zhǔn)國際

2、化。雖然各個國家在鐵路交通系統(tǒng)中的技術(shù)研究方向不同，但都是以智能化交通為目的，在發(fā)展的過程中逐漸發(fā)展到數(shù)字鐵路，再向智能鐵路的方向發(fā)展。智能鐵路系統(tǒng)要滿足運輸數(shù)字信息化、鐵路系統(tǒng)的自動化以及全面智能化的發(fā)展道路3。其中，數(shù)字鐵路所指的就是是在鐵路的運輸管理系統(tǒng)中，將所有可用的資源信息進(jìn)行數(shù)字化，其關(guān)鍵點是對復(fù)雜狀態(tài)的感知以及對各種交通信息的可視化處理等4。我們可以將智能鐵路交通理解成在對鐵路信息的全面理解的基礎(chǔ)之上，來對資源進(jìn)行集成，完成對鐵路交通各類資源以及業(yè)務(wù)流程的協(xié)調(diào)，以使用較低的成本來達(dá)到理想的運輸效。1基于RITS體系下的智能鐵路運輸系統(tǒng)1.1智能化鐵路數(shù)字鐵路的概念內(nèi)涵概括為對與鐵

3、路相關(guān)的所有資源、運行時空內(nèi)所有變化軌跡的集合進(jìn)行數(shù)字化5，實現(xiàn)數(shù)字化的最為重要的技術(shù)主要是指對狀態(tài)進(jìn)行精確而全面的感知、實現(xiàn)傳輸、大容量的信息傳輸?shù)膶崿F(xiàn)、融合處理以及進(jìn)行高效的可視化的表達(dá)等等6；在信息全面收集，然后傳輸，之后進(jìn)行處理并共享集成的過程，優(yōu)化了鐵路各業(yè)務(wù)流程和資源配置的過程即為智能鐵路。智能鐵路實現(xiàn)的關(guān)鍵在于優(yōu)化控制，知識決策的介入以及計算任務(wù)求解過程的支持，從而實現(xiàn)成本的最小化、安全保障以及效率提升，優(yōu)化經(jīng)營。鐵路運輸系統(tǒng)是一個龐大的信息集合體，具有全面狀態(tài)的感知、信息及時交流、超級計算以及協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)實現(xiàn)等功能。在信息共享的基礎(chǔ)上，對鐵路業(yè)務(wù)進(jìn)行集成并實現(xiàn)流程的協(xié)調(diào)。基于這些技

4、術(shù)實現(xiàn)鐵路系統(tǒng)對效率、安全準(zhǔn)時、優(yōu)化資源配置更高的要求7，這也是深化智能鐵路系統(tǒng)研究與應(yīng)用的主要原因。InteGRail正是順應(yīng)鐵路運輸系統(tǒng)發(fā)展而開展的歐洲鐵路一體化研究項目，其目的是通過感知、集成和共享信息實現(xiàn)鐵路主要業(yè)務(wù)流程的協(xié)同一致，提供全局化決策支持，進(jìn)而實現(xiàn)客運及貨運延遲最小化、網(wǎng)絡(luò)運量最大化、基礎(chǔ)設(shè)施及車輛可靠性最大化、成本最小化的目標(biāo)。InteGRail有如下特點:（1）可使鐵路信息在鐵路沿線共享，得到最優(yōu)運營決策；（2）能成功識別所需共享信息，并確保信息的正確性；（3）維修流程優(yōu)化中，能有效地確保信息使用；需求管理中，能有效地整合有用信息；（4）能確保信息高效傳遞給決策者；1.

5、2RITS定義RITS的定義：對先進(jìn)的信息處理技術(shù)、通信、控制與系統(tǒng)、計算智能與決策支持系統(tǒng)進(jìn)行集合8。在對信息收集處理與傳輸共享的工作之上，對所有與鐵路運輸相關(guān)的移動或者固定的時空、人財?shù)荣Y源進(jìn)行有效利用，在較低的成本投入下，實現(xiàn)安全、高效、優(yōu)化經(jīng)營管理、提高服務(wù)水準(zhǔn)等鐵路系統(tǒng)新一代的功能定義9。RITS系統(tǒng)的本質(zhì)是將智能運輸系統(tǒng)技術(shù)和鐵路運輸系統(tǒng)連接，形成一個完整的新一代的鐵路運輸系統(tǒng)，集成了智能控制、管理和決策功能，將與國際接軌10。1.3RITS體系特征RITS追求的安全高效、綠色低碳、自然和諧、需求驅(qū)動的自治系統(tǒng)11。：多因素系統(tǒng)通常較為復(fù)雜，主要特征體現(xiàn)在以下幾個方面：互連和信息共

