高速铁路物联网技术

高速铁路基础研究与技术创新丛书

编委会

主任委员:

卢春房

委员:

翟婉明杜彦良李椿萱周黎李迎九

王滨刘为群赵鹏盛黎明丁叁叁

高亮唐涛白明洲

国家出版基金项目

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

高速铁路基础研究与技术创新丛书

现代信息技术系列

高速铁路物联网技术

本丛书编委会总主编

史天运孙鹏张惟皎陈瑞凤编著

方滨兴主审

中国铁道出版社有限公司

年北京

2022·

内容简介

本书为高速铁路基础研究与技术创新丛书之分册本书结合铁路智能转型战略发展要

“”。

求着眼于行业信息化发展未来填补了铁路物联网系统性研究的空白全书共七章包括高

,,。,

速铁路物联网概念总体框架数据采集体系服务平台核心技术安全技术以及创新应用

、、、、、

实践

。

本书可为从事铁路物联网技术研究和应用建设的读者提供理论支撑和实践参考也可作

,

为高等院校相关专业师生的参考书

。

图书在版编目CIP数据

()

高速铁路物联网技术史天运等编著北京中国铁道出版社

/—:

有限公司.

,

高速铁2路02基2.础4研究与技术创新丛书现代信息技术系列

()

十四五时期国家重点出版物出版专.项规划项目

“”

ISBN978-7-113-29029-0

高史物联网应用高速铁路铁路运输

……

发展Ⅰ.研①究Ⅱ.①Ⅲ.①---

-Ⅳ.①U29-39

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2022)052443

书名:高速铁路物联网技术

作者:史天运孙鹏张惟皎陈瑞凤

策划:朱敏洁

责任编辑:朱敏洁编辑部电话:电子邮箱:

(010)51873134zhuminjie1105@163.com

封面设计:高博越尚明龙封面摄影:王明柱丛书标识设计:崔丽芳

责任校对:孙玫

责任印制:高春晓

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

印刷:北京联兴盛业印刷股份有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202241202241

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1613254

书号:

ISBN978-7-113-29029-0

定价:元

88.00

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书如有印制质量问题请与本社读者服务部联系调换电话

,,。:(010)51873174

打击盗版举报电话

:(010)63549461

高速铁路基础研究与技术创新丛书

编辑组

组长:王滨

副组长:杨新阳

策划:(以姓氏笔画为序)

王健王风雨王明容亢嘉豪田甜朱敏洁刘霞

江新锡李小军李润华李嘉懿杨哲时博邱金帅

张婕陈小刚金锋徐艳徐清黄璐曹艳芳

崔忠文傅希刚曾露平熊安春黎琳薛丽娜

编辑:(第一期,以姓氏笔画为序)

