交通基础设施智能化基础课件 第九章 智慧铁路

第9章智慧铁路本章重点智慧铁路概述及背景智慧铁路关键技术监测/检测技术本章重点智慧铁路概述及背景智慧铁路关键技术监测/检测技术智慧铁路的发展背景——地理特征由我国的经济地理特征、工业布局、自然资源、能源分布特点，北煤南运、西煤东运、西电东送、南粮北运等基本运输格局。铁路运输具有运距长、连续性强、规模集约等特点，能够突破地域对国家和国民经济整体性和联系性的空间阻隔。智慧铁路的发展背景——历史特征交通是实业之母，铁路是交通之母——孙中山京张铁路（1909年正式运营）京张铁路起始自北京丰台，经居庸关、八达岭，沙城、宣化至张家口。全长201.2公里，是中国人自行设计和建造的第一条干线铁路。由中国杰出的工程师詹天佑负责设计和修建。智慧铁路的发展背景——发展现状我国铁路事业迅猛发展，铁路客货运输周转量现居世界第二，铁路每公里运量密度世界最高，截至目前，我国已经拥有全球里程最长、覆盖最广的铁路网。八横八纵高速铁路主通道近5年来客货运发送量我国已成长为全球重要的交通大国智慧铁路的发展背景——发展现状2019年我国发布了《交通强国建设纲要》，强调要从交通大国向强国迈进，其中，铁路建设被排在首要位置！规划明确提出了智能高铁和智慧铁路的建设，智能高铁和智慧铁路是满足现代化铁路需求的必由之路。智慧铁路概述打造安全可靠、经济高效、温馨舒适、方便快捷、节能环保的新一代铁路运输系统云计算物联网大数据人工智能北斗卫星系统BIM技术铁路移动装备固定基础设施相关内外部环境全面感知泛在互联融合处理主动学习科学决策铁路建设运输全过程全生命周期信息化自动化智能化智慧铁路的发展数字铁路智能铁路铁路智能运输系统数字铁路：铁路所有资源及其运行环境时空变化的数字化。关键技术状态感知大容量传输融合处理可视化表达——北京交通大学贾利民教授智慧铁路的发展数字铁路智能铁路铁路智能运输系统——北京交通大学贾利民教授智能铁路：基于状态信息的全面感知、传输、处理和共享集成，协调优化铁路各业务流程和各类资源，以较低成本达到保障安全、提高运输效率、改善经营管理的目的。关键技术控制与优化知识推理与决策支持协同计算与任务求解智慧铁路的发展数字铁路智能铁路铁路智能运输系统铁路智能运输系统：以实现信息采集、传输、处理和共享为基础，通过高效利用与铁路运输相关的所有移动、固定、空间、时间和人力资源，以较低的成本达到保障安全、提高运输效率、改善经营管理和提高服务质量目的的新一代铁路运输系统。关键技术信息处理技术通信技术控制与系统技术计算智能与决策支持技术智慧铁路的发展数字铁路智能铁路铁路智能运输系统本章重点智慧铁路概述及背景智慧铁路关键技术监测/检测技术智慧铁路逻辑概况状态感知层：采集获取沿线基础设施、列车、运行环境及客货服务对象等的状态数据，用于将物理组成部分进行数字化处理。智慧铁路是一个复杂的系统工程，从逻辑上来看，由物理层、状态感知层、信息融合层、智能分析层、业务优化层、协同服务层及系统目标层等组成。物理层：构成铁路系统的物理组成部分，包括沿线基础设施、车站、列车及运行环境等。系统目标层协同服务层业务优化层智能分析层信息融合层状态感知层物理层智慧铁路逻辑概况智能分析层:利用人工智能，进行知识发现、挖掘，形成知识库为业务优化提供知识支撑。信息融合层：通过网络融合、数据融合将大数据进行高效传输、集中管理、有效组织和全息表达，为智能分析层提供准确、有效、完备的信息资源。系统目标层协同服务层业务优化层智能分析层信息融合层状态感知层物理层业务优化层:利用优化模型，对设备设施管理、运输组织调度、安全应急管理进行最优化决策和执行，为智能铁路系统服务对象提供最佳内部功能支撑。