国外铁路数字化典型业务发展现状与启示

随着数字技术的不断发展和推广应用，构建数字铁路体系支撑铁路运输生产已成为国内外铁路公司发展的必然趋势。围绕近6年来国外数字铁路发展的最新动态，梳理分析通信信号、检测监测、养护维修、运输组织、移动装备等专业领域的数字化典型业务案例，通过分析国外铁路数字化的发展理念和建设举措，在引进先进技术和优化完善现有技术等方面为我国铁路数字化业务发展提供启示，以推动我国铁路的数字化进程，进一步提高运输效率和安全性，助力我国铁路实现可持续发展目标。

自 2019 年以来，许多国家都将数字化作为推动铁路行业发展的重要战略方向。世界各国注重铁路数字化发展，通过一系列战略文件和政策，致力于建立基于一定规则和标准的铁路数字空间框架，以实现其在数字领域的引领作用。

在此背景下，欧盟加快了数字化发展的战略部署，2019 年将“适应数字时代”作为欧盟未来 5 年优先发展的核心议题之一［6］。2020年，欧盟发布了用于指导欧洲适应数字时代的总体规划《塑造欧洲的数字未来》《欧洲新工业战略》《欧洲数据战略》《人工智能白皮书》 等，旨在重新定义并扩大其数字主权，建立基于规则和标准的数字空间框架。2020 年末，欧洲铁路研究咨询委员会 （ERRAC） 制定并发布了 《战略铁路研究与创新议程》（SRIA），其中拟商议的转型项目之一是“铁路数字孪生、仿真和虚拟化”［7］。2021 年 3 月初，欧盟发布《2030数字指南针：欧洲数字十年之路》纲要文件，涵盖欧盟到2030年实现数字化转型的愿景、目标和途径［8］。2021年11月，欧盟建立欧洲铁路联合企业 （EU-Rail），该企业致力于实现欧洲的双绿色和数字化转型［9］。 2022 年 4 月 ， 欧 洲 铁 路工业联盟（UNIFE）发布《适应数字时代的铁路》，明确提出数字化对增强铁路相关资产可持续性的重要意义［10］。2022 年，欧盟宣布正式启动欧洲铁路计划 （2022—2031年），该计划涵盖车辆、基础设施、交通管理和服务等领域的研究创新，目标是消除互联互通壁垒，提出全面集成解决方案，实现高性能、一体化的欧洲铁路网［11］。

近年来，德国联邦铁路公司 （DB） 大力推进“德国数字铁路计划”，对数字化发展进行统一安排。该计划提出帮助德国应对新的经济挑战，通过传统优势、现代方法以及项目支持，提高DB的运输能力以及未来几年在经济和技术上的领先地位［12］。2019 年，DB 发布强铁战略 （Strong Rail），旨在增强铁路竞争力，实现铁路的可持续发展［13］。2020 年，DB 数字化和技术部在强轨战略及实施的多项数字化项目的基础上制定了“数字化和技术战略”，战略目标之一是实现运输全流程的数字化［14］。2020年6月，德国发布《铁路运输总体规划》，提出通过扩建线路、通道、枢纽以及应用数字化技术，持续提高路网的运输能力，提高铁路行业的竞争力［15］。2020 年德国轨道工业协会 （VDB）、德国联邦铁路局 （EBA） 和DB在柏林签订共同推进德国铁路基础设施改造的协议，协议规定在2035年之前实现全国范围内集中联锁设备的完全数字化，即全面应用数字联锁技术［16］。

法国国营铁路集团 （SNCF） 于2020年10月8日发布面向 2030 年的集团战略规划 《Tous SNCF》。规划中提出创新及数字化方面的重点任务是大数据作为重要的战略资产，将在客户服务和生产流程中 （预测性维护、自动列车等）发挥更重要的作用［17］。英国东海岸数字计划 （ECDP） 于2022年完成首批重要项目交付，为国家数字化信号系统计划和英国大型铁路公司的主要计划开辟了道路。计划旨在采用欧洲列车控制系统 （ETCS） 将东海岸干线南部的传统线旁信号替换为最先进的数字信号，为司机室提供连续、实时的信息，为乘客和货运提供更可靠、更环保的服务，创造出下一代新型铁路［18］。