王风雨亢嘉豪田甜白小玉冯海燕朱荣荣朱敏洁

刘霞李小军李润华邱金帅张瑜赵昱萌赵雅敏

黄璐鹿金炜曾丽辰薛丽娜魏娟

统筹:李小军刘霞

序

我国高速铁路起步晚、发展快、后劲足,经过几代人的不懈努力,通过原始创新、

集成创新、引进消化吸收再创新,成功地走出了一条符合中国国情路情、具有中国特

色的自主创新之路。我国已系统掌握各种复杂地质和气候条件下高速铁路建造成

套技术;在工务工程、列车运行控制、牵引供电、动车组等高速铁路核心技术方面实

现自主化;形成了复杂路网条件下处理跨线运行的运营管理成套技术,构建了人防、

物防、技防三位一体的主动安全保障机制。我国已成为全球高速铁路运营里程最

长、在建规模最大、运营速度最快、技术体系最全、运营和管理经验最丰富的国家。

我国高速铁路技术已走在世界前列,成为推动世界高速铁路发展的重要力量。

为贯彻落实中共中央、国务院《交通强国建设纲要》,推进国铁集团《新时代交通

强国铁路先行规划纲要》的落地,系统总结、梳理我国高速铁路各领域前沿理论和技

术,向我国乃至世界高速铁路科研工作者和工程技术人员提供一套前沿性的参考

书,中国国家铁路集团有限公司铁道出版社公司特组织编著出版“高速铁路基础研

究与技术创新丛书”。

丛书以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,以国家自然科学基金课

题、国家基金委国铁集团高铁联合基金课题、国家“”课题、国家重点研发计划课

-973

题等科研成果为支撑,从高速铁路前沿研究、补短板技术、核心技术、技术发展趋势

等方向组织选题,涵盖动车组、供电、通信与信号、列控与检测、工程勘察与设计、智

能建造、运营与管理、现代信息技术、安全和维护等领域,规模为册,是全面系统

100

论述我国高速铁路基础研究与技术创新成就的大型系列原创性科技著作。

丛书力求突出制高点、原创性、权威性、全覆盖特色。丛书各册内容以作者团队

长期从事高速铁路科学研究的成果为依托,多数成果居于国内领先水平甚至世界先

进水平,多种成果荣获国家科学技术奖一等奖、二等奖,国家技术发明奖一等奖、二

等奖,茅以升科学技术奖,詹天佑铁道科学技术奖,铁道科技进步奖等奖项,丛书内

容体现了我国当今最新、最前沿以及展现未来发展趋势的高速铁路相关研究成果和

ⅱ高速铁路物联网技术

应用技术。丛书包括动车组、供电、工程施工与组织等十个系列,基本实现高速铁路

各领域全覆盖。

丛书由编委会总负责。编委会阵容强大,认真负责。编委会各成员都是长期从

事我国高速铁路科研、技术、生产和管理的一流专家学者,是所从事领域的翘楚,其

中包括高速铁路及其相关领域的四位院士。编委会多次开会商讨丛书的体系、内容

特色、作者条件及质量保障机制;分工负责,精心审订和修改各册编写提纲;多次遴

选选题,先从多个选题意向中遴选出个选题,后又剔除了内容特色不太鲜

150100

明的个选题,还对多个选题提出了较大的改进意见,补充了个关键技术和弥

8108

补技术空白的选题;最后邀请专人对各册内容进行审定,从而保证了各册内容的正

确性和先进性。

年年底,国家新闻出版署经过严格评审,“高速铁路基础研究与技术创新

2021

丛书”(册)成功入选“‘十四五’时期国家重点出版物出版专项规划———重大出

100

版工程”。这是对本丛书项目的认可,也是对编委会、作者和编辑等人员前期工作的

认可,更是一种鞭策。我们相信,本丛书的出版,将助力于《交通强国建设纲要》的贯

