导言

将Tthings(IOT)的互联网设备融入铁路信号基础设施从根本上改变了铁路网络的运作方式。 通过将传感器、连接和实时分析输入信号系统,铁路正在从静态的、有时制的控制转向动态的、数据驱动的管理。 这一转变不仅提高了安全性和可靠性,而且还打开了新的能力和成本效益水平。 随着全球铁路交通量的不断增长,IOT驱动的信号提供了一条满足日益增长的需求的道路,同时又不牺牲安全或造成大规模基础设施扩张成本。

传统的铁路信号化依赖于固定的区块系统,在以往的列车清理后,轨道路段才留给列车。 尽管这些系统在能力和反应时间上都存在固有的局限性。 IOT通过对资产健康、列车位置和环境条件进行连续、实时监测,来改变这种模式。 其结果是,信号网络具有更强的弹性,适应性,可以在几秒钟而不是几分钟内应对扰动。

铁路信号中理解IOT

铁路信号中的IOT是指在铁路基础设施上部署互联互通的设备——传感器、摄像机、处理器和通信模块。 这些设备通过安全网络收集和交换数据,并配有中央控制系统或边缘计算节点。 然后对这些数据进行分析,无论是本地数据还是云中数据,以便就信号状态、速度限制和路由作出自动决定。

关键赋能技术包括低功率广域网络(LPWAN ) 、 5G 和高级加密协议。 与消费者IOT不同,铁路IOT必须满足严格的耐久性、可靠性和安全标准(例如SIL 4 ) , 这使得集成不仅仅是技术升级,而是工程哲学的转变 — — 从封闭的专有系统到开放的互操作平台。

关于铁路中IOT作用的更广泛观点,见UIC的电信和信号概览。

IOT 启用信号背后的核心技术

传感器和演员

任何IOT信号系统的基础都是传感器网络. TrackQany挂载传感器测量铁路完整性,轮子撞击,以及环境温度. Axle计数器曾经纯电机,现在集成了无线模块用于远程诊断. 带机视线探测器的路边摄像机在轨道上,信号方面进行验证,在站点上进行乘客计数. actuators,例如电点机和信号头,现在配备了IOT控制器,可以报告状态,允许远程调整.

通信议定书

可靠、低电源通信对信号化至关重要。遗留系统依赖于轨道电路和电缆环路。现代IOT部署使用:

  • LTE ⁇ R(铁路的长篇演变) – 列车的专用蜂窝通信标准.
  • 5G –]提供超 适值低频通信(URLLC),适合移动块信号.
  • Wi ⁇ Fi 6和网格网,为车站和车站区.
  • LoRAWAN,用于低功率,长距离传感器数据(例如环境监测).

每项协议都必须硬化,以对付电磁干扰和网络攻击. ETSI铁路技术委员会[公布指导这些执行的标准.

数据分析和边际计算

原始传感器数据没有解释就毫无意义. IOT信号系统使用边缘计算处理源附近的数据,减少延迟和带宽需求. 例如,边缘节点可以分析过往列车的振动,以检测毫秒内断裂的铁路,触发即时信号降级. 集中分析然后将数据汇总到整个网络中,以识别趋势,优化时间表,并预测维护窗口.

机器学习模型经过了历史故障模式的培训,可以预测点电动机何时可能失灵,从而可以在离峰时段进行替换。 这一自动化水平需要强大的数据管道和网络安全措施,稍后将讨论。

主要应用和效益

实时列车跟踪和碰撞避免

以IoT ⁇ 为基础的列车跟踪超出了GPS。 与光纤读器和惯性测量单元相结合的机载传感器提供了连续的、防篡改的位置数据。这可以使行车区块信号能够移动,因为每列列车都携带一个随行的“虚拟区块 ” 。 信号系统根据速度、梯度和天气不断计算安全刹车距离,使列车可以一起运行,而不会损害安全。 结果是线路容量增加了15-30%,而没有铺设新的轨道。

跟踪和信号的预测维护

传统的维护工作是固定的,导致不必要的工作或错失。 IOT传感器监控信号设备的振动、温度、电流图和声学排放。 通过分析趋势,维护团队可以在故障前更换组件。 欧洲铁路公司报告说,IOT驱动的预测维护将信号相关延迟减少高达40%,并削减维护成本20%。

关于铁路的预测性维修,请参考IOT维修的铁路技术特征。

加强能力和交通管理

利用多趟列车和基础设施的实时数据,中央交通管制可以动态调整路线和速度配置. IOT可以实现颗粒控制:而不是为整节设定单节速度限制,信号可以因轨,列车类型而异,这样可以优化能量消耗,减少磨损,例如,货运列车可以根据重量和制动能力获得绿色波,防止不必要的停站.