日本铁道综合技术研究所制定 《2020—2025 年度科研发展规划》，以实现技术创新推进铁路发展和社会进步的愿景，旨在通过科技创新进一步增强铁路的安全性，同时推进数字化技术在各专业领域的广泛应用，从而提升日本铁路的国际影响力。规划的重点任务包括列车运行自动化、数字化养护维修、基于电网电力协调控制的低碳化、适应沿线环境的新干线提速相关技术等［19］。

西班牙国营铁路公司（Renfe）于 2024年1月发布《Renfe28战略》，战略待实现目标包括加大机车车辆投入、企业业务部门重组、生产流程数字化、提高国际影响力等。项目旨在通过创新和数字化提高Renfe竞争力，提高铁路货运的经济效能，更积极地应对欧洲铁路数字化带来的新挑战［20］。

总体来看，欧盟及其成员国在铁路数字化转型方面展现出积极的战略部署与行动。欧盟层面，通过发布一系列战略规划，旨在建立数字主权，并推动铁路行业的数字化与绿色化转型。德国、法国、英国、日本和西班牙等国家也各自制定了相应的铁路数字化计划，强调技术创新、客户服务、运行效率以及环保等方面的提升。各国铁路数字化转型的重点包括提升运营效率、加强客户服务、促进可持续发展以及应对国际竞争。不同国家在具体的实施策略上有所差异，但都强调了数字化技术在提升铁路系统性能、可靠性和智能化水平方面的重要作用。未来，随着技术的不断进步和应用的深入，铁路行业的数字化转型将持续推进，为提升铁路交通的安全、效率和可持续性提供有力支撑。国内外数字铁路发展战略及措施 （2019—2024年）见图1。

相关国家在数字化战略基础上，围绕通信信号、检测监测、养护维修、运输组织、移动装备等重要领域不断细化，并展开相关应用项目，以提升铁路系统的整体效率、安全性和可持续性。以下将详细介绍一些典型的国外数字铁路业务应用项目，以展示其在各个领域取得的重要进展和成果。

2. 1　通信信号数字化项目　

2. 1. 1　欧洲下一代铁路移动通信系统　

自2019年以来，国际铁路联盟 （UIC）提出的下一代铁路移动通信系统 （FRMCS） 引入计划的相关工作已经取得了显著成绩并开始进入第二阶段。FRMCS 是1个3GPP 5G独立系统，其将在应用层和传输层之间加入1个中间层，即3GPP关键任务服务。关键任务服务将实现语音、数据和视频功能，并实现群组通话和功能编号，以提高铁路通信服务能力。FRMCS 作为铁路传统车地无线通信方案GSM-R的后续产品，将有力推动欧洲铁路的数字化变革，有助于实现欧盟的绿色交易目标，发展高效的欧洲铁路客货运输［21］。

2023年6月，在 UIC的牵头组织下，围绕铁路FRMCS原型系统进行开发和试验的5GRAIL项目成功搭建环境并测试了端到端FRMCS通信网络。5GRAIL项目原型支持欧洲列车控制系统（ETCS）、语音群呼和铁路紧急呼叫等功能。5GRAIL 项目支持 5G FRMCS 技术的市场应用和试点，为未来通信系统铺平道路［22］。

2. 1. 2　德国斯图加特轨道交通枢纽数字化升级项目

德国启动了斯图加特轨道交通枢纽数字化升级项目。该项目是“德国数字化铁路”战略的 3 个项目之一，旨在增强铁路网的运输能力并提升其服务质量。该项目为斯图加特市中心范围内的100多公里铁路设置数字联锁设备，并为ETCS和列车自动驾驶 （ATO） 系统轨旁设备提供支持。这将使斯图加特成为德国第1个数字化的铁路交通枢纽，可提高铁路系统的效率和安全性［23］。