彻落实,推动我国乃至世界高速铁路事业的发展,也将为铁路领域的科研工作者、工

程技术人员、管理人员,以及高校相关专业师生提供一套高水平、原创性、权威性、全

覆盖的大型高铁科技精品著作。

中国工程院院士

“高速铁路基础研究与技术创新丛书”编委会主任

年月

20222

前言

本书为“高速铁路基础研究与技术创新丛书”之分册,按丛书要求,力图体现高

速铁路物联网技术研究的制高点、前沿性、原创性特色。

物联网作为新一代信息技术,受到了各国政府和专家学者的密切关注,在全球

范围内一直处于蓬勃发展阶段,其技术发展和产业应用具有广阔的前景和巨大的潜

力,物联网技术变革正在逐渐将我们带入一个万物感知、万物互联、万物智能的智能

世界。

高速铁路具备速度快、运能大、能耗低、污染小及安全舒适等综合效能,需要铁

路多个专业协同联动来保障高铁各类业务顺畅运营,是一个大规模复杂的业务应用

场景,支撑其运转的智能化信息系统必须具备很强的数据采集能力和自动化水平,

尤其是对数据采集的实时性、可靠性、准确性达到了极高的要求,这对高铁设备设施

的自动标识识别、实时状态监测、位置定位跟踪乃至数据的互联互通和高效管控,以

及信息综合处理和智能决策分析均提出了严峻挑战,对高铁客户精准需求识别和温

馨服务、运输内外部环境实时感知和精准预测等提出了新需求。高速铁路物联网对

于打造高铁新一代信息基础设施,完善全路数据采集能力体系,形成运输全要素互

联互通,支撑行业智能转型升级,具有基础性、全局性、关键性的作用。

本书内容基于中国铁路科技研究开发计划“铁路物联网总体方案及平台研究”

()、国家重点研发计划“物联网智能开放服务平台及应用示范”

2017X006-C

()的研究成果。本书结合铁路智能转型战略发展要求,研究给出

2018YFB2100405

了高速铁路物联网的概念、技术定位,设计了目标蓝图;从业务需求出发提出高铁物

联网的总体架构,并首次提出了铁路物联网包括标识识别、状态传感、定位导航、控

制操控的感知技术;经历多轮深入调研,全面系统地梳理高铁物联网数据采集

3.5

体系;借鉴国内外最新设计理念,提出铁路物联网平台的基础定位、平台架构和关键

技术;深入研究多维信息感知、标识解析体系、物端网络接入、云边协同计算,以及铁

路物联网安全等铁路物联网核心技术,并重点论述了两个物联网赋能的高速铁路创

ⅱ高速铁路物联网技术

新应用实践。本书着眼于行业信息化发展未来,填补了铁路物联网系统性研究的空

白,体现出了较高的创新性。

物联网技术形式多样、技术繁杂、牵涉面广。本书在撰写过程中秉承科学严谨、

系统实用的原则,并辅以大量图例以便于读者理解,实用性强。通过学习本书不仅

使读者对整个物联网技术体系获得全面认识,而且为从事铁路运输行业物联网技术

研究和应用建设的读者提供理论支撑和实践参考,对正在钻研和从事铁路信息化、

智能化应用研发的专业技术人员也具有重要借鉴意义。

在编著者前期研究过程中,马建军、周亮瑾、李博、丁晓萌等给予了重要的指导,

刘春煌、沈海燕、吕晓军、李平参与了总体架构讨论,李樊、刘承亮、马小宁、蒋荟、

贾志凯、王辉、卢文龙、王瑞、蒋秋华、王治、徐晓磊、杨国元、姚剑、端嘉盈、王小书、

刘丹凤、陈彦、李莉等参与了各专业数据采集体系的资料提供和研讨,王滨、殷丽华、

李凤华、卓兰、付根利、王晓春、郭志达、金勇华等也为本书成书提供了支持和建议,

在此一并表示真诚的感谢!

