智能铁路总体架构与发展展望

王同军

（中国铁路总公司，北京 100844）

进入新世纪以来，信息技术突飞猛进，智能化技术取得突破性进展。人类社会在经历了工业化、信息化之后必将向智能化时代迈进。各行各业都开启了利用高新技术改造传统产业的进程。智能交通全面深化，智能电网、智慧城市、智慧农业、智慧医疗等创新应用层出不穷[1-3]。在此背景下，作为综合运输体系骨干的铁路行业，面临着前所未有的挑战[4]。如何提升运输组织效率，解决运输需求与能力供给之间的矛盾；如何更准确地掌握用户需求，提供更精准和高品质的客户服务，设计更贴近市场需求的客货运产品；如何实现风险隐患的自动排查，提升事故故障的超前防范能力，适应高速、重载的运输模式；作为重资产行业，如何掌握设备的劣化机理，提升设备的精细化管理水平，准确预判设备的维修时间和内容，大大降低设备的养护维修成本。在此背景下，智能铁路的概念应运而生，全球范围内对于智能铁路的研究全面开启。

对于智能铁路的研究，中国走在世界前列。特别是近期的智能京张、智能京雄，将智能铁路的研究应用引入新的阶段。国外对于智能铁路的研究，以欧、美、日为3大阵营，也取得了瞩目的成绩。

本文在总结智能铁路国外研究进展的基础上，对于智能铁路的概念、目标、特征、内涵等进行了界定，剖析了智能铁路的总体框架，提出了包含智能建造、智能装备、智能运营在内的3大系统组成，规划了智能铁路技术支撑体系，介绍了智能铁路研究成果在京张铁路的最新实践，最后对智能铁路发展蓝图进行了展望。

1 国内外发展现状

随着人工智能、计算机及其相关技术的飞速发展，世界各国都开展了利用高新技术改造传统铁路运输的研究，目的在于提高铁路运输效率、增强铁路运营安全、提高服务质量、减少环境污染。

1.1 早期阶段

国外对于智能铁路的研究，以欧、美、日为3大阵营，在早期产生了智能铁路3个最具代表性的成果，分别是日本、欧洲、美国的CyberRail、InteGRail以及Smarter Railroad，但研究侧重点各不相同。

日本的CyberRail[11]通过强大的信息提供功能，实现铁路运输与其他运输方式的无接缝、无障碍衔接和运输。CyberRail根据乘客个人需求，实时向乘客推送定制化的旅行计划和个人导航信息，同时还可帮助铁路公司不断优化运输计划，以满足旅客的个性化需求和列车控制的高安全性。

欧洲的InteGRail[12]面向欧洲铁路网的运输一体化展开研究，主要研究欧盟范围内的信息共享和资源一体化使用技术方案。通过建立集成共享信息系统，实现铁路主要业务流程的协同一致，以达到更高效、更高速、更准时、更安全、资源优化使用的目标。

美国的Smarter Railroad[13]提出利用更全面的互联互通、更透彻的感知和度量以及更深入的智能化，实现智能信息的网络化，进而在整个铁路系统、企业内部以及合作伙伴之间实现信息的互联和共享。在此基础上，感知和度量可帮助铁路公司收集新信息，从而更好地监控运营，更主动地采取措施。此外，复杂信息的分析整合、数据建模，可将战略或运营决策与新锐洞察相结合，利于铁路系统提高服务质量、服务安全性、服务可靠性以及铁路运营效率，并节约成本。

中国对于智能铁路的研究起步较早，2000年成立了国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，对于智能铁路的概念、定位，特别是体系框架进行研究。借鉴智能交通系统（Intelligent Traffic System，简称ITS）体系框架研究成果，结合中国铁路具体情况，提出了中国智能铁路的总体框架（RITS）[5-6]。

