铁路物联网应用现状与发展

史天运，孙鹏

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路物联网应用现状与发展

史天运，孙鹏

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

物联网作为新一代应用基础设施，对铁路创新发展意义重大。系统分析物联网领域最新的国家宏观战略和铁路行业政策，提出铁路物联网的概念内涵和技术特征，全面回顾当前物联网在铁路的应用现状，并研究下一步铁路物联网的发展目标、总体框架、服务平台和智能应用。

铁路物联网；铁路感知3.5技术；智能铁路；信息化

0 引言

近年来我国高度重视物联网研究和应用，从国家层面制定了一系列宏观发展战略、规划和政策。2016年11月发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》[1]中，物联网作为关键词重复次数达到14次之多，要求统筹推进物联网部署，构建新一代应用基础设施；同年12月，工业和信息化部紧随其后发布《信息通信行业发展规划物联网分册（2016—2020年）》。最新的国家物联网规划要点及行动包括：加强物联网网络架构研究，组织开展物联网重大应用示范，推进“互联网+”行动及工业互联网创新应用。建立国家级物联网公共服务平台，实现跨行业、跨领域的物联网标识管理以及跨系统资源共享。面向万物互联需求，发展物联网搜索引擎、E级高性能计算、面向物端的边缘计算等新技术和新产品。利用物联网、移动互联网等新技术，创新“卫星+”应用模式。

2017年初，我国铁路提出突出强化“强基达标、提质增效”的工作主题[2]，要求加大创新力度，广泛运用现代信息技术[3]，推进智能铁路建设；同时，要求制定铁路物联网总体方案，扩大物联网应用范围，形成铁路物联网业务应用体系。在2017年6月印发的《铁路信息化总体规划》[4]中，物联网也被作为新一代信息技术的重点应用方向。

在当前以创新驱动发展的新态势下对铁路物联网研究与发展，应充分理解其内涵、技术组成及应用价值，全面梳理既有行业应用现状，确立更富时代性的发展目标和总体蓝图，提出面向铁路的物联网服务平台及业务应用体系，规划物联网部署领域和组织推进物联网智能应用示范，为新时期铁路业务长远发展奠定坚实基础。

1 铁路物联网概念

1.1 基本定义

借鉴国际流行的物联网概念解释，对我国铁路物联网作如下定义：

铁路物联网是指依靠射频识别（RFID）、激光扫描器、生物特征识别、智能传感器、卫星空间定位等信息感知设备，按约定协议，通过网络连接各种铁路对象，进行信息交换和通信，以实现对铁路对象的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，是实现智能铁路的重要支撑。

1.2 概念辨析

铁路物联网与铁路信息化、智能铁路，以及大数据、云计算等新一代信息技术概念之间具有一定关系。

对铁路信息化而言，物联网本质是信息化向应用前端的延伸，自动化和信息化的深度融合可大幅提升铁路信息化水平[5]。为铁路信息化应用提供高效的自动感知及管控手段，提升数据采集质量和设备自管理水平。

智能铁路是指达到更透彻信息感知、更全面互联互通、更深入科学决策，以人为本的新一代铁路运输体系。因此，铁路物联网是建设智能铁路的基础条件，智能铁路涵盖了物联网的基本建设内容。

对大数据分析为物联网提供了海量高质量原始数据；反之，大数据技术也为处理巨量数据资源提供必要手段。同时，物联网建设需要依赖云计算数据中心所提供的密集型存储和高强度计算能力。

1.3 铁路感知3.5技术

物联网技术的铁路应用模式可归纳为铁路感知3.5技术，即标识识别、状态传感、定位导航和控制反馈（见图1）。

标识识别技术实现铁路对象属性信息的自动采集，通过RFID、条形码和二维码、生物识别等，实现对所有设备设施及其关键部件、铁路人员和票据等的识别追溯；状态传感技术实现铁路对象状态信息的自动采集，通过各种传感器及其集成设备，实现对基础设施和移动装备状态、运营环境等的测量监测；定位导航技术实现铁路对象位置信息的自动采集，通过北斗、GPS、室内定位技术，实现对铁路移动装备及其关键部件、货物、人员等的定位跟踪；控制反馈泛指自动化/半自动化的控制技术，通过自动控制设备、机器人、智能移动终端等，实现运输生产调度、作业过程控制、设备智能控制等，其应用场景包含由系统下达命令反馈给人工进行半自动执行作业的情况，铁路物联网并不强调实现全过程自动化。