由于本书内容涉及面广、热点技术发展快,编著者水平有限,书中难免出现错漏

之处,恳请读者批评指正。

编著者

年月

20221

目录

第1章绪论…………

1

高速铁路物联网概念………………

1.11

背景……………………

1.1.11

物联网及相关概念…………

1.1.22

高速铁路物联网概念………

1.1.32

高速铁路物联网相关术语…………………

1.1.43

与铁路信息系统智能铁路的关系…………

1.1.5、3

物联网对高速铁路的创新引领作用………

1.1.63

铁路物联网现状与智能铁路发展…………………

1.24

总体发展现状………………

1.2.14

国内外发展规划……………

1.2.24

行业物联网现状……………

1.2.37

铁路物联网现状……………

1.2.48

高铁物联网总体目标和建设原则…………………

1.311

总体目标……………………

1.3.111

建设原则……………………

1.3.212

第2章高速铁路物联网总体框架……………………

13

高速铁路物联网需求分析…………

2.113

总体需求……………………

2.1.113

业务需求……………………

2.1.215

数据需求……………………

2.1.318

网络需求……………………

2.1.418

系统需求……………………

2.1.519

安全需求……………………

2.1.620

高铁物联网总体架构………………

2.221

参考体系架构………………

2.2.121

总体框架……………………

2.2.222

业务应用体系………………

2.2.325

技术架构……………………

2.2.428

ⅱ高速铁路物联网技术

网络架构……………………

2.2.531

安全方案……………………

2.2.634

标准体系……………………

2.2.736

第3章高铁物联网数据采集体系……………………

38

客运……………

3.138

高铁快运……………

3.241

机车车辆……………

3.353

工务……………

3.458

供电……………

3.564

电务……………

3.668

工程建造……………

3.770

信息……………

3.875

第4章铁路物联网平台………………

77

平台基本定位………………………

4.177

平台总体架构………………………

4.278

平台逻辑架构………………………

4.380

平台主要功能………………………

4.481

铁路标识解析体系…………

4.4.181

铁路设备普适接入…………

4.4.283

铁路云边协同计算…………

4.4.384

平台公共基础服务…………

4.4.485

平台关键技术………………………

4.587

异构标识编码体系兼容解析………………

4.5.187

设备的统一连接和集中管理………………

4.5.289

云中心与边缘节点协同计算………………

4.5.391

下一代物联网支撑技术……………………

4.5.493

第5章高铁物联网核心技术…………

95

铁路感知技术………………………

5.195

铁路标识识别技术…………

5.1.195

铁路状态传感技术…………

5.1.297

铁路定位导航技术…………

5.1.399

铁路控制操控技术………

5.1.4100

铁路标识解析技术………………

5.2101

标识解析体系的国家战略布局…………

5.2.1102

目录ⅲ

铁路物联网标识解析体系方案…………

5.2.2104

铁路物联网标识解析关键技术…………

5.2.3107

铁路物联网标识解析体系应用…………

5.2.4108

铁路物端连接技术………………

5.3109

面向铁路的业务应用场景…………

5.3.15G111

铁路通信的通用性要求……………

5.3.25G113

面向铁路的网络参考架构…………

5.3.35G115

铁路物联网应用关键问题…………

5.3.45G118

铁路技术应用发展实施策略………

5.3.55G120

铁路边缘计算技术………………

5.4120

边缘计算与云计算模型关系……………

5.4.1121

铁路边缘计算应用参考架构……………

5.4.2122

铁路移动边缘计算参考架构……………

5.4.3123

铁路边缘计算业务应用场景……………

5.4.4125

第6章高铁物联网安全技术…………

127

高铁物联网的安全挑战…………

6.1127

物联网设备安全挑战……………………

6.1.1127

物联网网络安全挑战……………………

6.1.2128

物联网数据安全挑战……………………

6.1.3129

物联网应用安全挑战……………………

6.1.4130

高铁物联网安全的特点…………

6.2131

高铁物联网安全参考框架………

6.3133

高铁物联网的安全策略…………

6.4134

物联网设备安全策略……………………

6.4.1134