1.2 近期阶段

进入新世纪的第2个10年，对于智能铁路的研究出现了新的形势及特点。

2013年，欧盟提出的Shift2Rail科技创新项目是欧盟第一个以市场为导向的科研项目，是欧盟《地平线2020》规划（《2014—2020年研究和创新框架规划》）资助的唯一铁路项目[14]。该项目的目标在于实现欧洲铁路一体化、增强欧洲铁路的吸引力及竞争力、巩固欧洲铁路在全球市场的领导地位。为此，Shift2Rail划分了5个创新项目（IPs，Innovation Programmes）：

IP1：高效可靠的大容量和高速列车；

IP2：先进的运输管理和控制系统；

IP3：高质量、低投入的基础设施以及智能维护系统；

IP4：有吸引力的铁路服务的IT解决方案；IP5：可持续和有吸引力的欧洲货运技术。

德国铁路股份公司提出了铁路4.0发展规划，包括运输4.0、基础设施4.0、物流4.0、信号技术4.0、IT4.0、生产制造4.0、工作岗位4.0、技术创新4.0等[15]。具体内容包括：通过APP优化乘客路线设计、购票及换乘体验；实现高效、快速的运行线规划，提高线路使用效率；实现故障设施的自动诊断和自动报修，提高设备的可用性；向客户提供个性化物流解决方案；实现智能化的机车和货车，自动判断下一次检修的时间和内容等。

2015年法国国家铁路公司推出数字化法铁（DIGITALSNCF）项目，通过加强工业互联网建设，构建连通列车、路网、站房3大区域的网络，既实现企业对安全、生产效率、能源经济、工作质量等的追求，又满足旅客对准点率和舒适性的需求[16]。

近期，英国提出了数字时代下的铁路发展蓝图[17]。该蓝图重点描述了当前英国铁路面临的3大挑战及应对措施，主要包括：运用蓝牙及生物识别技术替代传统售票技术，设计新型列车座椅以增加车厢容载量，研发智能列车以加大发车频率。

为加强铁路系统内部的过程管理，巩固铁路系统市场份额，确保铁路可持续发展，俄罗斯铁路公司（RZD）于2013年制定了《2016—2020年全面创新发展计划》，提出数字化铁路的发展目标和任务，覆盖范围包括机车车辆和基础设施检测监测、运输管理和列车控制等，包含了从企业运营到资产管理的所有工作内容[18]。

在中国，原铁道部及改制后的铁路总公司加大了科研课题的支持力度，对于智能铁路发展战略、体系架构、关键技术等开展深入研究[7-10]，大数据、物联网、无人机、虚拟现实、机器人等技术都不同程度地在铁路系统中得到应用。

2 智能铁路概念及内涵

2.1 智能铁路概念

智能铁路是广泛应用云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人、下一代通信、北斗卫星导航、BIM等新技术，通过对铁路移动装备、固定基础设施及相关内外部环境信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，高效综合利用铁路所有移动、固定、空间、时间和人力等资源，实现铁路建设、运输全过程、全生命周期的高度信息化、自动化、智能化，打造更加安全可靠、更加经济高效、更加温馨舒适、更加方便快捷、更加节能环保的新一代铁路运输系统[19]。

2.2 智能铁路目标

（1）更加安全可靠。通过铁路固定设施、移动设备、运输过程及自然环境等的状态感知，实现设备故障、行车事故的预测、预警，突出超前防范，整体提升铁路运行安全保障能力。

（2）更加经济高效。通过铁路运输组织的智能优化，提高运输效率；通过铁路设备设施全寿命周期管理，实现“计划修”向“状态修”转变，降低养护维修成本；通过铁路经营管理精益化，提高经营效益。