图1 铁路感知3.5技术

2 应用现状

2.1 总体情况

我国铁路物联网应用最早可追溯至20世纪80年代红外线轴温探测，自2001年全路推广车号自动识别系统（ATIS）后，逐渐延伸至铁路各领域。

目前物联网正处于快速发展阶段，在运输生产、客货营销、铁路建设和安全监控领域已具备一批物联网应用，具备了一定技术基础和应用范围。在运输生产领域，主要包括车号自动识别、编组站综合自动化系统、列车卫星定位等；在客货营销领域，主要包括磁介质客运车票、中铁银通卡（一卡通）等；在安全监控领域，主要包括车辆运行安全监控系统（5T）、机车车载安全防护系统（6A）、高铁供电安全检测监测系统（6C）、自然灾害及异物侵限监测、高速综合检测车、货运安全检测监控、青藏线冻土低温监测等；在铁路建设领域，主要包括混凝土拌合站及实验室监测、轨道板和梁RFID标签、路基压实监测等。

2.2 典型物联网应用

按照应用规模、技术水平和推广价值，对典型铁路物联网应用进行总结。

（1）车号自动识别系统。车号自动识别于2001年开始实施[6]，采用一种超高频（902～928 MHz）的机车车辆电子标签。电子标签安装在车底、地面识别设备安装在轨道间，最大识别距离可达10 m，电子标签存储机车车辆型号、编号、配属等固定信息和列车车次等动态信息。目前已实现全路大规模应用，电子标签已在铁路全部机车（1.9万台）、绝大部分货车（70.0万辆）、大部分客车（4.5万辆）上安装，全路的2 700列动车组也在陆续部署，总计覆盖7万km铁路线。同时，发布了TB/T 3070—2002《铁路机车车辆自动识别设备技术条件》《铁路客车电子标签暂行技术条件》和TJ/CL 344—2014《动车组电子标签暂行技术条件》等重要技术标准。

（2）电子客票。铁路客票当前广泛采用一种磁介质的热敏车票[7]，通过制票机、自动售票/检票/取票机，以及基于人脸识别的实名制核验系统，实现自助式旅客出行服务。电子客票在全路年售票量达到30亿张，高峰日发售达到1 200万张，其中互联网售票占比超过60%。中铁银通卡以及广深线RFID车票也在应用中。同时，发布了技术标准TB/T 3277—2011《铁路磁介质热敏车票》。

（3）行车安全监控。车辆运行安全监控系统（5T）主要包括车底故障图像动态监测系统（动车组：TEDS、客车：TVDS、货车：TFDS）、轴承早期声学故障诊断系统（动客货：TADS）、红外点光源轴温探测或热成像检测系统（动客货：THDS）、车辆运行品质力学检测系统（动客货：TPDS）、车载运行动态监控系统（客车：TCDS、动车组：WTDS）。此外，还有针对车辆轮对踏面、轮辋轮辐等几种技术条件的检测系统（TWDS、LY、LU）。机车车载安全防护系统（6A）主要对机车空气制动、防火、高压绝缘、供电、走行部故障进行监测，并自动记录车内视频监控信息。高铁供电安全检测监测系统（6C）主要对铁路供电系统中的高速弓网、受电弓滑板、地面供电等设备进行检测。货运安全检测监控系统实现铁路货物运输源头装载质量、途中检查、卸车交付全过程的检测监控与管理，其中货运计量安全监测以动态轨道衡、超偏载检测装置等为基础，集成压力、剪力传感器复合测力技术及RFID，实现对货物超载、偏载和偏重计量的自动检测，支撑全路货运站货运和货检站货检作业控制。在行车安全监控方面，全路传感器集成设备的使用量总计已超过1万台。此外，高铁综合检测车集成大量车对地探测设备，是线路质量检测的必要技术手段。