物联网网络安全策略……………………

6.4.2135

物联网数据安全策略……………………

6.4.3136

物联网应用安全策略……………………

6.4.4136

物联网安全的全生命周期管理…………………

6.5137

第三方安全采购…………

6.5.1137

安全设计开发……………

6.5.2138

安全部署运维……………

6.5.3139

保障物联网安全的新兴技术……………………

6.6139

物联网的云安全控制……………………

6.6.1139

基于区块链的信息安全…………………

6.6.2140

ⅳ高速铁路物联网技术

人工智能安全检测………

6.6.3141

新型网络组网技术………

6.6.4141

第7章物联网赋能高速铁路创新…………………

142

物联网赋能的高铁应用领域……………………

7.1142

智能调度…………………

7.1.1143

智能客运…………………

7.1.2143

智能快运…………………

7.1.3144

智能建造…………………

7.1.4144

智能安防…………………

7.1.5145

智能运维…………………

7.1.6146

智能管理…………………

7.1.7146

高铁物联网建设重点任务………

7.2147

重点领域物联网应用实践………

7.3149

智能高铁客运车站物联网应用…………

7.3.1149

智能高铁动车段物联网应用……………

7.3.2168

参考文献………………………

181

附录缩略语与术语……………………

A188

第1章绪论

1.1高速铁路物联网概念

1.1.1背景

物联网是互联网通过感知网络向物理世界的延伸利用先进技术装备实现泛在感知及

,

控制操控通过采集传输综合处理和决策分析达到实时控制精确管理和科学决策的目

,、,、

的企业物联网数据采集体系可支撑大数据分析对数据质量体量日益提高的要求是构建

。,

信息物理融合系统的基础并各有侧重与当前工业互联网中关于工业全要素互联互

(CPS),

通的发展要求紧密衔接国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见指出物联网是

。《》

新一代信息技术的高度集成和综合运用对推动产业结构调整和发展方式转变具有重要意

,

义并将物联网作为战略性新兴产业的一项重要组成内容国家十四五规划纲要和物联

,。“”

网新型基础设施行动计划中指出打造支持固移融合宽窄结合的物联网接入能力加速推

,、,

进全面感知泛在连接安全可信的物联网新型基础设施建设

、、。

截至年底全国铁路营业里程突破万其中高铁营业里程超过万形

2021,15km,4km,

成了世界上最现代化的铁路网和最发达的高铁网我国铁路正处于关键转型期在交通强

。,“

国铁路先行的时代背景下推动铁路智能转型支撑川藏铁路建设实施客运提质计划货

、”,,,、

运增量行动和复兴号品牌战略等都对铁路信息化提出了更高要求高速铁路的数字化信

,。、

息化智能化整体水平及复杂山区线路的无人化管理客运服务的旅客智慧出行引导货运

、,、、

物流作业的现代化运作复兴号动车组的高新技术集成均以全面透彻的精细感知作为基

、,

础因此必须充分发挥物联网对铁路创新应用的基础提升作用大力推进高铁物联网建设发

,,

展中国国家铁路集团有限公司以下简称国铁集团一直以来非常重视物联网技术深化

。(“”)

利用并在历年全路工作会议中屡次提出应全面发挥物联网在设备资产远程监控和事故故

,,

障预测预防预警中的作用铁路信息化总体规划铁总信息号中提出基于

、、。《》(〔2017〕152)

物联网技术逐步构建形成铁路智能应用提升数据采集质量和设备设施自感知自诊断自

,、、

决策水平最终实现泛在感知全面覆盖精细管控的铁路物联网建设目标

,、、。

2高速铁路物联网技术

1.1.2物联网及相关概念

1.物联网

物联网是通过射频识别红外感应器全球定位系统激光扫描器气体

(RFID)、、(GPS)、、

感应器等信息传感设备赋予目标对象自我感知与标识的能力按照约定的协议把任何物

,,,

体与互联网连接起来进行信息交换和通信实现物与物物与人的泛在连接以实现智能化

,,、,

识别定位跟踪监控和管理的一种网络

、、、。

2.工业互联网

工业互联网是全球工业系统与高级计算分析感应技术以及互联网连接融合的结果

、、。

它通过智能机器间的连接最终将人机连接结合软件和大数据分析重构全球工业激发生

,,,

产力让世界更美好更快速更安全更清洁更经济工业互联网被认为是发展德国工业

,、、、、。

美国先进制造伙伴计划等各国智能制造战略的核心基础物联网也与我国发展工业互

4.0、。

联网的要求一脉相承

。

3.信息物理融合系统

信息物理融合系统是一个综合计算网络和物理环境的多维复杂系统通过

(CPS)、,3C

技术的有机融合与深度协作实现大型工程系统的

(Computation、Communication、Control),

实时感知动态控制和信息服务德国工业将作为核心技术通过智能工厂最终