（3）更加温馨舒适。铁路列车、车站采用大量人性化设计，为旅客提供全方位、全过程出行服务，满足旅客多样性和个性化服务要求，提高旅客出行体验。

（4）更加方便快捷。通过铁路货运的网络化，为货主提供物流全流程的货物跟踪及查询服务，实现运输信息透明化。

（5）更加节能环保。优化列车动力结构和列车运行控制方式，实现各环节用电在线监测、智能分析和节能控制，降低铁路能源消耗。优化建筑结构、设备性能，降低环境、噪声污染，促进铁路绿色发展和可持续发展。

2.3 智能铁路特征

（1）全面感知。对铁路运输系统中移动设备、固定设施、自然环境、其他相关要素等进行全面透彻的信息感知。

（2）泛在互联。各类信息进行广泛、深度、安全可信的交互，实现信息共享。

（3）融合处理。充分利用不同时间、空间的多源、异构传感器数据资源，解决数据不一致、不完整问题，为综合决策提供充足的依据。

（4）主动学习。积累大量数据和知识，不断迭代，适应铁路外部市场和环境的变化。

（5）科学决策。基于大数据分析、知识推理等方法，从海量数据中提出决策信息，辅助运营管理和经营决策。

2.4 智能铁路内涵

如果说工业化时代因能源驱动而使机器变得“四肢发达”，信息化时代因信息灵通而使机器变得“耳聪目明”，那么智能化时代将因智能技术的应用使机器变得“头脑聪慧”。信息化强调的是信息的采集、传输、分析及应用，但信息的分析多停留在数值运算的层面。智能化强调的是思维、判断、决策，上升到逻辑运算的层面。

从狭义上来讲，智能铁路指通过各种智能化技术的应用，最大化模拟、延伸和扩展人类智能，将这种机制尽可能地移植给人造设备及系统，从而将人类从铁路运输生产组织众多复杂的思维、决策活动中解脱出来，实现整个运输过程的自动化、智能化、便捷化。

同时，智能铁路并不仅限于技术驱动，也体现在新思想、新理念的应用。从广义上来讲，凡是有助于提高铁路运输效率、提升安全保障能力、优化客户服务质量的技术，都可称之为智能铁路技术。

3 智能铁路总体架构及系统组成

3.1 智能铁路总体架构

智能铁路是一个复杂的系统工程，从整体上来看，由智能感知层、智能传输层、数据资源层、智能决策层、智能应用层等组成，如图1所示。

（1）智能感知层是智能铁路感知真实世界的触手，也是融合物理世界和信息世界的纽带。智能感知层的功能是识别物体，采集信息，即通过传感网、物联网等多种手段，自动化获取铁路行车状态、设备健康状况、自然环境条件等信息，全方位了解整个铁路运输系统的运行情况，为上层的精细化管理提供支撑。作为构建智能铁路的基础，智能感知层的采集方式多样化及泛在化是其重要特征。信息采集设备主要包括传感网、物联网、GPS/BDS、综合视频、红外监测等等。

（2）智能传输层是联结智能铁路各组成要素的纽带。智能传输层的功能是将感知层采集到的信息，通过各种网络技术进行汇集、整合，以供进一步的智能分析及利用。广泛互联、可靠传递是对智能传输层的基本诉求，需要各种有线、无线网络与互联网融合。经过多年的快速发展，移动通信、互联网等技术趋于成熟，为智能铁路提供了坚实的网络基础。智能传输层采用的主要技术包括铁路信息网络的IPV4/IPV6技术、Wi-Fi网络、3G/4G网络等。

（3）数据资源层是智能铁路智慧产生的源泉，一切智慧及决策皆来源于数据。通过对采集到的铁路内外部相关数据进行智能分析和处理，可分析、识别出隐含的有意义的信息，从而获取对事物状态及发展趋势更深刻的认识，为决策判断提供科学的依据。数据资源层从下到上分为两个部分：最底层为数据服务平台，主要提供基础数据管理、数据集成、数据共享、大数据存储与分析等能力；最上层为数据资源，全面整合铁路战略决策、运输生产、经营开发、资源管理、建设管理、综合协同、社会数据等领域的信息资源。