（4）运行环境监控。运行环境监控系统包括自然灾害及异物侵限监测、周界入侵报警、视频综合监控系统。自然灾害及异物侵限监控系统通过设置风速/风向、雨量、雪深、地震传感器设备，以及激光雷达作为异物侵限设备，实现对高速铁路线路周边自然环境的全面监测预警。铁路周界入侵报警系统针对人为侵入铁路限界的行为进行监测报警，综合采用振动光纤、电子围栏、光波探测和视频智能识别等多种技术手段实现。铁路视频综合监控系统的前端设备由普通可见光摄像机和夜视摄像机组成，夜视条件下视频监控一般采用红外LED和激光补光，同时也尝试开展视频图像智能分析应用。目前，自然灾害及异物侵限、视频综合监控已在全路达到大规模成熟应用。

（5）工程建设信息化。工程信息化领域的物联网应用涉及工程建设、项目管理和监督管理3方面。目前，轨道板等大量工程构件采用埋入式RFID标签，工地实验室试件也采用RFID或二维码进行管理。在工程建设过程中，路基压实监测、拌合机混凝土质量监测（原材料、拌合时间等）、路基/桥梁沉降变形观测、线路连续梁变形线性监测等均是工程质量控制的有效手段。隧道围岩（水平收敛、拱顶下沉、净空变化）量测与预警等实现了铁路工程建设的安全监控。此外，工地现场实验室已配置70余种自动化工程试验机，实现了自动化试验数据采集。当前，物联网技术已在高铁在建线路中大量应用。

2.3 其他物联网案例

除上述已形成大规模成熟推广的物联网应用外，目前铁路还存在不少物联网案例，虽未达到全路推广，也取得了良好应用效果。例如，基层站段作业[8]使用的手持移动终端、身份智能卡、司机测酒仪；客运服务方面的客运站环境监测及设备监控；货运物流方面的货物（集装箱）电子标签、燃油消耗监测、智能铁鞋（防溜车）、货车超限装载状态监测、冷链及危险品监控；运力资源管理方面的RFID轮对全生命周期追踪、自动化检测/检修设备、物料仓库自动化管理；基础设施方面的桥梁结构健康监测。另外，行包自动分拣等自动化装置或机器人的使用是未来发展趋势，可大幅提升高强度/高危工作条件下的作业自动化程度。

3 发展规划

3.1 发展目标

综合考虑铁路物联网应用现状、技术研究进展和行业发展趋势，提出铁路物联网的发展目标：在“十三五”期间，全力推进铁路物联网建设，初步实现“泛在感知、全面连接、精细管控”的目标，提升物联网业务应用综合管控水平，打造形成新一代铁路应用基础设施。

基于铁路感知3.5技术（标识识别、状态传感、定位导航和控制反馈）基本实现对铁路员工客户、基础设施、移动设备、运行环境的泛在感知；按约定的协议，把各种专业对象与铁路信息系统相连接，初步实现在铁路各环节的全面连接；构建调度、客运、物流、建设、安防、运维、管理方面的物联网智能应用示范，建立健全物联网管理体系，实现对铁路运输的精细管控。

3.2 总体框架

图2 铁路物联网总体框架

铁路物联网总体框架见图2，自下而上划分为感知层、网络层、平台层和应用层。铁路感知3.5技术的统筹推进部署，有利于加快打造铁路新一代应用基础设施，是铁路物联网规划的重心。因此，把感知层建设内容从四大铁路对象、九大专业和十大应用场景多种视角进行细致分解。网络层传感网的构建涉及物联网相关的所有感知技术和组网技术；接入网通过无线或有线方式实现“最后一公里”本地接入；承载网是数据传输和消息传递的骨干网络。平台层是整合感知基础设施资源支撑智能化应用的关键，是实现铁路物联网横向集成和纵向贯通的前提条件。在应用层，以底层所提供的服务及资源为基础，针对铁路实际需求，提出7项物联网智能应用示范。

