国外铁路数字化与智能化发展趋势研究

李平，邵赛，薛蕊，张晓栋

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁路大数据研究与应用创新中心，北京 100081）

0 引言

移动互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代技术的突破和融合发展，对全球经济环境和人民日常生活产生了前所未有的重大影响，已成为新一轮科技革命和产业变革的核心所在。万物互联、数据驱动、智能决策的数字化时代悄然来临。新一代信息技术促进服务制造业升级、推动智能交通发展、助力智慧城市建设，已经渗透到各行各业。智能交通领域的技术应用在改善城市交通状况、解决城市交通拥堵问题、提高城市道路管理水平等方面发挥着重要作用。智能电网领域的研究成果为新型能源接入、特高压输电、大电网运行控制、数字化变电站、数字化电网等的发展奠定了基础。智慧城市领域的试点实践成为促进城市规划、建设、管理和服务智慧化的新理念和新模式。

近年来，世界各国铁路都面临着客货运输需求增长快速化、运输服务定制化、运输安全泛在化等挑战。在铁路运输基础设施供应能力相对固定的前提下，通过采用新一代信息技术大幅提升铁路运输组织效率效益、优化客货运输服务品质、提高铁路运输安全水平已成为各国铁路发展的必由之路，铁路智能化已经成为世界铁路未来发展的重要方向[1]。在此背景下，法国、德国、瑞士、英国、澳大利亚、美国、加拿大、日本、韩国等国家铁路相继提出了数字化与智能化发展的战略规划，并制定了实施路线图和重点任务。

1 欧洲铁路数字化战略

1.1 Rail Route 2050战略规划

2011年，欧盟发布《欧洲一体化运输发展路线图》[2]白皮书，旨在将欧洲目前的运输系统发展为具有竞争力和高资源效率的运输系统。其中多式联运、高速铁路路网规模等6项直接涉及铁路运输，鼓励货运和客运向铁路运输方式的转变，强调铁路运输方式对未来欧洲运输的重要性。为支撑欧洲运输白皮书，欧洲铁路研究咨询委员会（ERRAC）同步制定了《Rail Route 2050》战略规划[3]，在智能移动、能源与环境、安全、认证、竞争力和使能技术、战略与经济、基础设施等7个方面，提出了一个有竞争力、高资源效率、面向智能化的2050年铁路系统发展蓝图（见图1）。

图1 欧洲铁路系统发展蓝图（至2050年）

1.2 Shift2Rail科技创新战略

数字化铁路已成为欧洲铁路一体化发展的首要任务，欧盟出台了一系列战略规划，在2013年提出以市场为导向的Shift2Rail科技创新战略[4]（见图2）。Shift2Rail实施周期为2014—2020年，重点关注生命周期成本降低、路网容量增强、服务可靠性与准时性提高，最终实现欧洲铁路一体化、增强欧洲铁路的吸引力及竞争力、巩固欧洲铁路在全球市场的领导地位等目标。

图2 欧洲Shift2Rail战略目标

1.3 德国

德国铁路公司（简称德铁）将数字化进程视为宝贵的发展契机，实施了一系列的数字化举措，确保铁路行业走在新一代工业革命的前列。2016年德铁与德国联邦交通部、德国铁路工业联合会联合签署合作协议“铁路数字化战略”（铁路4.0）[5]。这是一次以提升乘客满意度为目标，深入到生产、运营、维修养护、客户交互等铁路系统各环节的技术变革，全面支撑德国运输4.0计划。铁路4.0初步设想包括运输4.0、基础设施4.0、物流4.0、信号技术4.0、IT4.0、生产制造4.0、工作岗位4.0、技术创新4.0等方面，同时制定了近期、中期、远期三阶段目标（见图3）。

（1）近期（至2025年）。实现半自动化列车无线分配；提供下一代电子行程服务；通过列车独特设计使乘客的移动设备与基站信号直连。同时在2020年底实现所有铁路建设项目应用建筑信息模型（BIM）的规划战略。