（4）智能决策层是智能铁路的大脑，将数据资源层的各类数据，通过智能技术进行分析，将数据转化为知识，并快速准确地提供报表、仪表盘、3D等可视化方式进行全局展示，辅助铁路业务经营决策。智能决策层采用的主要技术包括大数据技术、机器学习技术、交互学习技术、可视化技术等。

（5）智能应用层充分体现了智能铁路的能动性，对铁路运输系统进行控制、改造、优化。智能应用层是智能化与铁路业务分工的深度融合，形成各业务领域的智能化子系统。基于智能决策层的分析结果，可提升运输组织效率、提高安全保障能力、推动业务模式创新。根据智能铁路丰富的内涵，智能应用层主要由智能建造、智能装备、智能运营3部分组成。

3.2 智能铁路系统组成

智能铁路信息系统是智能铁路的外延，是智能铁路最终发挥效果、对外提供能力的载体。目前，我国智能铁路信息系统涵盖3个方面，智能建造、智能装备和智能运营，致力于实现铁路运输全业务流程、全价值链条、全生命周期、全生态体系的整体智能化。

（1）智能建造

智能建造是以BIM+GIS技术为核心，综合应用物联网、云计算、移动互联网、大数据等新一代信息技术，与先进的工程建造技术相融合，通过自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段，进行工程设计及仿真、数字化工厂、精密测控、自动化安装、动态监测等工程化应用，构建勘察、设计、施工、验收、安质、监督全寿命可追溯的闭环体系，围绕桥梁、隧道、路基、轨道及车站，实现建设过程中进度、质量、安全、投资的精细化和智能化管理，形成和谐共生的工程建设产业生态环境，使复杂的建造过程透明化、可视化，推动铁路建设从信息化、数字化走向智能化。

（2）智能装备

智能装备包括智能移动装备（动车组、机车）、智能基础设施（工务、电务、供电）等。基于全方位态势感知、自动驾驶、运行控制、故障诊断、故障预测与健康管理（PHM）等技术，实现铁路移动装备及基础设施的自感知、自诊断、自决策、自适应、自修复；实现动车组、机车等移动装备的自动及协同运行；构建新一代智能化牵引供电和通信体系，实现线路、通信信号、牵引供电等基础设施全生命周期精细化管理及优化配置，保持基础设施的最佳使用状态。

（3）智能运营

智能运营包括智能调度、智能服务、智能车站、智能物流、智能运维、智能安全保障及智能经营。采用泛在感知、智能监测、虚拟现实、智能视频、事故预测及智联网等技术，实现运输计划的一体化编制和智能调整，全力打造列控与调度一体化体系，保障列车的自动安全准点运行。围绕购票、进站、候车、乘车、出站等环节，为旅客提供自助化、精准化、个性化、智能化、国际化的“温馨、便捷、安全、绿色”无障碍全过程出行服务。以客运车站设施设备及运营环境状态感知、故障诊断、智能决策为基础，实现车站设备智能化、车站服务多样化、客运车站人员-设备-作业协同联动，提高管理效率，提升服务质量，优化业务流程。通过对运输、仓储、装卸、配送等物流全过程的有效整合，实现最优路径规划、货物在途追踪、物流仓储配送及分拣自动化，为货主提供物流全过程一站式服务，大幅提升运输效率，降低物流成本。掌握基础设施及移动装备劣化机理及演变规律，实现预测性维修，提高养护维修效率，降低运维成本。通过铁路固定设施、移动装备、运输过程及自然环境等的状态感知，实现设备故障、行车事故的预测、预警，突出超前防范，整体提升铁路运行安全保障能力。准确把握市场需求，科学开展客货运产品设计及优化，实现运输价格的动态化、售票组织的智能化、运输收益的最大化，提升铁路精细化经营管理水平、提高运营效率。

