关于铁路智能运输系统的研究.docx

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关于铁路智能运输系统的研究

关于铁路智能运输系统的研究

铁路智能运输系统是集成了现代通信技术、现代信息处理技术、自动化控制技术、管理与决策技术等多门现代高新科技，以实现信息采集、传输、处理和共享为基础，通过高效充分地利用与铁路运输相关的所有移动的、固定的、空间的、时间的以及人力的资源，以较低的成本达到保障运输安全、提高运输效率、改善经营管理和提高服务质量为目的的新一代铁路运输系统。

在大多数国家中，铁路系统分为国家正线铁路和企业自备铁路两个部分，国家正线

铁路面向跨地区的旅客、货物运输，常常是一个国家的重要经济命脉;企业自备铁路作

为正线铁路的延伸，由非铁路企业自身建设与管理，主要任务是在企业内部承担原材料、

产成品的进出以及半成品的内部运输，是企业生产的重要基础设施。

铁路智能运输系统RITS主要是针对正线铁路提出的概念，但是其中体现的铁路运输

调度的信息化、智能化发展方向同样得到了企业铁路的重视。

我国企业铁路信息化和智能化的开发和建设在最近20年间已经取得了长足的进展，

并为未来的发展打下了较好的基础。

但同时也应看到，企业铁路信息化和智能化的研究、

开发和应用都是在企业铁路传统业务划分下，由各个业务部门按照各自的需求独立发展

起来的，只起到了推动各个业务部门内部信息化的发展，没有能够在统一的智能运输系

统框架指导下形成有机的整体，各个业务系统标准不一，水平不同，不能互联，更难以

做到信息共享，这就从总体上削弱了已有信息系统功能的发挥，降低了这些系统在实际

应用中的效率和效益，对提升企业铁路运输能力、保障安全、提高设备维护管理水平、

促进管理流程改进等方面没能显现出信息化和智能化的强大生命力，并在某种程度上造

成了信息化和智能化建设的重复投资。

这已成为我国企业铁路发展过程中一个鱼待解决

的突出问题。

近年来随着计算机网络技术、计算机控制技术和无线通信技术的迅速发展，在企业

自备铁路领域陆续展开了用高新技术改造传统铁路运输模式的研究，目的在于提高铁路

运输效率、增强铁路运营安全、减少环境污染，目前己广泛建立的系统有计算机联锁系

统、微机监测系统、调度计划管理系统、物流管理系统等等，这些系统对企业运行效率

的提高都起到了积极的作用，但是就目前而言，这些系统都是相对分散、相互独立的系统，无法作为一个协调的整体来进一步发挥作用，也限制了运输效率的进一步提高，需

要在一个更高层次的规划上进行整合。

这种思想也符合正线铁路的发展策略，铁道部在

“十五”规划里就提出了要整合现有信息系统的设想，在铁路智能运输系统的框架结构

中亦提出，信息共享是铁路智能运输系统刃TS中的基础，也是RITS中的一项标志性功

能[9][34]11251。

企业铁路智能运输调度系统正是借鉴了铁路智能运输系统班TS的技术思想，主要针

对企业铁路的运行特点，在企业铁路信息化、智能化建设新的发展阶段提出的，以信息

化协同工作为主要出发点的概念。

，.2铁路运输调度的技术发展历程

在铁路的发展早期，铁路的运输生产调度都是采用人工调度。

行车调度员用专用的

调度电话向所管辖的车站值班员传达运输计划和各种行车命令，车站值班员把车列到站

和出发时刻用调度电话报给行车调度员，行车调度员用铅笔和尺把车列运行情况画在运

行图上。

行车调度员的指挥手段和设备不过是一只铅笔，一把尺子，一块橡皮，一张图

而已。

随着经济的发展，运输、生产作业量越来越大，国民经济发展中的运输压力越来

越大，原有的人工调度己不能满足铁路发展的需求。

从二十世纪五十年代开始，世界铁路的信号控制技术开始进入电气时代，主要标志

是铁路信号电气集中控制系统的出现，尤以6502电气集中联锁系统为代表。

在上个世纪

六十年代到八十年代，我国在国家正线铁路和企业自备铁路中装备了大量的6502系统，

至今在我国铁路信号控制中，6502系统仍然占据大半份额。

随着计算机技术的发展，国际上在二十世纪七十年代开始发展计算机联锁系统，其

中以北美的ATCS（AdvnaeedTrainConrtolSysetm）为代表，它是70年代末期，由加拿

