面向交通强国的中国智能高铁体系与发展
李平 首席研究员
中国铁道科学研究院集团有限公司
自2008年京津城际高铁开通以来，中国高铁经历了从跟跑、并跑到领跑的全过程，截止到2020年底中国高铁运营里程达到将近3.8万公里，约占世界高铁运营总里程的70%，中国高铁在世界上具有运营里程最长、运营速度最高、运营场景最丰富的特点。
当前从全球铁路发展来看，更高速、更智能、更绿色成为未来发展的重要方向。如下图所示，2015年起德铁、英铁、瑞铁、法铁等相继提出了数字铁路发展战略，并围绕ATO、MASS、数字孪生、预测性运维等开展重点研究。日铁、韩铁也都在拥抱大数据、人工智能等新技术挖掘铁路潜能，进一步提高铁路的安全性和服务品质。
图1 全球铁路发展方向
从我国高铁自身发展的迫切需求来看，可以归纳为“五化三高”，那就是如何基于信息新技术赋能赋智，进一步提高效率、提升安全性和提供更高品质的服务。围绕这三个大目标需求，具体可分解为五方面的具体需求，即基础设施的数字化、运营装备智能化、调度指挥综合化、运输服务个性化和安全保障泛在化。
图2 高铁智能化发展的总体需求—五化三高
智能高速铁路是广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、BIM、5G等新一代信息技术，综合高效利用资源，实现高速铁路移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的新一代高速铁路系统。其核心是“一条主线、五个能力、五大目标”。
图3 智能高铁的定义与内涵
“一条主线”是实现全生命周期一体化管理，即实现基础设施设计、建造、运营全生命周期贯通。
“五大能力”是智能高铁的特征，即全面感知、泛载互联、融合处理、主动学习、科学决策。
“五大目标”是通过智能技术的应用，实现高铁运营更加安全可靠、更加温馨舒适、更加节能环保、更加经济高效和更加方便快捷。
鉴于智能高铁是一个涉及运输、装备、线路、调度、通信、控制等多个专业、贯穿设计-建造-运维全生命周期的复杂巨系统，做好顶层设计极为必要。为此结合中国高铁智能化特点和需求，中国铁路提出了技术体系、数据体系、标准体系三位一体的智能高铁复杂巨系统体系架构。
智能高速铁路体系架构是从技术、数据、标准等维度对智能高速铁路包含的各组成部分及其相互关系进行的体系化、层次化、规范化设计。智能高速铁路技术体系框架是从技术层面对智能建造、智能装备、智能运营三大板块的核心要素、关联关系等进行的整体设计。智能高速铁路数据体系框架是从数据层面按照数据全生命周期管理流程对智能高速铁路内外部数据资源的汇集、治理、共享和分析等进行的整体设计。智能高速铁路标准体系框架是从标准层面对智能高速铁路建造、装备、运营全产业链成套技术及相关基础和支撑标准进行的整体设计。
在开展智能高铁体系架构设计的过程中，我们主要遵循了以下原则。一是兼顾体系架构稳定性和面向未来发展的可扩充性，二是合理划分各个组成部分，确保各技术系统颗粒度接近，并具有高集成性、高内聚性和低耦合性，三是基于平台实现各技术系统的协同互操作，确保各组成部分能形成一个有机的整体。
基于上述原则我们提出了智能高铁技术体系、数据体系和标准体系。下图是技术体系，按照分类分层设计原则，自动向下划分为三个板块、10个领域、18个方向、N项创新，以及一个统一的公共平台。
三大板块指智能建造、智能装备、智能运营。
十大领域指在三大板块框架下勘察设计、工程施工、建设管理、移动装备、通信信号、牵引供电、检测监测、客运服务、运输组织、养护维修等领域。
十八个方向指在三大板块、十大领域框架下空天地一体化工程勘察、基于BIM工程设计、桥隧路轨工程智能化施工、客运站工程智能化施工、四电工程智能化施工、基于BIM+GIS工程建设管理、智能动车组、智能综合检测车、信号、通信、智能牵引供电、智能检测监测、智能客运、智能票务、智能综合调度、智能行车调度、工电供一体化运维、动车组智能运维等方向。
N项创新指在三大板块、十大领域、八七个方向框架下基于GIS的智能勘探、BIM建模等智能化创新。
一个平台指为智能高速铁路技术创新提供支撑和服务的智能高速铁路公共平台。公共平台统一提供大数据、人工智能、5G、北斗等共性基础服务，统一为智能建造、智能装备、智能运营三大板块的各类应用提供基础设施、数据、服务等。技术架构在结构上保证了上三层相对稳定、未来N项创新可以根据技术发展和应用场景变化不断扩充。