4 智能铁路技术体系

科学技术的进步不断促进铁路行业的发展，智能铁路更是一个技术密集型的概念。只有当科学技术发展到一定程度后，智能铁路的理念才有可能得以实现。智能铁路需要一整套技术进行支撑，这些技术大体上可以分为3类，如图2所示。

4.1 智能铁路通用技术

信息化是智能化的基础和前提，智能化是信息化的高级阶段和发展方向。智能铁路首先需要基础信息、数据处理技术的支撑，以实现最根本的数据采集、数据传输、数据处理等功能。从数据生命周期来看，通用技术又可以分为数据感知、传输、处理及应用等几个环节。

4.2 智能处理技术

图2 智能铁路技术体系

智能铁路的核心理念是最大化模拟、延伸和扩展人类智能，赋予机器思维、判断、决策的能力，实现以上能力主要依靠智能处理技术。智能处理技术以人工智能理论为基础，侧重于信息处理的智能化，既包括传统的知识工程、智能规划等技术，也包括新兴的混合增强智能、量子智能计算等技术。智能处理技术是实现铁路大脑的核心支撑。2017年，国家发布《新一代人工智能发展规划》，全面布局人工智能技术研究及发展，为智能铁路建设提供了强有力的技术支撑。

4.3 智能铁路专用技术

铁路是一个多学科、跨领域的复杂系统，涉及工务工程、牵引供电、通信信号、移动装备、运输组织、客货服务、设备维修、安全保障等各个方面。建设智能铁路，需要在铁路既有各领域实现技术的突破及创新，包括机器人建造技术、铁路BIM技术、智能动车组技术、自动驾驶技术、智能牵引供电技术、行车安全预警技术、运行图编制理论、智能调度技术、智能运维技术及全面电子客票技术等。

通过以上技术的综合应用、集成创新，最终实现智能铁路的整体目标。

5 智能铁路发展

近年来，随着智能铁路研究的深入及技术的成熟，中国智能铁路建设逐渐进入实质性阶段。京张高铁、京雄高铁、福厦高铁、蒙华铁路以及珠三角城际铁路，都成为智能铁路建设的前沿。

5.1 智能京张定位

2016年4月，京张高铁全线开工。中国铁路总公司提出打造“精品工程、智能京张”的战略举措，京张高铁将集中国高铁建设运营技术和管理水平之大成，全面展示我国智能铁路创新发展的最新成果，是中国高铁从世界先进水平向世界领先水平迈进的标志性工程。

智能京张，就是采用云计算、物联网、大数据、人工智能、移动互联网、BIM等先进技术，通过信息的全面感知、安全传输、融合处理和科学决策，打造智能车站、智能列车、智能线路，实现旅客智能出行、铁路智能运输，把京张高铁建设成为精品与智能深度融合、硬件与软件相得益彰的典范之作，全面提升安全生产、运营管理、客运服务的现代化水平。

5.2 智能京张技术创新

（1）在工程建设方面，京张高铁在全球首次全线采用BIM技术。从原材管理、钢筋加工、混凝土拌制、运输养护，到内业资料整理，实现全生命周期智能化、信息化管理。利用BIM可视化技术，通过监控系统对接盾构机导向系统，可精准实时查看盾构机姿态，根据姿态显示及时纠正盾构机掘进参数，确保隧道施工达到精度要求；同时可以及时了解隧道掘进进度，当进度滞后时能够及时修正方案，做出调整。

（2）在动车组方面，以现有“复兴号”CR400BF型动车组为基础，在智能化、安全舒适、绿色环保、综合节能等方面全面升级，实现工作状态自感知、运行故障自诊断、导向安全自决策等功能。京张高铁智能动车组将首次采用我国自主研发的北斗卫星导航系统，实现350 km/h的自动驾驶，在高铁应用历史上属世界首例。同时，车上还配有滑雪板存放处，并开设了世界上最独特的移动新闻中心——媒体车厢，媒体车厢将实现高速互联网覆盖，实现奥运赛事直播。