大铁路公司最早提出的，之后又有美国铁路公司参与研究，1984年由美国铁路联合会

和加拿大铁路联合会共同宣布建成。

欧盟为了实现欧洲各国铁路互通运营，提出了ETCS

（EuropenaTrainControlSystem）。

该系统的最大特点是提出了ETeS总线，可以与各国

铁路系统兼容[45l。

进入八十年代后期，我国开始引入以PLC为主要技术架构的计算机联

锁系统，但基本还处于试验阶段;到了九十年代初期计算机联锁系统逐渐在企业自备铁

路中开始推广，目前在我国企业自备铁路中装备计算机联锁系统的站场规模仅达到1.2

万组道岔，占企业自备铁路总规模的10%，而国家正线铁路的装备规模仅为5000组道岔，

占国家正线铁路总规模的5%，因此计算机联锁在我国仍然有巨大的发展空间。

从上个世纪末开始，铁路智能运输系统RITS的概念开始逐步发展，已成为铁路运输

调度技术发展的新方向。

租TS是对新一代智能化先进铁路运输系统的总称，是铁路运输

调度发展的智能化阶段。

它利用计算机技术，现代通信技术，现代信息处理技术，控制

与系统技术，管理与决策支持技术和智能自动化技术，实现信息采集，传输，处理和共

享。

智能铁路系统是对铁路运输系统的规划、设计、建设、运行与管理的系统化与智能

化，依靠这些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，

以较低的成本，达到保障安全，提高运输效率，改善经营管理，提高服务质量。

国际标

准化组织、欧盟等国际组织和一些发达国家相继制定、实施了标准化战略，为推动智能

交通运输的快速发展，各国普遍从战略上高度重视租TS标准化研究工作，主要特点是:

重视基础标准的制订，特别是术语标准、符号和标记标准，互换性和兼容性标准等。

租TS涉及的领域相当广，根据系统的不同功能，RITS至少要包含三个子系统:

一

是先进的运输管理系统ATMS（AdvnaeedTrnasportMnaagementsystem），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与指挥，动态调整路网车流分布，智能

生成预防策略，保证运输畅通和运输任务的完成。

第二个子系统是先进的用户信息系统

Auls（Advnaeeduse:

Inofmrationsystems），包括先进的货运服务系统等。

三是先进的

列车控制与安全系统ATCSS（AdvnaeedTrainControlnadSaeftySystem），包括智能列车

控制系统，道旁接口单元系统等，能根据列车运行外界环境的变化，实行自动化和半自动

化的行车和道岔径路控制等[川[44]。

在RTIS技术领域，有代表性的发展计划及成果包括:

（l）日本铁道技术综研所盯咫（JpanaRailw盯TeehnologyRearehInstiutte）于2000

年开始着手基于信息综合和通信技术的铁路智能交通系统的研究，提出了21世纪有效使

用公共交通系统的联运系统概念，称为数字铁路系统（CyberRali）。

CyberRali是一个运

用移动无线通讯和互联网技术的TIS铁路系统，主要实现的功能为:

.提供联运交通信息和指南;铁路相关信息分发与流通的管理;联运交通运营计划

的管理;高级调度系统;

.面向需求的交通计划和时间表优化;

.智能列车控制，这类用户服务实现了基于通信的列车控制系统。

目前，为了实现CyberRali计划，日本铁道技术综研所成立了专门的研究小组，已经

讨论制定出用户需求、总体结构、若干所需的基本技术和一些标准化问题I’81136]。

（2）欧洲共同体于1989年12月设立了欧洲铁路运输管理系统项目ETRMSE（uorpena

RaliTrafficMnagaementSyestm），作为欧洲21世纪干线铁路总体解决方案。

ETRMS系统

第一章绪论

以ETes（EuropenaTrainControlSystem）为标准、GSMR为平台、欧洲点式应答器为定位

手段，包括ETCS、GSM一R和运输管理3个子系统。

ETRMS甩TCS是典型的铁路智能运输系统，其标准主要分为4个级别:

.结构级标准，包括系统结构标准、路旁子系统结构标准、车载子系统结构标准;

.功能级标准，包括应答器功能标准、沿线电子单元功能标准、路旁GSM一R功能

标准、RBC（无线闭塞中心）功能标准、欧洲环线功能标准、无线嵌入式单元功能标准、

车载GSM一R功能标准;

.接口级标准，包括功能接口标准、图表配合接口标准等;

.应用级标准，包括ERTMS/ETCSO级定义和应用标准、ERTMS甩TCSI级定义和

应用标准、ERTMS肥TCSZ级定义和应用标准、ERTMSE/TCS3级定义应用标准。

（3）1986年法国开发地铁ASTREE系统（连续实时列车监控系统），作为欧洲列

车控制系统（ETCS）的一个补充，其核心是使用最新数据处理和通信技术对列车运行

实施全面的监控。

从而有效地管理线路能力，改善能源和车辆的使用状况。

ASTREE的

开发按照三个组成部分进行:

.计算机控制中心，用于列车监督、管理和安全;

.地面列车数据传输系统;

.包括列车定位和速度控制装置的车载设备。

系统采用多普勒雷达检测列车的位置和速度，由车载计算机进行计算，用应答器进

行绝对位置修正，从而能够连续检测列车的位置和速度，具备完整的自动检测及列车自

动防护功能[‘9]t，，]:

43r。

在国内虽然还没有提出全面的铁路智能运输系统的计划，但是国家已在全面启动铁

路智能运输系统的基础工程，如TMIS（TrnasportationMnaagementIn伪mrationsystem）、

DMIS（DispatehingMnaagementInofmrationSystem）和pMIS（PassengerMnaagement

hiofmratinoSystem）三大综合信息管理系统的建设正在全面铺开，使控制技术、计算机

技术、信息技术、网络技术等在铁路运输生产管理中应用范围进一步扩大、智能化程度

进一步提高，为将来铁路智能运输系统的实施建立了良好的基础。

在企业铁路方面，随

着计算机联锁技术的不断完善，调度集中、调度监督、机车作业信息平台、物流跟踪管

理等方面的研究也开始全面受到重视。

铁路部铁道科学研究院、北方交通大学、西南交

通大学、北京全路通信信号研究设计院、合肥工业大学等高等院校、科研机构也都已经

以不同的铁路运输调度智能化专项技术为研究重点，取得了一定的应用成果，并在国内

广州铁路分局、宝山钢铁集团、马鞍山钢铁集团等企业得到了应用146卜148]。

合肥工业大学博士学位论文

1.3企业铁路智能运输调度的需求

随着企业规模的不断扩大和技术发展的日新月异，我国企业铁路目前正在经历着有

史以来最深刻的变革，适应超大规模生产需要提供更及时、更大容量的运输服务，改造

企业铁路管理模式，提升传统技术水平。

在目前和未来相当长的时期内，企业铁路要适

应企业规模扩张和减员增效的发展趋势所面临的挑战，对企业铁路运输调度管理也提出

了更高的需求，可以主要归结为:

（）l提供信息化的列车编组、机车作业管理系统;建立跨区域、多站场的调度集

中指挥机构;不断提高信号控制、设备检测、故障诊断和维护的智能化水平;实现“高

效、安全”的企业铁路运输;

（2）建立企业铁路运输、调度各子系统之间信息高度共享的技术平台，实施对相

关信息的集中管理，以提高信息整体利用效率，保证各业务子系统的协调运行;

（3）采用车载无线网络技术实现将机车控制、作业信息、作业操作纳入动态技术

管理体系;

（4）建立企业货物流转过程的信息化管理体系，为企业ERP建设提供支持;

（5）提供能满足企业铁路运输要求的高效安全分解和编组的编组站综合信息管理;

（6）提供保障运输安全和维修效率的实时检测、评估和维修支持的手段，以及在

安全数据共享基础上的安全评估决策体系;