6、享：RITS功系統(tǒng)功能整合對子系統(tǒng)和子系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間的有機(jī)連接是必然的，以確保流暢高速通信和及時的信息共享。智能處理：系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)交通控制、智能處理綜合調(diào)度、資源管理和經(jīng)營管理，帶來一個高度智能化和獨立的鐵路生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)。協(xié)同工作：RITS的定義是將固定設(shè)施、移動設(shè)備和維修設(shè)施集合在一起，成為一個有機(jī)協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，從而實現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，從而提高運輸效率，提高安全保障。按需分配在整個系統(tǒng)方面實現(xiàn)信息共享，并根據(jù)實時需要，將系統(tǒng)內(nèi)外信息動態(tài)分配，滿足各層面信息需求，實現(xiàn)高效、低碳環(huán)保并按需要進(jìn)行驅(qū)動的功能。1.4RITS的目標(biāo)RITS的系統(tǒng)目標(biāo)是實現(xiàn)軌道交通運輸全過程的可測、可視、可控與可響應(yīng)

7、?？蓽y：軌道交通系統(tǒng)不同層次、粒度狀態(tài)的可感知性；可視：軌道交通系統(tǒng)運行過程可觀測性、可表達(dá)性與可理解性；可控：軌道交通系統(tǒng)業(yè)務(wù)過程可控性與可管理性；可響應(yīng)：軌道交通系統(tǒng)對服務(wù)需求的可滿足性與服務(wù)品質(zhì)。2RITS體系框架結(jié)構(gòu)設(shè)計RITS體系框架用于確定和描述提供全部鐵路智能運輸系統(tǒng)用戶服務(wù)所必需具備的功能，以及實現(xiàn)這些功能的子系統(tǒng)、各子系統(tǒng)之間及其與外部環(huán)境之間的接口和信息流。RITS系統(tǒng)的從下到上層次框架分為5層13,如圖1所示。為實現(xiàn)傳感層面功能，使用最前沿的傳感技術(shù)設(shè)備，對鐵路移動設(shè)備、固定設(shè)施以及各類環(huán)境變化下的各類信息適時收集存儲、處理傳輸，根據(jù)需要保障整體運輸效率。傳輸層面大容量信

8、息，如車輛間、車輛與地面間的信息交互，為融合層的持續(xù)供應(yīng)數(shù)據(jù)資源。融合層在元數(shù)據(jù)模型和互操作技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)上，采用分布式并行的計算方式，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)的可視化等重要功能。14，支持管理和決策的過程需要。孟liUl旦於力聶爭.ri駅e-iiSTi.5iJtM恥aWitfi*XltS?1H丟電子商嘴畧土吐務(wù)電fiS埠st也aiiH潘畳苗強(qiáng)曼硏臨轅底.k-.1C:7-：.*.葉那嚴(yán)吃：SIrr-?-k啟淫捕工盟Jit圖1RITS分層體系框架內(nèi)部業(yè)務(wù)層能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的組織管理功能。基于融合層的系統(tǒng)信息融合，滿足了運輸組織狀態(tài)監(jiān)測設(shè)施，鐵路系統(tǒng)的維修需求，在最大層面上保障了服務(wù)層功能的實現(xiàn)。服

9、務(wù)層相匹配的是鐵路服務(wù)功能為外部業(yè)務(wù)層15，為實現(xiàn)用戶需求，將實現(xiàn)層鐵路運營管理和運輸資源等實際情況納入考量，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。層與層的關(guān)系，高層對底層的需求，底層對高層的支持等，此類關(guān)系在RITS體系框架內(nèi)協(xié)調(diào)配合，有效降低了鐵路各個子系統(tǒng)之間的耦合性，使得各層通過前沿的技術(shù)手段，有效提升該層的工作性能。另外，由于各層次間的接口位置固定，為之后的系統(tǒng)優(yōu)化升級留下可操作的空間。整體而言，具有不同層次的鐵路運輸系統(tǒng)都被納入進(jìn)RITS。較低的3層可以實現(xiàn)數(shù)字化鐵路，具有鐵路資源的數(shù)字化功能，體現(xiàn)運營環(huán)境的時空變化。數(shù)字化的基礎(chǔ)之上，梳理優(yōu)化各鐵路業(yè)務(wù)流程，協(xié)調(diào)整合各類資源，集合為“智能鐵路”。各種