（2）中期（2025—2035年）。实现列车无人驾驶；能够提供更灵活、个性化的交通方式；机器人小汽车（cab）研制成功并投入使用。

（3）远期（2035—2045年）。形成新型数字化车间；实现电子商务、3D打印维护、运营过程全自动化；智能设备成为设备维护的日常工具。

图3 德国铁路发展展望

1.4 法国

2015年法国国家铁路公司提出数字化法铁（DIGITALSNCF）战略，通过加强工业互联网建设，构建连通列车、路网和站房三大区域网络。一方面实现对安全运输、生产效率、能源经济、工作质量等的追求，另一方面满足旅客对准点率和舒适度的需求。预期在2031—2040年，为客户建立一个有竞争力、便捷、可持续、与未来运输紧密结合的铁路系统[6]（见图4）。未来将重点关注运力、竞争对手、乘客、公共资金等发展趋势，拟在数字化、物联网、人工智能、网络安全、能源等方面开展技术突破，实现低成本、全球范围内门到门、共享汽车等新型商业模式，探索人工智能、能源存储、3D打印、机器人、自动驾驶、新型材料等新技术在铁路具体场景的应用。具体实施路线图如下：

（1）近期（至2020年）。对现有铁路系统改进，在郊区线路引入自动驾驶。推进3D打印技术，减少20%零件制造时间和成本。

（2）中期（2021—2030年）。构建颠覆性创新的铁路系统，功能包括列车实时定位、“门到门”运输、客流智能管控、路网运力自适应等。

（3）远期（2031—2040年）。为客户实时提供满足需求、可靠安全、易于访问的服务；最大化路网和库存利用率以降低成本；实现系统简化和标准化，缩短新技术实际应用时间；通过优化资源利用和限制碳排放，完成公共服务使命；将铁路系统纳入全球“门到门”运输服务，使车站变成集成服务和各项运输方式的站点。

1.5 瑞士

2017年，瑞士联邦铁路为了发挥数字化技术潜力，提出瑞士SmartRail 4.0战略[7]，旨在进一步提高铁路系统容量和安全性，有效地利用铁路基础设施，长期保持瑞士铁路的竞争力。具体战略目标主要包括5个方面：一是成本方面，每年节约450 Mio CHF（百万瑞士法郎），为客户提供更优的价格和更好的服务质量；二是在能力方面，增加15%～30%的铁路网容量，为客户提供紧凑、灵活、互通的服务；三是在可用性方面，信号系统性能提升50%，为客户提供准时、不受干扰的行程；四是在安全方面，铁路运营故障减少90%，为客户提供更可靠的安全运输；五是在服务方面，铁路企业内部互联互通，为客户提供更好的在线旅行体验。

同时，SmartRail 4.0将战略实施过程划分为3个阶段，明确每个阶段目标及任务，对ETCS L3+移动闭塞、集中简化联锁设备、基础设施建设自动化、列车模块化等技术进行了规划（见图5）。

图5 瑞士铁路发展展望

1.6 英国

2018年，英国铁路为了布局数字铁路未来规划，制定了数字铁路战略（Digital Railway Strategy）[8]，在人才技术与业务能力、列车运行控制、自动驾驶、交通管理与可靠性、移动通信数据互联、智能基础设施等领域布局，提出了数字化铁路三阶段发展蓝图（见图6），从而实现资产可持续性、提高载运能力、增强安全性、加强用户体验、加速经济增长、改善环境等目标。

（1）近期（至2019年）。基于现有的建设成果，实施部署数字铁路项目（包括ETCS试验轨道开发和ETCS车辆改装）；借鉴国内外类似领域的先进技术成果，开展创新技术的应用，为下一阶段实施提供支撑。

（2）中期（2019—2027年）。重点关注安格利亚、伦敦东北、东南、威塞克斯和西部等五大铁路线的发展规划；确定数字铁路方案并按优先级排序；通过数字化方式大力提高受限的运力，并以较低的运营成本为铁路用户和英国经济带来更广泛的利益。