2. 1. 3　瑞士半自动运行的ATO系统　

瑞士 Auto-Ferrivia 团队提出半自动运行的 ATO 系统，该系统允许在传统铁路使用地面光学信号系统和传统列车超速防护系统 （ATP） 的基础上叠加应用Auto-Ferrivia ATO，可以在很大程度上不受列车和基础设施的约束。按照 Auto-Ferrivia ATO 方案，在列车运行当中，司机可以随时控制列车并禁用该 ATO。列车运行由现有列控系统监控，而该 ATO 系统以后台方式工作，并在列车超过一定速度时自动启动制动干预。瑞士铁路公司对该 ATO 系统进行的现场测试表明：该系统在低密度、运营规则简单的线路上可以快速引入，且很容易实现。自2020年初以来，该系统已在瑞士东南铁路公司成功试运行，并在运行中不断进行适应性调整和优化。与联锁系统或现代列控系统不同，该系统在信号方面没有按信号故障安全原则进行构建，简化了系统审批过程，提高了系统灵活性，并降低了成本［24］。

2. 1. 4　日本半自动驾驶辅助系统　

自 2020 年 12 月起，日本九州旅客铁道（JR 九州）基于 ATO 系统，在香椎线全线开展了有司机值乘的半自动驾驶验证试验。截至2023年，正式实施半自动驾驶的运营列车已占67%，试验距离达到30.5 万 km。半自动驾驶的主要特征是将列车速度控制在限制速度以下、在停靠站的站台上定位停车、区间恢复正点运行，以及临时限速时可切换为司机操作优先等。但是，即使在司机操作优先模式下，列车仍然受系统生成的顶棚速度模式曲线的控制，不会发生超速、停车冲标等问题。在开始半自动驾驶试验之前，将司机示范的理想驾驶方法作为行驶日志信息存储于数据库。试验证明，以司机驾驶为基础，利用车载数据库即可实现精确的停车控制。半自动驾驶辅助系统具有机器学习功能，以理想的模式自动驾驶，能实现削减能耗、提高乘坐舒适度等效果［25］。

2. 2　检测监测数字化项目　

2. 2. 1　美国诺福克南方铁路公司人工智能列车检测系统

2023 年 10 月，美国诺福克南方铁路公司 （Norfolk Southern Railway）开始使用人工智能检测技术，在遍布22 个州的网络中部署数字列车检测系统，以加强诺福克南方铁路公司的安全和检查机制。该系统集成了由佐治亚理工研究所 （GTRI） 与诺福克南方铁路公司合作开发的机器视觉检测技术，数字列车检查入口配有2 400万像素轨旁摄像头和高效照明系统。机器视觉检测技术记录了经过轨道车的详细图像，同步拍摄行驶速度超过110 km/h的轨道车图像大约1 000张，通过对这些图像进行人工智能分析，寻找潜在的异常情况。诺福克南方铁路公司开发了 38种高精度、低误报率的深度学习算法，目前可在主要交通路线上运行，将生成的所有数据发送到公司的网络运营中心，由专家进行审查并根据问题的紧迫性程度提出解决方案，以便快速解决并确保铁路安全［26］。

2. 2. 2　荷兰列车传感器监测系统健康　

为方便乘客及时获取列车到站信息，荷兰铁路基础设施管理局 （ProRail） 大量投资铁路数字化发展，旨在实现设施的数字化运营与维护。ProRail 通过在检测列车上安装物联网传感器，以监测各系统的健康状况，并定期进行手动状态评估。工作人员通过升级状态监测的频率和自动化程度获得更多相关数据和信息，从而更好地管理整个系统。例如，通过检测列车获得轨道历史磨损数据，根据历史数据推演未来可能出现的影响因素，以此来确定荷兰境内的线网中哪些轨道需要更换。这种分析方式使运营商深入了解设施的寿命、风险、预算和预期绩效等情况，以便更加有效地安排运维工［27］。