3.3 物联网服务平台

物联网服务平台是铁路物联网建设的核心，其目的是实现电子标识及其他智能硬件跨系统、跨专业、跨行业的应用共享和互操作，以平台整合铁路庞大的前端智能硬件资源（见图3）。平台包括标识名称解析、感知设备接入、网络信道认证、边缘计算管理4个物联网专项服务，以及由信息化平台所提供的相关通用服务。另外，物联网部署使位置和个人隐私、物品防伪等问题变得更加突出，平台必须提供覆盖“云-管-端”的全面安全防护。

3.4 物联网智能应用

铁路物联网建设的根本目的是应用。全力打造新一代铁路物联网应用基础设施，以统筹推进部署铁路感知3.5技术为基础，不断延伸物联感知所能触及到铁路业务的广度和深度，广泛采用对象自动识别、智能传感、空间空位、无线传感网、移动及可穿戴式终端、视频模式识别、边缘计算、机器人等技术，在多种技术基础上进行融合提升并实现关联应用，以平台整合铁路专业对象和行业信息资源，深化数据融合处理和精准决策分析能力，可构建形成7项智能应用示范（见图4），实现智能调度、智能客运、智能物流、智能建设、智能安防、智能运维、智能管理，从整体上提升铁路业务管控水平，发挥物联网对实际业务的基础支撑作用，充分释放铁路应用创新潜能。

图3 铁路物联网服务平台

图4 基于物联网的铁路智能应用

4 结束语

作为新一代应用基础设施和战略性新兴技术，物联网硬件设施的统筹推进部署及其应用服务向广度深度的极大拓展，可为铁路发展大数据、人工智能、“互联网+”等创新型应用奠定基础，实现铁路对感知、预测预警、自动控制和主动决策反应能力的整体跃升，重构客运货运、行车调度、生产作业、安全监控、工程建设、经营开发、战略决策等运输活动各环节，催生铁路行业新技术、新产品、新业态、新模式，引领带动智能铁路发展，对铁路深入实施创新驱动发展战略具有重大意义。为了发展铁路物联网，必须加强顶层设计和超前研发布局，面对新形势新需求，实现物联网理论、技术、工具、系统的滚动发展和持续提升，以技术攻关推动行业应用和产业升级，以应用示范推动技术和系统不断优化。

[1]国务院.“十三五”国家战略性新兴产业发展规划 [EB/OL].（2016-11-29）[2017-09-01]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/19/ content_5150090.htm.

[2]中国铁路总公司. 中国铁路总公司工作会议 在京召开[EB/OL]. （2017-01-03）[2017-09-01]. http://www.china-railway.com.cn/xwdt/jrtt/201701/ t20170103_62242.html.

[3]中国铁路总公司. 突出关键重点领域，积极推进铁 路应用技术创[EB/OL].（2017-01-03）[2017- 09-01]. http://www.china-railway.com.cn/xwdt/ tlxw/201701/t20170103_62255.html.

[4]铁总信息〔2017〕152号 铁路信息化总体规划[S].

[5]聂宁，官科，钟章队. 德国铁路4.0战略[J]. 中国 铁路，2017(5)：86-90.

[6]王志华，史天运. 射频识别技术（RFID）在交通领域 的应用现状[J]. 交通运输系统工程与信息，2005(6)： 96-99.

[7]史天运，王成. RFID技术在铁路客票系统中的应用[J]. 中国铁道科学，2009(6)：135-140.

[8]孙鹏，史天运，张惟皎. 动车组维修信息系统 中的高层业务信息提取技术[J]. 中国铁道科学， 2014(4)：108-116.

Current Status of Application and Development of Railway Internet of Things

SHI Tianyun，SUN Peng
（Institute of Computing Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

As the new generation of application infrastructure, internet of things (IoT) has great signi fi cance to railway innovation. The paper analyzes systematically the newest state macro-strategy and railway industry policies in IoT fi eld, puts forward the concept, connotation and technical features of railway IoT, reviews the current status of IoT application in railway, and researches the development target, overall framework, service platform and intelligent application of railway IoT.

railway IoT；railway perception 3.5 technology；intelligent railway；IT application

TP393；TP391；U29

A

1001-683X（2017）12-0001-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.001

史天运（1967—），男，研究员，博士后。E-mail：tyshi@rails.cn

孙鹏（1979—），男，副研究员，博士。E-mail：sunpercher@163.com

责任编辑 卢敏

2017-09-19