（3）远期（2027年后）。随着数字化技术发展日趋成熟，预计在数字信号、智能基础设施和列车控制等方面将会大幅降低成本；未来数字化技术将成为铁路网的日常运营手段。

图6 英国铁路发展展望

2 日韩铁路数字化战略

2.1 日本

日本JR东铁路公司为充分发挥物联网、大数据、人工智能等技术创新作用，制定了《技术创新中长期规划》[9]，旨在实现安全保障、强化服务和营销、优化运用维护、注重能源和环境等4个方面的目标。

（1）安全保障。积极推进技术改造、设备更新研发以及安全教育培训技术的研发。建立一套安全辅助系统，通过利用物联网、大数据、人工智能等技术，捕捉事故的预兆，挖掘难以预知的风险，以便事先采取对策。

（2）强化服务和营销。未来的旅客服务系统可提供客流和车辆设备信息，实时提供公交车、出租车等其他交通工具及气象等信息，为旅客提供个性化定制信息服务。

（3）优化运用维护。逐步推进“状态修”体系的实用化，加快自动驾驶技术以及利用智能机器人和人工智能的辅助技术研发。此外，随着一线技术工人大幅减员，将通过技术创新来改变运用和维修成本的结构，实现“人与系统”密切结合的工作模式。

（4）注重能源和环境。建立从发电到输变电和配电的全过程能源管理网络平台，综合利用可再生能源和节能蓄能技术，实现2030年铁路能耗降低25%、二氧化碳排放量减少40%的管理目标（以2013年为基准）。

2.2 韩国

韩国铁路重点关注基础设施BIM技术应用，并构建了面向2030年的铁路基础设施BIM发展路线图，将BIM发展划分为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0五个阶段（见图7）：

（1）BIM 1.0（至2018年）。初始阶段，基于BIM的公众展示和设计审查。

（2）BIM 2.0（至2020年）。成长阶段，基于BIM的设计、工程、误差监测。

（3）BIM 3.0（至2022年）。成熟阶段，基于BIM的综合项目与设施管理。

（4）BIM 4.0（至2024年）。高级阶段，智能工厂和非现场组装。

（5）BIM 5.0（2030年后）。智能阶段，智能建造4.0和基于人工智能的项目及设施管理。

图7 韩国基础设施BIM发展路线图（至2030年后）

3 澳大利亚铁路数字化战略

澳大利亚铁路结合本国国情与全球经济发展形势，并充分考虑物联网、大数据、人工智能等先进技术的发展，从材料与制造、运行控制与管理、节能减排等3个方面制定了近期（至2020年）、中期（至2030年）、远期（至2040年）的铁路创新战略规划（见图8）。

（1）近期规划（至2020年）。利用新方法、新手段提高铁路规划设计水平；基本实现列车少人驾驶、实现系统化全覆盖；采用列车智能化驾驶降低能源消耗。

（2）中期规划（至2030年）。重点发展先进制造业，利用高性能重载材料，克服铁路货运物理限制；利用大数据、人工智能实现铁路运行安全风险自动检测与控制；实现列车先进制动系统，实现机车交流牵引及电子电力系统改造。

（3）远期规划（至2040年）。实现铁路建设与装备材料轻量化；利用运行数据实现更高级别的铁路运行与控制；充分实现可再生能源在铁路领域的应用，降低碳排放量。

图8 澳大利亚铁路2040创新战略规划

4 北美铁路数字化战略

4.1 加拿大

加拿大国家铁路公司以精确、负责、可靠及运力强大的货物运输著称，被誉为北美的定时运输铁路。制定了信息化发展战略并稳步落实，近期利用数字化技术对铁路运营进行了多项创新实践。