智慧铁路逻辑概况系统目标层:实现更加智能高效、安全可靠、优质服务及绿色环保的铁路运输系统。协同服务层:通过服务定制和无缝协同，为客货对象、管理者以及合作方等提供个性化、及时和舒适的位移服务。系统目标层协同服务层业务优化层智能分析层信息融合层状态感知层物理层关键支撑技术实现层融合层通信层感知层知识推理分布式计算互操作大容量通信物联网网络安全数字铁路智能铁路RITS2010201320202030ComputationalIntelligenceCloudComputingXML、AGENT、Meta-dataIPWare/WirelessDigitalPhysicalSystemCollaborativeSwarmIntelligenceUbiquitousCloudComputingSemanticNetworkIPConvergenceUbiquitousSystemHighConfidenceAutonomousSystemIntelligentCloudComputingAdaptiveAgentIPNextGeneration“dust”AutonomousNetworkHighAuailability关键支撑技术关键技术物联网技术（感知层）大容量通信技术（通信层）云计算及互操作技术（融合层）知识推理技术（实现层）网络安全技术（整个系统）互操作技术（衔接）EIFNICIP关键专用技术智能建造智能勘探智慧工地施工机器人自动化质检智能建造将BIM、GIS、数字孪生、施工机器人、自动化质检、预制化与拼装化等与工程建造技术相融合，实现高速铁路勘察设计、工程施工、建设管理全过程的智能化管控。关键专用技术智能装备智能动车组技术铁路移动通信技术智能安全保障技术智能检测监测技术高铁速度越来越快，对状态监测与预警、设备设施检测监测等要求提高，对智能型动车组、全方位智能安全保障等方面的需求迫切。智能装备目标包括探索基于智能设计与制造的自修复型动车组，构建全方位智能安全保障体系等。关键专用技术智能运营智能票务技术智能客站技术智能调度技术智能运维技术旅客出行需求丰富多变，基础设施与移动装备运维一体化要求越来越高。智能运营目标是实现全面电子客票，提供全方位、全行程的门到门服务，探索基础设施与移动装备的无人运维等。本章重点智慧铁路概述及背景智慧铁路关键技术监测/检测技术无砟轨道特点及铺设无砟轨道:一种全新的轨道型式，利用混凝土、沥青混合料修筑整体基础，以替代散粒碎石道床，又称作无碴轨道，是当今世界先进的轨道技术。智能施工装备底座混凝土自动化整平机智能分枕机智能精调机承轨台检测机器人防灾安全监测技术轨道损坏致列车冲出轨道路基损坏致列车脱离路基接触网损坏致列车停航钢轨在列车和外界自然条件作用下，结构状态不断发生变化，产生轨道不平顺，随列车速度、密度不断增加，加快了钢轨恶化速度。因此，需对铁路路基沉降、轨道不平顺等病害进行监测。沉降变形路基作为铁路轨道结构的基础，在列车运行中起着关键作用。水平位移应力变化……线路监测的必要性线路监测/检测技术线路监测主要包含桥梁监测、隧道监测、轨道监测、接触网监测和路基监测等五部分内容。桥梁监测隧道监测轨道监测路基监测接触网监测线路监测/检测技术合成孔径雷达干涉技术(InSAR):使用卫星或飞机搭载的合成孔径雷达系统获取高分辨率地面反射复数影像，然后根据回波的相位差来生成数字高程模型或者地表形变图。复型影像数据配准生成干涉图相位解缠计算目标高程InSAR监测原理在测量地面起伏高程方面具有优势，应用于高铁设计选线、地貌及建筑物变形监测、地面沉降监测等。