10、資源分配給鐵路運輸服務(wù)的需求，以及服務(wù)層的功能是RITS服務(wù)層的最終全面實現(xiàn)后16。3主要技術(shù)支持與發(fā)展方向3.1主要技術(shù)支持要實現(xiàn)可測量和控制，收集視覺信息，并進(jìn)行反應(yīng)的功能，物聯(lián)網(wǎng)（也稱傳感網(wǎng)），進(jìn)行大容量的通信以及互操作、云計算和知識推理，并保證網(wǎng)絡(luò)安全等六項關(guān)鍵技術(shù)不可或缺。這六大關(guān)鍵技術(shù)分別服務(wù)于RITS的不同層次，與RITS體系框架各層的關(guān)系見圖2。RITS實現(xiàn)層知識推理云計算融合層計算智能J）群智能）分布式、并行計算初級云/泛在、異構(gòu)協(xié)同的安全云/智能鐵路自治系統(tǒng)互操作傳輸層感知層物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全AGENT、XML、元數(shù)據(jù)/語義網(wǎng)絡(luò)、本體、實體互操作/IP分組寬帶有線、無線技術(shù)/全

11、IP工業(yè)寬帶融合網(wǎng)技術(shù)/數(shù)字物理系統(tǒng)/泛在網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模協(xié)同式網(wǎng)絡(luò)信息安全保障體系/高可信互動式網(wǎng)絡(luò)信息安全保障體系大容量通信自適應(yīng)體、操作2010年2013年2020年自組織、自維持的智能云后IP下一代寬帶工業(yè)網(wǎng)技術(shù)“塵?！奔壸灾骶W(wǎng)絡(luò)高可用自組織網(wǎng)絡(luò)信息安全保障體系2030年圖2關(guān)鍵技術(shù)鐵路智能化的發(fā)展在有線和無線網(wǎng)絡(luò)的安全方面提出了更高要求。有線網(wǎng)絡(luò)安全主要研究防火墻、密碼、數(shù)字水印、入侵檢測和病毒檢測等技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)安全的研究集中在安全路由、安全聚合、密鑰管理、身份認(rèn)證和異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)安全等方向。在RITS中，這些技術(shù)可分別應(yīng)用于數(shù)據(jù)獲取、網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用管理。物聯(lián)網(wǎng)（傳感網(wǎng)）技術(shù)主要有射頻識別

12、（RFID）傳感器網(wǎng)絡(luò)和檢測技術(shù)。一般來說，RFID技術(shù)用于列車、乘客、車站、固定設(shè)備等靜態(tài)信息的采集，而傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于列車運行狀態(tài)、軌道狀態(tài)、鐵路防災(zāi)系統(tǒng)的動態(tài)信息采集等17專有的大容量信息網(wǎng)絡(luò)可分為3類：車輛、汽車和地面。這和國內(nèi)車輛設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接中的應(yīng)用研究，國外主要集中在TCN網(wǎng)絡(luò)。在車載、無線局域網(wǎng)、GSM-R、WiMAX和WiFi網(wǎng)絡(luò)之間的大容量無線傳輸領(lǐng)域，國內(nèi)外都進(jìn)行了應(yīng)用和現(xiàn)場測試。地面數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獞?yīng)用是MSTP網(wǎng)絡(luò)和基于IP的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。所謂的云計算就是網(wǎng)絡(luò)交付信息的一種共享型服務(wù)模式。云計算為RITS系統(tǒng)適時提供了動態(tài)數(shù)據(jù)，保證了基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的穩(wěn)定與靈活，虛擬了鐵路資

13、源和應(yīng)用程序，建立起了不同類型的系統(tǒng)之間的應(yīng)用通道。要解決分布式異構(gòu)系統(tǒng)集成應(yīng)用難題，互操作性是實現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)協(xié)調(diào)的核心所在。目前，歐美國家和中國都開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究。在RITS系統(tǒng)框架中，互操作技術(shù)對于實現(xiàn)資源管理大量的信息交互功能意義非凡，包含運輸組織調(diào)度、安全監(jiān)控、客運和貨運服務(wù)、綜合運輸?shù)饶K。知識推理包括推理的子系統(tǒng)、知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘等過程在內(nèi)。核心是復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下的建模、基于本體的知識表示和基于智能代理的動態(tài)協(xié)作。RITS系統(tǒng)內(nèi)知識推理技術(shù)在目前的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運行和維護(hù)的安全監(jiān)控、交通組織優(yōu)化、智能乘客信息服務(wù)等有方面有著生動案例3.2發(fā)展方向智能化程度高、中、低三個等級的RITS對應(yīng)著系統(tǒng)的發(fā)展至今的3個重要階段：初級階段是數(shù)字鐵路和鐵路全信息階段；中級階段是智能鐵路協(xié)同整合階段；高級階段是鐵路高層次的獨立階段。如圖3所示。咼級中級初級2020年2010年2013年2030年圖3RITS發(fā)展模式我國獨有的發(fā)展模式是指導(dǎo)策略是具體工作的支持。學(xué)習(xí)國外鐵路智能化的發(fā)展戰(zhàn)略,RITS壓迫以關(guān)鍵績效指標(biāo)