（7）提供与其他运输方式共享及交互的信息平台，以满足联运的需求。

为了应对上述挑战，过去分散的、按业务划分的无法共享信息与资源的各业务系统

己不能适应这些新的挑战。

通过信息化建设实现智能化己成为我国企业铁路运输系统发

展的历史必然{’2五’3][35]【37]。

在现代大型生产企业规模庞大、工艺流程紧密联接、业务复杂、地域广阔的条件下，

资源的优化使用、运输过程的安全、高效和便捷正越来越取决于信息流的畅通和共享程

度，因而现代大型企业铁路运输系统在本质上应当成为建立在信息流基础上的物流输送

系统。

信息的获取、信息流的畅通和信息的共享则是企业铁路运输业信息化的主要目标，

建立在畅通和可共享信息基础上的资源优化和高效使用是企业铁路运输保障实现其目

的的基本前提。

因此，信息技术正在成为构造现代企业铁路运输系统的最重要的技术基

础，全面开展企业铁路智能运输调度系统的研究符合这一技术发展的要求。

第一章绪论

，.4企业铁路智能运输调度系统的意义和技术特点

企业铁路智能运输调度系统是面向大型企业自备铁路运输调度控制、监测、管理一

体化建设，综合运用现代计算机技术、网络技术、通信技术、多媒体技术及数据库技术，

并将上述技术与铁路信号技术的特点相互融合的综合信息系统。

它不仅涵盖了铁路信号

计算机联锁、调度监督、调度集中、机车无线作业信息系统及铁路运输物流信息系统的

全部内容，而且需要实现这些系统的信息在统一的平台上进行处理、决策、记录、分析

和管理，是我国企业自备铁路站场从传统的独立联锁设备向新型的数字化、网络化、智

能化方向发展的起步工程之一。

企业铁路智能运输调度系统涉及企业铁路运输管理的各

个方面，实现各个系统之间信息的自动融会与共享。

其主要技术内容如图1一1所示。

图卜1企业铁路智能运输调度系统组织结构

企业铁路智能运输调度系统的主要技术特点如下:

（1）系统设计的统一平台性

企业铁路智能运输调度系统的统一平台性体现在三个方面:

第一，各子系统的全部

信息和调度作业命令可以在统一的调度集成环境下进行显示、处理、记录、重演，并提

供界面定制和数据定制功能，可以由用户自行定义调度界面，为ERP高层提供用户定制

数据。

调度集成环境在企业Intranet中可以被授权安装在任何客户端，具备一定程度的辅

助决策功能。

第二，对调度集中、调度监督、无线作业传输系统、平面调车系统和铁路

物流信息系统的所有软硬件功能都从系统的层面采取统一规划、统一实施、统一应用的设计原则。

第三，系统提供的是企业铁路运输调度的全面解决方案，宏观结构和功能可

以适应各种规模和数量的站场，适应各种机车类型，适应各种作业方式，适应各种管理

水平。

（2）系统目标的集成性

企业铁路智能运输调度系统围绕实现全面增强企业铁路运输部门生产、管理能力的

目标，通过建立立体的信息化通讯传输通道，将企业铁路运输的调度管理、作业管理、

信号控制、物流管理等诸目标进行集成实现。

（3）技术运用的综合性

企业铁路智能运输调度系统将局域网建设、无线数据通信网建设、系统数据库建设、

铁路信号控制、数字语音记录、智能信息处理、传感器检测、智能故障诊断等多项技术

联合运用，体现了相当程度的技术复杂度。

（4）系统功能的先进性

企业铁路智能运输调度系统在许多方面具有多项目前较为先进的功能，主要包括:

.跨区域作业的全面调度集中:

实现多站场、跨区域作业的调度集中控制，并可根

据全局站场情况，采用柔性调度策略（路径选择、进路排队、自动开闭等）进行进路的

智能化调度排放。

.分布式调度监督:

调度监督系统采用内嵌式模块安装结构和现场总线，信息直接

通过现场总线实现远程数据传输。

.无线机车作业计划传输:

采用集群技术实现机车作业计划调度中心一机车一调车

员（连结员）的无线传输。

.汉显平面调车手持机:

具有数据接收功能和汉字显示功能的平面调车手持机。

.企业铁路物流自动跟踪功能:

作业计划在计算机联锁子系统、物流信息子系统、

机车信息平台之间同步传输，并通过以上3个子系统的协调工作，实现企业铁路运输物

流信息的自动跟踪管理。

.作业计划的计算机辅助编排:

根据上级调度计划、当前站场物流信息、铁路线路

情况以及机车运行情况，仿人（计划员、货运员）实现作业计划的编排和自动下达。

.采用现场总线技术的电缆绝缘测试仪:

可在跨区域、多站场范围通过现场总线实

现电缆对地绝缘测试数据的远程传输、集中监视。

.同步记录重演:

实现机车状态、语音及调车数据的同步记录和联合重演。

论文共分八章，内容安排如下:

第一章介绍了铁路运输的技术发展历程，从信息化建设的角度分析了我国企业铁路

智能运输调度的现实需求，阐述了现阶段发展企业铁路智能运输调度系统的意义，总结

了企业铁路智能运输调度系统的技术特点。

第二章提出了企业铁路智能运输调度系统的基本结构和组成，详细描述了其中各子

系统的功能。

第三章重点讨论了铁路信号计算机联锁系统中的一些安全关键技术，包括计算机联

锁的安全逻辑表达形式、单界面联锁一复核冗余结构、数字化轨道表示模块的误差分析

及其表示判定方法、故障安全型道岔及信号机模块的设计问题、计算机联锁故障安全性

的模型化分析等。

第四章介绍了平面调车的系统结构，从离散事件系统的角度分析了平面调车系统中

事件驱动过程的复杂性以及自然语言规则描述方式的缺陷，提出通过自动机模型描述平

面调车系统，具体讨论了平面调车系统同时间自动机、下推自动机和通信有限状态机的

关系，从状态划分、数据结构设计、状态转移流程等方面说明了基于自动机模型的平面

调车软件的设计方法。

第五章对机车无线作业信息系统的有关问题进行了研究。

提出了一种机车区域限速

的系统方法以及检测算法;对机车作业数字化录音、状态数据和语音数据同步重演的问

题进行了详细讨论;在分析比较噪声和语音特性的基础上，采用滤波法、能量法与自相

关函数法三者相结合的方法，实现了一种背景噪声抑制方案，在经过模拟仿真实验后投

入机车实际试用获得良好效果。

第六章建立了企业铁路运输物流信息系统的系统架构、功能和工作流程;研究阐明

了企业铁路物流信息系统与计算机联锁系统、调度监督系统、机车无线作业信息系统、

车号识别系统、电子货票系统以及E卿系统的关系;详细讨论了物流信息系统的UML

建模方法以及物流信息系统中的容错分析问题，提出了车号与物流自动跟踪算法。

第七章对调度作业计划编排的过程进行了描述，提出了企业调度作业计划智能编排

的概念和一种设计方法的框架，介绍了任务计划解析模块和智能推理模块的设计思想。

第八章对全文的研究工作进行了总结，提出了一些需要进一步解决的问题。

第二章企业铁路智能运输调度系统结构和功能

2.1企业铁路智能运输调度系统结构

企业铁路智能运输调度系统面向企业铁路运输调度控制、监测、管理一体化建设，

将企业铁路作业计划自动编排与自动传递、进路信号控制与平面调车、作业执行结果实

时跟踪这些几乎涉及企业铁路运输调度全部环节的过程用现代信息技术与科学管理规

程全面规范起来，构成智能化程度高、功能强大、安全可靠性高的企业铁路运输调度指

挥平台;并以此为基础，提供编组与安全信息管理、ERP基础数据定制、机车自动控制、

辅助决策支持等增值服务。

企业铁路智能运输调度系统一般由五大子系统构成:

.铁路信号计算机联锁子系统

.调度集中子系统

.调度监督子系统

.机车无线作业信息子系统

.物流信息子系统

铁路信号计算机联锁子系统的主要功能是实现对铁路站场的实时监控和自动调度，

是铁路站场内进路、道岔与信号灯三者之间联锁关系的技术保障系统。

系统以二级互为

复核的集散式工业控制计算机网络为核心，综合运用故障一安全、智能控制、可靠性理

论以及信号联锁、网络通信、电力电子与现场总线等多种技术，配以多种专门研制的故

障一安全型检测、执行设备以及成套专用软件包实现了对铁路站场的实时监控和自动调

度。

调度集中子系统包括联锁控制集中和机车作业调度管理集中两方面的内容。

联锁控

制集中是在统一的软件平台上，以企业内部专用网络系统为信息通道，实现在企业调度

中心对所属全部站场实施调度联锁监控的功能，并在不同站场之间实现跨区域联锁。

机

车作业调度管理集中是通过机车作业计划制定、传输、存储的全面电子化，实现机车作

业调度的集中信息化管理。

调度监督子系统通过从6502电气集中联锁系统中获得表示信号状态，达到对6502

电气集中联锁站场的监视，目的是对继电器式的6502站场进行信息化改造。

调度监督

系统结构分为集中式调度监督和分布式调度监督两种;集中式调度监督是在每个6502

站场设定主控机，并将信号采集设备单独集中安放，数据信息在主控机汇总后由网络系统传输至上层调度中心，是比较传统的系统结构;分布式调度监督采用分布式控制系统

结构，取消各6502站场的主控计算机，数据信息通过现场总线直接联入上层调度中心，

可以大幅减少系统的电缆数量，降低系统成本。

铁路机车作业计划传输目前一般都是人工传递方式，直接影响作业效率的提高，机

车无线作业信息系统通过无线数据通信系统实现将作业计划自动传输至各站场调度室、

联锁计算机、机车、调车员手持机，连接员手持机的功能，并实现在作业过程中随时修

改、删除、增加作业计划。

所有作业计划实现电子化输入、存贮，执行状况实时记录并

可重演所有作业过程。

涉及的软硬件包括作业计划管理软件，作业计划传输软件、手持

机作业计划显示、平面调车操作、具备计划显示功能的专用调车手持机等，是一项复杂

的、涉及企业铁路作业几乎全部环节的综合软硬件系统。

物流信息管理是在车号自动识别和机车无线作业信息系统的基础上，实现对企业铁

路运输物流信息的全自动跟踪管理，跟踪管理的内容包括机车和车辆位置、品号、物品

数量、车型、车皮数量等物流信息。

所有物流跟踪过程具有电子记录档案。

图2一1是企业铁路智能运输调度系统的结构图，图2一2是企业铁路智能运输调度系

统的内部信息关系图。

铁路信号计算机联锁系统结构

一个典型的计算机联锁系统的结构可以划分为人机对话层、联锁运算层、复核驱动

层、结合层、监视对象层等五层结构。

如图2一3所示。

每个层次完成的功能如下:

（）l人机对话层:

将键盘、鼠标等输入设备的操作输入，传递到联锁计算机中，运用一机多屏技术在

多台计算机屏幕上显示整个铁路站场的图形表示信息，也可以使用液晶显示大屏来显示

站场的图形和文字。

人机对话层是站场工作人员进行现场观察、发布操作命令、进行其他处理的窗口。

第二章企业铁路智能运输调度系统结构和功能

它主要包括各类显示设备、输入设备、管理网络等，这些设备基本上位于总控制室中，

（2）联锁运算层:

联锁计算机是系统的核心部分，通过其内部运行的联锁软件实现对操作输入的判

断、联锁信号分析、逻辑运算、控制命令生成、故障诊断等主要任务。

热备系统中设置两台互为热备份的联锁计算机，安装有相同的联锁软件，具有相同

的配置，在系统或系统操作人员判别出联锁主计算机故障时，共享器将自动进行切换或

人工切换，使故障机退出控制系统而由备用机接替主机进行联锁控制，同时输出告警信

息。

（3）复核驱动层:

复核驱动层基本上由执表机（通常是PLC）组成，它承担着采集现场表示信息并对

其进行调理、对联锁主控机的控制命令进行复核并驱动现场设备动作、系统自我检测等

任务。

合肥工业大学博士学位论文

复核驱动层也需要符合热备设计原则。

在复核驱动层系统采用两套PLC可编程逻

辑控制器互为热备，它一方面通过故障自检能及时发现CPU或FO模块等的故障状态，

另一方面能自动进