2. 2. 3　韩国三维灾害应对疏散系统　

韩国铁道研究院 （KRRI） 近年来针对铁路设施开发了基于精确定位和数字孪生技术的三维灾害应对疏散系统。这项技术将铁路设施数字化，实现了各类设施的三维模型显示，可在灾害发生时迅速分析人员位置和密度，规划疏散路线。该系统运用了基于知识图谱的人工智能模型和室内定位技术来综合考虑三维信息，包括阻塞的路线和损坏的结构，适用于各类铁路设施可能发生的灾害情况，确保及时准确地识别灾害现场信息，保障人员安全。KRRI还计划开发电话提醒应用程序，并在实际铁路车站进行示范研究，以推广该系统的应用［28］。

2. 3　养护维修数字化项目　

2. 3. 1　德国新型轮对分析模块　

德国公司 ZEDAS GmbH 推出 zedas®asset 新型轮对分析模块。该模块以对轮对定期进行自动或者半自动测量和评估为基础，通过分析和预测轮对数据，优化维修流程，对轮对加工或更换进行更精确的计划和管理。zedas®asset 模块具有可视化显示车轮或车轴上不同测量点的磨损过程、预测超出车轮踏面基圆直径及其他测量参数极限值的时间、确定轮对的剩余使用寿命和剩余走行里程、自动将计算数据应用于维修计划等功能。通过使用数字化、智能化的辅助设备，实现更经济和更易规划的轮对维护工作，可以精确地确定轮对更换或重装的理想时间以及轨道车辆的使用寿命［29］。

2. 3. 2　法铁数字孪生建模　

SNCF近年来在基础架构设施数字孪生建模方面投入大量资金，建设的数字孪生模型也被用作多种计算机系统的互联工具来确保数据的流通，并向相关工作人员共享数据，针对具体情况提出应对措施。通过数字孪生技术提升系统性能的重要项目主要包括 5 个：（1） 确保铁路系统全生命周期内的施工及运维信息具有数字连续性，便于全员访问数字化数据，提升养护维修效率；（2） 基于LiDAR 3D点云数据对铁路基础设施全面实施数字化，通过开发复杂算法判断可验证设备是否合规安装，来提升基础设施性能和安全性；（3）通过 LiDAR 连续数据自动分析，可快速完成高精度线路测量，检测导线柱可自动生成远距离定位图，优化养护维修过程；（4） 利用 LiDAR 数据快速识别道砟过剩或不足区域，便于对其进行管理回收或重新定位，优化道砟循环，提升经济效益与运营维护效果；（5）通过点云数据对比，自动检测识别维修后轨道上残留的异物，及时通知现场人员清理，加快人员响应速度并降低安全风险［30］。

2. 4　运输组织数字化项目　

2021年9月，欧洲一体化铁路地区推出数字自动耦合（DAC）项目。DAC技术旨在进一步实现组装货运列车自动化，消除调度人员繁重的手工作业。DAC技术将制动器的空气管路、电源和数据管路自动连接，实现制动测试、列车末端检测和货车序列记录等耗时的列车编组任务自动化［31］。欧洲安装DAC的数字化货运列车已于2023年完成在整个欧洲货运线路和编组站上的试运行，证明了 DAC 的实用性。DAC 项目为实现欧洲铁路货运系统完全自动化和数字化提供了支撑［32］。