能源效率

信号系统本身消耗能量,特别是在使用白炽灯或遗留继电器逻辑时。IOT 启用的LED信号,在无列车接近并报告功耗时,会暗淡。 此外,通过平滑交通流量和降低加速/减速周期,IOT信号会减少整体牵引能量。在斯堪的纳维亚,一个试点在IOT 速度咨询后,能源使用率减少了12%。

世界实际执行情况

欧洲列车控制系统(ETCS)和IOT

欧洲铁路交通管理系统(ERTMS)的核心ETCS已经是一个数字信号系统,但是,早期ETCS的水平依赖于轨迹的白化和无线电块中心. 将IOT传感器添加到ETCS基础设施中 — — 如对白化器、交换器和信号的远程条件监测 — — 扩展了它的能力. 欧盟的Shift2Rail倡议积极测试IOT重叠,以与列车位置一起收集实时资产健康数据. 瑞典交通管理局 在其信号资产上部署了数千个IOT传感器,将数据输入一个集中的数字双对.

亚洲智能铁路项目

日本的神舟网几十年来一直使用IoT ⁇ 型系统,轨道和列车上都设有广泛的传感器网络。 最近,中国高速铁路每1000公里轨道部署超过10万个IoT传感器,从铁路温度到信号动力都进行监测。 印度的“专用货运走廊”包含了IoT ⁇ 型信号,以在最小的停站条件下实现110公里/小时的货运速度。 这些项目表明IoT集成不是一个未来的概念,而是一个当今的运行现实。

克服挑战

网络安全脆弱性

将信号设备连接到IP网络会打开攻击表面。 受损的传感器可能会发送虚假数据,导致信号方面不正确。 2022年,欧洲一条主要铁路遭遇了勒索器袭击,中断了火车时刻表,尽管由于故障的“安全”机械备份,信号本身仍然安全。 尽管如此,业界必须采用零 — — 信任架构、安全启动、加密通信以及定期渗透测试。 IEC 62443等标准为工业网络安全提供了框架。

互操作性和标准化

铁路历史上一直使用专有系统. IOT集成需要标准的数据格式和API,允许不同供应商的设备合作. IOT集成像欧洲联盟铁路局[等组织在推动开放接口,但所有权分散,升级周期长,采用缓慢. IOT集成没有互操作性,IOT的采用仍然是零星的,未能提供网络的QQ全局效益.

基础设施和投资

部署数千个传感器、更新通信塔以及安装边际计算装置需要大量资本。 许多铁路的运行预算紧张,资产寿命长(信号使用时间为30年 ) 。 说明前期成本的理由需要明确的回报性投资分析,通常使用试点项目和分阶段推出。 政府和开发银行越来越多地为基于IoT的信号提供融资,作为可持续运输举措的一部分。

铁路信号中的IOT的未来

展望未来,IOT与人工智能和数码双胞胎的融合将创造自我优化的信号网络。火车将传达其意图,并在没有人类干预的情况下谈判轨道插槽。边缘AI将允许实时检测缺陷,而块链则可能确保审计线索的数据完整性。长期愿景包括完全自动化的列车运行(GoA 4),信号成为车辆基础设施连续体的无缝部分。

研究者们在IEEEE智能运输系统交易中定期发布IoT ⁇ 驱动的铁路控制进展。 随着5G的成熟和6G的出现,耐久性和容量限制将解除,从而能够产生更复杂的信号预测。

结论

将IOT设备纳入铁路信号基础设施不仅仅是一种渐进式升级,而是根本性的变化。 通过利用传感器、先进的通信网络和实时分析,铁路正在实现前所未有的安全、能力和效益水平。 尽管网络安全和互操作性等挑战依然存在,但轨迹是明确的:IOT将成为轨道和火车本身信号的有机组成部分。 对铁路运营商来说,投资IOT 驱动信号的时间是现在,以便未来抵御日益增长的需求和不断变化的威胁。