图4 智能高铁技术体系
下图是智能高铁标准体系，由通用基础与管理标准、智能高速铁路应用标准、平台及支撑技术标准构成，主要包括3个一级类目、9个二级类目、26个三级类目和若干可扩展类目。智能高铁应用标准包括智能建造、智能装备、智能运营三大领域的核心标准。
图5 智能高铁标准体系
下图是智能高铁的数据体系，自底向上分为数据汇集层、存储处理层和分析应用层。数据汇集层用于汇集来自智能建造、智能装备、智能运营三大板块和既有的业务信息系统的数据，以及其它交通方式、气象、地震等外部相关数据，实现全业务、全类型的智能高速铁路数据汇集。存储处理层基于数据服务平台，对数据进行标准化、规范化处理，按工程建造、基础设施、移动装备、运营服务等不同主题建立全生命周期数据组织与存储结构，形成一套多专业融合、跨业务、跨部门共享的规范数据资源，并提供基础数据管理、数据集成、数据治理等服务。应用展示层采用“平台+应用”的铁路大数据应用模式，围绕工程建设、移动装备、基础设施、运输生产、运营安全、客运管理与服务、综合交通共享等领域，开展大数据典型应用。
图6 智能高铁数据体系
2020年9月15日，国铁集团发布了智能高速铁路体系架构1.0，将会指导未来新建线路智能化建设，以及既有高铁线路的智能化提升。
基于智能高铁体系架构研究成果，我们也针对城际、重载等领域的智能化需要，完成了智能城际总体架构、智能重载铁路体系架构等。智能高铁体系架构研究在国际领域尚属空白，我们还在UIC(国际铁道联盟)的支持下，编制了智能高铁技术体系白皮书，将为世界其他国家铁路智能化提供参考和借鉴。
依托京张高铁和京雄城际重大工程，我们对智能高铁体系架构进行了全方面的验证和优化。京张高铁是世界上第一条按照智能化理念建设和运营的高铁，已经于2019年12月30日开通运营，将为2022年2月4日开幕的冬奥会提供重要的交通保障，京雄城际是承载千年大计的重要交通基础设施。为此选择这两条线路开展智能高铁应用示范。
智能高铁典型应用场景主要包括智能建造，智能装备、智能运营和基础平台。
智能建造是整个高铁基础设施形成的起点，涉及到勘察设计、工程施工和工程管理。在设计阶段通过构建基于BIM的参数化协同设计平台，实现基于BIM的多专业协同设计、多源数据融合等。在施工阶段针对高速铁路的桥梁、隧道、路基、轨道等重要对象都开展了智能化施工。此外还研发应用了基于BIM+GIS的工程管理平台，实现高铁施工过程中进度、安全、质量、投资、环保等的协同管理。
图7 智能建造典型示范
在智能装备领域，智能动车组在复兴号平台上通过增加智能模块，实现了智能行车、智能运维和智能服务。在高速动车组ATO方面，京张高铁创造了时速350公里条件下的高速动车组自动驾驶的世界记录。此外还构建了智能牵引变电站和智能牵引供电系统。
图8 智能装备典型示范
在智能运营领域，研发应用了智能票务系统，实现了电子客票和基于人脸识别的无接触进出站。
图9 智能运营典型示范
构建了智能客站系统，实现了客运服务、客站设备、客站管理等的集中管理和服务。
研发应用了基础设施一体化运维系统和动车组PHM系统，实现了多专业统一调度和联合运维，极大提高了运维效率、降低了运维成本。
支撑这三大板块（智能建造、智能装备、智能运营）的无缝衔接和可靠运行的就是大数据平台，如下图所示。2018年国铁集团在天津武清建立了基于云计算的主数据中心，构建了大数据服务平台、北斗平台、地理信息平台等，基于这些平台统一为智能建造、智能装备、智能运营的业务应用提供IaaS和PaaS等服务。
图10 大数据平台建设
中国智能高铁的研究历经了从体系架构设计，到关键技术攻关，再到京张高铁示范应用，构成了一个完整闭环，形成了智能高铁体系架构1.0成果。但是智能高铁的发展是一个不断迭代优化、渐进发展的过程。“十四五”期间，面向国家交通强国发展纲要、综合立体交通网规划纲要要求，随着新型使能赋能技术的发展，中国铁路还将继续推进智能高铁的升级优化。欢迎在座的各位领导、专家共同关心和支持智能高铁的发展。
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