2. 5　移动装备数字化项目　

2023 年1月，英国列车运营商北方铁路公司（Northern Railway） 采用美国国家航空航天局 （NASA）的技术完成了首列“智能列车”改造。该列车配备了安全与安保车载系统及入侵检测系统，使用尖端的云分析工具对系统统计数据进行分析，能有效识别并防御潜在威胁，以提供解决列车监控和维护的方案。通过无线以太网桥接，将不同类型的列车单元连接在一起，使得列车司机可以从驾驶室实时观看所有车厢的视频。乘客可以享受Wi-Fi和使用乘客信息系统，获取列车到站、临时停车和列车安全须知等信息，实时显示最新情况。北方铁路公司智能列车改造项目能够实时监控列车性能，收集轨道和其他基础设施的相关信息，使铁路旅行更安全、更高效，并提高乘客的乘车体验感［33］。

数字化赋能铁路运输主业，通过将新技术与铁路生产运营相融合，实现铁路生产、组织结构和管理模式的优化发展。同时，加强 5G、大数据、数字孪生、区块链等新一代信息技术在现有铁路业务的应用，将有助于实现更高效的数字化运营。国外新技术的应用和项目的开展为我国铁路相关业务的数字化发展提供了启示。

（1） 通信信号。国外通信信号项目的数字化发展主要体现在端到端移动通信，以及半自动驾驶技术的开发方面。相对而言，我国已经研制了CTCS3+ATO列控系统，实现了自主化列控技术应用并具备了开发自动驾驶技术的能力。后续建议完善5G-R技术体系，支撑列车多目标优化运行控制，实现更加先进和高效的列车运行管理。

（2） 检测监测。国外检测监测数字化发展主要集中在通过人工智能检测技术对列车数据进行分析提升行车安全、通过基础设施传感器优化运维流程、通过数字孪生与精确定位相结合实现灾害预警与疏散。我国铁路研制了智能动车组系统、无人值守智能牵引变电所等，实现基础设施、移动装备和运行环境的状态实时检测。后续建议通过空-天-地一体化网络实时感知与预警风险灾害，提升基础设施状态密切监测感知能力，优化供电安全检测监测系统 （6C） 多方数据汇聚与分析效能。

（3） 养护维修。国外养护维修数字化研究包括通过数字辅助设备提升移动设备维修效率、基于数字孪生模型优化养护维修流程等方面。我国铁路已经研发了融合 BIM+GIS 数据的一体化运维平台，实现了基础设施全生命周期的运维可视化和数字化。后续建议加强基础设施和移动装备的数字孪生运维平台建设，模拟真实场景并优化养护维修流程，将计划修的检修模式优化为精准预防修。

（4） 运输组织。国外运输组织数字化主要涉及自动钩车及检测末端，优化了数字化列车编组任务。我国铁路已经开发了铁路调度集中控制（CTC） 系统、智能综合调度系统等，提高了运输效率。后续建议推进自动化和数字化列车运行图编制、根据环境多变特征增强驾驶智能决策能力、根据列车实时状态实现精准行车辅助决策。

（5）移动装备。国外移动装备数字化体现在智能列车改造方面，不仅实现了列车实时监控和安全防护，旅客还能实时掌握乘车信息提升体验感。我国铁路已经开发了自动驾驶智能动车组，速度可达350 km/h。后续建议优化完善移动装备及其关键部件的全生命周期信息采集能力，增强移动装备造修全流程数据整合效率。

数字化转型是全球各行业发展的必然趋势，也是铁路行业不可或缺的改革之路。随着科技的飞速发展，数字化技术为铁路运输带来了无限可能，同时也带来了新的挑战和机遇。通过数字化赋能，铁路行业可以优化运营效率、提升服务质量、降低成本并应对日益增长的市场竞争。铁路行业必须摒弃传统模式，积极利用数字技术和数字化方案，推进铁路运营方式的变革和提升，同时不断提高安全性，满足更高的安全需求［34］。同时，通过分析国外铁路数字化实践经验，可以为我国铁路业务应用数字化发展提供有益启示。我国铁路行业需要制定完善的数字化战略和管理体系，适应不断变化的市场环境，提高企业的数字化能力，不断推动铁路行业的可持续发展，为未来发展作出更大贡献。

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