（3）在供电系统方面，配备由智能供电设备、智能供电调度、智能供电运行管理及通信网络组成的智能供电系统，实现智能故障诊断、预警、自愈重构等功能，形成供电系统健康评估体系。

（4）在调度指挥方面，构建基于人工智能的高速铁路智能调度指挥系统，实现智能动态调度、智能协同控制、智能换乘调度、智能故障诊断等功能，达到路网整体列车调度效率最优，提升系统应急决策和处置能力，提高运营效率和旅客满意度。

（5）在旅客服务方面，全面完善12306网站及自助服务设施；支持多国语言国外银行卡支付；拓展票种形式（定期票、联程票、常旅客票等）；实现全面电子客票、一证通行、刷脸进站及检票；提供行程规划及资讯服务，以及站车WiFi全覆盖、站内导航服务；配备行李搬运机器人，并提供个性化及无障碍服务等。

（6）在车站方面，提供智能引导、自助服务设施，实现基于非法侵入识别、人流聚集与扩散异常检测、环境监测与调节的车站运营智能感知。车站环境舒适性监控系统、能源管控系统等将保证车站的高效运转，实现车站设备智能监控与管理，并配备垃圾密闭式气力输送等节能环保措施。

（7）在运营维护方面，应用大数据、深度学习、故障预测与健康管理（PHM）、增强现实等先进技术，实现技术装备的全过程管理，提高动车组等技术装备维修的智能化水平，降低装备的全生命周期成本，提高运输效率和安全水平。

（8）在自然灾害防护方面，能够对风级、雨量、雪深等自然环境自动监测与报警，实现快速应急处置。还能实现地震预警及自动应急处置，并对沿线非法侵入自动报警防范等。

京张智能高铁是我国智能铁路最新成果的首次集成化应用，在列车自动驾驶、智能调度指挥、故障智能诊断、建筑信息模型、北斗卫星导航、生物特征识别等方面实现重大突破。智能京张的建设，开启了中国智能铁路建设的新篇章，使百年京张铁路重新焕发了生机，具有划时代的重要意义。

6 中国智能铁路发展展望

智能铁路是中国铁路发展的方向。未来20年，中国将释放出巨大的社会经济需求，这将为智能铁路发展创造千载难逢的机遇和得天独厚的条件。结合铁路实际业务需求和技术发展趋势，形成智能铁路发展蓝图，保障智能铁路发展的有序推进可分为以下3个阶段：

（1）2018—2020年，完成智能京张、智能京雄高铁示范工程建设，构建智能铁路技术标准体系，初步形成智能铁路应用格局。

（2）2021—2025年，突破基于BIM的智能建造标准体系、自学习及自适应的谱系化智能动车组、全面感知的列车无人驾驶（DTO）、面向多种交通方式的智能综合协同指挥、旅客无障碍出行服务体系等重大智能铁路理论与技术，全面掌握从设计、建造到运营的全产业链技术。

（3）2026—2035年，智能铁路应用由辅助协同向自主操控升级，智能建造技术广泛应用，研发自修复型智能动车组，探索全自动无人驾驶（UTO），突破极端复杂情况下高铁智能容错理论与技术，构建基于量子、区块链等新技术的智能安全体系，实现铁路运营全面自主操控、无人化。

7 结束语

本文在概括国外智能铁路现状及发展趋势的基础上，给出了智能铁路概念及内涵，明确了智能铁路目标及发展方向，设计了智能铁路总体架构及组成系统，构建了智能铁路技术体系。通过对智能铁路的深入研究，依托京张、京雄、蒙华等多条新线建设，使智能铁路研究成果得以验证、转化、落地、推广，使其切实服务于广大人民群众，成为铁路持续发展的核心支撑，从而引领工程科技创新，产生巨大的经济及社会效益。