线路监测/检测技术静力水准仪：由液位计、连通管、储液灌、圆柱形线位移式电容传感器组成。一或多台网络自动化控制平台构成，与测点层共同组成系基本结构网点。分布于路基沿线各测点处的底层仪器构成。相邻测点构成测点群，各测点群配备一台CCD基准测量仪及若干CCD水平监测仪。工控计算机担任监控主机，配合预警监测软件构成运行控制管理层。线路监测/检测技术轨道监测总体结构图轨道不平顺检测多使用综合检测车。铁路高速综合检测列车（CIT）是一系列应用于高速铁路的综合检测动车组列车。0号铁路高速综合检测列车（中国）定期检测综合检测高速检测轨道接触网通信信号>200km/h防灾安全监测技术铁路地质防灾安全监测是保证高速列车行驶安全的重要技术之一。系统对可能发生的自然灾害（风、雨、地震）、异物侵入限界进行监测报警和防护，提供经智能分析后的预警、限速、停运等信息，为运行计划调整、下达行车管制、抢险救援、维修提供依据，保证高速列车安全正点、高效舒适。列车轨道与公路桥交叉处出现落物沙尘暴或特大风暴导致列车出轨翻车暴雨造成山体滑坡导致列车脱线、颠覆防灾安全监测技术种类适用性变形监测宏观地质调查各种地质灾害的实地宏观地质调查。地表位移监测崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降等地质灾害的地表整体位移和裂缝位移监测。深部位移监测对具有明显深部滑移特征的崩塌灾害的深部位移监测。物理与化学场监测应力场监测崩塌、滑坡、泥石流灾害体特殊部位或整体应力场变化监测。地声监测岩质崩塌、滑坡以及泥石流灾害过程中的声发射事件特征。电磁场监测灾害体演化过程中的电场、电磁场的变化信息。灾害体温度监测滑坡、泥石流等地质灾害在活动过程中的灾体温度变化信息。放射性测量裂缝、塌陷等灾害体特殊部位的氡气异常。汞气测量裂缝、塌陷等灾害体特殊部位的汞气异常。诱发因素监测气象监测崩、滑、流、塌陷、地裂缝等明显受降水影响的地质灾害。地震监测崩、滑、流、地面塌陷等明显受地震影响的地质灾害。人类工程活动人类工程活动对地质灾害的形成、发展过程的影响。地下水监测地下水动态监测滑坡、泥石流、地面塌陷等灾害的地下水位动态变化。孔隙水压力监测滑坡、泥石流灾害的内部孔隙水压力。地下水质监测滑坡、泥石流、地面塌陷、海水入侵等灾害的地下水质。GPS技术三维激光扫描技术近景摄影技术INSAR（干涉雷达技术）防灾安全监测技术铁路安全防灾监测系统现场层设备现场灾害信息采集，由风速、雨雪量、地震、异物传感器等监测设备组成。基站层设备用于对现场采集设备采集的数据进行处理和上报，由监控单元组成。监控数据处理设备对上报数据进行存储、分析、转发，由应用服务器、数据库服务器组成。应用层设备人机界面显示并统计灾害数据，由各种应用终端组成。防灾安全监测技术滑坡：通常是指斜坡岩土沿着贯通的剪切面所发生的地质位移现象，是一种广泛分布且十分具有危害性的地质灾害。监测技术GPS技术遥感监测技术近景摄影监测技术TDR测量分布式光纤防灾安全监测技术气象监测分站设置在铁路沿线，采集数据处理汇聚后，通过网络录入到气象数据服务器，供列车获取气象信息，同时气象数据服务器的应用程序具有分析报警功能，会主动给发送报警信号，提醒采取避险措施。防灾安全监测技术地震监测报警模式：S波（横波）报警系统，P波（纵波）检测报警系统。S波报警系统P波检测、报警系统通过强震仪监测出S波，立即发出列车停止运行的控制信息。通过P波及强度判别出震中、方向和震级，利用P波走时快于S波，在对铁路危害较大的S波到达铁路沿线前，提前发出列车停止运行