（1）精确化运输。为支撑“准时制”（Just In Time）运输，建设了货运服务可靠性系统（SRS），实现了订单、货票、列车运行、场站作业、车辆配置、机车周转、客户服务、货物联运、收入管理等所有与铁路货物运输相关业务的一体化管理。

（2）数字化商务。建立了标准化客户服务流程，并通过电子商务、电子数据交换（EDI）以及客户服务系统，转变客户服务方式，实现数字化商务。

（3）数据城市（DataCity）。将数据作为关键的企业级资产，将高质量数据作为实现高质量铁路运输作业和客户服务的根本，基于统一的数据管理和企业级数据仓库前提下，构建了DataCity系统以有效地支撑铁路业务分析与决策，为实现分析决策智能化提供支持。

4.2 美国

美国铁路以货运为主，在预测性维护、客户服务等方面进行数字化技术的探索。2011年美国货运铁路启动了“资产健康战略计划”（Asset Health Strategic Initiative，AHSI），对各个铁路公司分别收集和存储的大量数据进行分析，并由此解决行业内最关键的铁路设备管理与维护问题。美国Strukton公司开发了预测性维护和故障诊断系统POSS，其目标是在早期阶段识别资产的衰退，帮助分析师将注意力集中在衰退资产上，优化维修间隔，以减少维修成本和故障。美国Amtrak公司利用大数据来提升乘客的互动和体验，将列车运行图与谷歌地图相结合，开发实时列车定位地图，通过该网站访客可以访问有关列车的最新信息。

5 分析与启示

国外铁路积极探索信息新技术，在铁路融合应用的发展方向纷纷制定一系列中长期战略规划，加快新技术与铁路业务场景深度融合和创新应用，促进大量项目的立项与推进，在工程建设、安全保障、列车控制等领域积极布局（见图9）。由图9可知，各国铁路的数字化和智能化发展战略主要分为3个里程碑节点，即2020、2025、2035年。在战略内容设计上呈现出如下发展趋势：

（1）列车自动驾驶成为铁路智能化发展的重要内容，德国、法国、瑞士、澳大利亚铁路均列为重点任务之一。

（2）面向全球的铁路运输的“门到门”服务、跨多种交通方式的无缝化运输成为未来铁路运输智能化的重要目标。法国、瑞士、德国、日本铁路均作为战略目标之一。

（3）BIM技术应用成为基础设施智能化的重要手段，德国、瑞士、韩国铁路均制定了相应的目标。

（4）新一代列车控制与调度系统得到多国铁路的高度关注。瑞士、法国、德国、英国、澳大利亚铁路等均着力研发集中联锁、移动闭塞、ETCS、列车实时定位等新一代列车控制系统设备，以便实现装备智能化。

（5）绿色低碳成为未来铁路运输的重要指标之一。瑞士、法国、澳大利亚、日本铁路等均制定了相应的指标。

除此之外，在标准化接口、3D打印、电子商务、数字化车间、机器人、预测性维修等方面，有关国家铁路也在积极探索。

6 结束语

铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。当前我国铁路正处于关键的战略机遇期，未来20年我国将释放出巨大的经济社会需求，为我国智能铁路发展创造得天独厚的条件和千载难逢的机遇。中国铁路已经初步制定了智能高铁发展战略[10]，明确了2020、2025、2035年3个阶段的战略目标，战略的内容部署、阶段安排和具体目标均领先国外主要铁路国家。特别是随着云计算、物联网、大数据、人工智能等新技术的快速发展和日臻成熟，新技术与铁路融合后形成的智能建造、智能装备、智能运营等成套理论和技术体系将为实现智能铁路战略提供重要的技术保证[11-13]。依托智能京张、智能京雄、智能蒙华等重大工程建设，智能铁路的系统性研究成果将得以验证、应用、推广，并在系统层级上不断迭代递进、反馈优化，将形成既具有中国特色、又能为世界其他国家铁路发展参考的智能铁路成套理论技术体系。

图9 国外铁路智能化发展趋势对比